前言
Flink的检查点和恢复机制定期的会保存应用程序状态的一致性检查点。在故障的情况下，应用程序的状态将会从最近一次完成的检查点恢复，并继续处理。尽管如此，可以使用检查点来重置应用程序的状态无法完全达到令人满意的一致性保证。相反，source和sink的连接器需要和Flink的检查点和恢复机制进行集成才能提供有意义的一致性保证。
状态一致性
对于流处理器内部来说，所谓的状态一致性，其实就是我们所说的计算结果要保证准确。 一条数据不应该丢失，也不应该重复计算 在遇到故障时可以恢复状态，恢复以后的重新计算，结果应该也是完全正确的。
分类
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AT-MOST-ONCE（最多一次） 当任务故障时，最简单的做法是什么都不干，既不恢复丢失的状态，也不重播丢失的数据。At-most-once 语义的含义是最多处理一次事件。
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AT-LEAST-ONCE（至少一次） 在大多数的真实应用场景，我们希望不丢失事件。这种类型的保障称为 at-least-once，意思是所有的事件都得到了处理，而一些事件还可能被处理多次。
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EXACTLY-ONCE（精确一次） 恰好处理一次是最严格的保证，也是最难实现的。恰好处理一次语义不仅仅意味着没有事件丢失，还意味着针对每一个数据，内部状态仅仅更新一次。
EXACTLY-ONCE 的保证
Flink的 checkpoint机制和故障恢复机制给Flink内部提供了精确一次的保证，需要注意的是，所谓精确一次并不是说精确到每个event只执行一次，而是每个event对状态（计算结果）的影响只有一次。
端到端 EXACTLY-ONCE
目前我们看到的一致性保证都是由流处理器实现的，也就是说都是在 Flink 流处理器内部保证的；而在真实应用中，流处理应用除了流处理器以外还包含了数据源（例如 Kafka）和输出到持久化系统
端到端的一致性保证，意味着结果的正确性贯穿了整个流处理应用的始终；每一个组件都保证了它自己的一致性
不同Source 和Sink的一致性保证
| source/sink | 不可重置 | 可重置 |
|---|---|---|
| 任意（Any） | At-most-once | At-least-once |
| 幂等 | At-most-once | Exactly-once（故障恢复时会出现暂时不一致） |
| 预写日志（WAL） | At-most-once | At-least-once |
| 两阶段提交（2PC） | At-most-once | Exactly-once |
整个端到端的一致性级别取决于所有组件中一致性最弱的组件
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内部保证 —— checkpoint
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source 端 —— 可重设数据的读取位置
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sink 端 —— 从故障恢复时，数据不会重复写入外部系统
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幂等写入
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事务写入
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Fink的检查点和恢复机制和可以重置读位置的source连接器结合使用，可以保证应用程序不会丢失任何数据。尽管如此，应用程序可能会发出两次计算结果，因为从上一次检查点恢复的应用程序所计算的结果将会被重新发送一次（一些结果已经发送出去了，这时任务故障，然后从上一次检查点恢复，这些结果将被重新计算一次然后发送出去）。所以，可重置读位置的source和Flink的恢复机制不足以提供端到端的恰好处理一次语义，即使应用程序的状态是恰好处理一次一致性级别。
端到端恰好处理一次语义一致性的应用程序需要特殊的sink连接器。sink连接器可以在不同的情况下使用两种技术来达到恰好处理一次一致性语义：幂等性写入和事务性写入。
幂等写入
幂等概念
所谓幂等操作，是说一个操作，可以重复执行很多次，但只导致一次结果更改，也就是说，后面再重复执行就不起作用了
实现思想
必须保证在从检查点恢复以后，它将会覆盖之前已经写入的结果。
优缺点
从Flink程序sink到的key-value存储中读取数据的应用，在Flink从检查点恢复的过程中，可能会看到不想看到的结果。当重播开始时，之前已经发出的计算结果可能会被更早的结果所覆盖（因为在恢复过程中）。所以，一个消费Flink程序输出数据的应用，可能会观察到时间回退，例如读到了比之前小的计数。
事务写入
事务概念
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应用程序中一系列严密的操作，所有操作必须成功完成，否则在每个操作中所作的所有更改都会被撤消
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具有原子性：一个事务中的一系列的操作要么全部成功，要么一个都不做
实现思想
构建的事务对应着 checkpoint，等到 checkpoint 真正完成的时候，才把所有对应的结果写入 sink 系统中
优缺点
事务性的方法将不会遭受幂等性写入所遭受的重播不一致的问题。但是，事务性写入却带来了延迟，因为只有在检查点完成以后，我们才能看到计算结果。
Flink提供了两种构建模块来实现事务性sink连接器：write-ahead-log（WAL，预写式日志）sink和两阶段提交sink。
实现方式
预写日志
把结果数据先当成状态保存，然后在收到 checkpoint 完成的通知时，一次性写入 sink 系统
简单易于实现，由于数据提前在状态后端中做了缓存，所以无论什么 sink 系统，都能用这种方式一批搞定
DataStream API 提供了一个模板类：GenericWriteAheadSink，来实现这种事务性 sink
两阶段提交
对于每个 checkpoint，sink 任务会启动一个事务，并将接下来所有接收的数据添加到事务里
然后将这些数据写入外部 sink 系统，但不提交它们 —— 这时只是“预提交”
当它收到 checkpoint 完成的通知时，它才正式提交事务，实现结果的真正写入
这种方式真正实现了 exactly-once，它需要一个提供事务支持的外部 sink 系统。
Flink 提供了 TwoPhaseCommitSinkFunction 接口。
2PC 对外部 sink 系统的要求
外部 sink 系统必须提供事务支持，或者 sink 任务必须能够模拟外部系统上的事务
在 checkpoint 的间隔期间里，必须能够开启一个事务并接受数据写入
在收到 checkpoint 完成的通知之前，事务必须是“等待提交”的状态。在故障恢复的情况下，这可能需要一些时间。如果这个时候sink系统关闭事务（例如超时了），那么未提交的数据就会丢失
sink 任务必须能够在进程失败后恢复事务
提交事务必须是幂等操作
Flink+Kafka 端到端状态一致性的保证
使用flink+kafka来实现一个端对端一致性保证，source -> transform -> sink
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内部 —— 利用 checkpoint 机制，把状态存盘，发生故障的时候可以恢复，保证内部的状态一致性
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source —— kafka consumer 作为 source，可以将偏移量保存下来，如果后续任务出现了故障，恢复的时候可以由连接器重置偏移量，重新消费数据，保证一致性
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sink —— kafka producer 作为sink，采用两阶段提交 sink，需要实现一个 TwoPhaseCommitSinkFunction
图解Exactly-Once 两阶段提交
Exactly-once 两阶段提交1
Exactly-once 两阶段提交1：
JobManager 协调各个 TaskManager 进行 checkpoint 存储 checkpoint保存在 StateBackend中，默认StateBackend是内存级的，也可以改为文件级的进行持久化保存
Exactly-once 两阶段提交2
Exactly-once 两阶段提交2：
当开启了checkpoint ，JobManager 会将检查点分界线（barrier）注入数据流 barrier会在算子间传递下去
Exactly-once 两阶段提交3
每个算子会对当前的状态做个快照，保存到状态后端
checkpoint 机制可以保证内部的状态一致性
Exactly-once 两阶段提交4
每个内部的 transform 任务遇到 barrier 时，都会把状态存到 checkpoint 里
sink 任务首先把数据写入外部 kafka，这些数据都属于预提交的事务；
遇到 barrier 时，把状态保存到状态后端，并开启新的预提交事务
Exactly-once 两阶段提交5
当所有算子任务的快照完成，也就是这次的 checkpoint 完成时，JobManager 会向所有任务发通知，确认这次 checkpoint 完成
sink 任务收到确认通知，正式提交之前的事务，kafka 中未确认数据改为“已确认”
总结 Exactly-once 两阶段提交步骤
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第一条数据来了之后，开启一个 kafka 的事务（transaction），正常写入 kafka 分区日志但标记为未提交，这就是“预提交”
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jobmanager 触发 checkpoint 操作，barrier 从 source 开始向下传递，遇到 barrier 的算子将状态存入状态后端，并通知 jobmanager sink 连接器收到 barrier，保存当前状态，存入 checkpoint，通知 jobmanager，并开启下一阶段的事务，用于提交下个检查点的数据
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jobmanager 收到所有任务的通知，发出确认信息，表示 checkpoint 完成
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sink 任务收到 jobmanager 的确认信息，正式提交这段时间的数据
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外部kafka关闭事务，提交的数据可以正常消费了。
在使用kafka011 sink 时注意的点：
1.为了保证事务特性，在使用其他程序去消费我们flink sink 数据的kafka时，这个consumer需要设置了isolation.level = read_committed，那么它只会读取已经提交了的消息。
2.Checkpoint超时时间 必需大于 kafka 提交事务时间。
假如checkpoint失败时间高于 kafka事务等待时间，比如，设置了一个checkpoint最多等待10分钟，10分钟后会失败这个checkpoint的保存。而kafka 的事务只能等待5分钟，5分钟后把uncommitted的事务关掉。这个时候6分钟checkpoint成功了，但是对应kafka数据的事务已经失败。这样就无法保证Exactly-once的实现
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