第六章 Flink中的时间和窗口

时间语义

上图是数据流式处理过程，涉及到两个重要的时间点：事件时间（Event Time）和处理时间（Processing Time）。

• 事件时间（Event Time）：即数据产生的时间；
• 处理时间（Processing Time）：即数据真正被处理的时刻；

我们在处理数据时，以哪种时间作为衡量标准，就是所谓的时间语义问题（Notions of Time）。由于分布式系统中网络传输的延迟和时钟漂移，处理时间相对事件发生的时间会有滞后。在这种情况下，就不能简单地把数据自带的时间戳当作时钟了，而需要用另外的标志来表示事件时间进展，在 Flink 中把它叫作事件时间的“水位线”（Watermarks）。

水位线（Watermark）

我们把时钟也数据的形式传递出去，告诉下游任务当前时间的进展；而且这个时钟的传递不会因为窗口聚合之类的运算而停滞。一种简单的想法是，在数据流中加入一个时钟标记，记录当前的事件时间；这个标记可以直接到广播下游，当下游任务收到这个标记，就可以更新自己的时钟了。由于类似流水中用来当做标志的几号，在Flink中，这种用来衡量事件时间（Event Time）进展的标记，就被称作水位线（Watermark）。

水位线可以看作一条特殊的数据记录，它是插入到数据流中的一个标记点，主要内容就是一个时间戳，用来指示当前的事件时间。而他插入流中的位置，就应该是在某个数据到来之后；这样就可以从这个数据中提取时间戳，作为当前水位线的时间戳了。

理想的水位线是有序的，但是现实中由于不可控因素常常会有少量乱序的数据。

周期性生成时间戳，保存区间最大值

水位线代表当前事件时间时钟，而且可以在数据的时间戳基础上加一些延迟来保证不丢失数据，这一点对于乱序流的正确处理非常重要。水位线的特性：

• 水位线是插入到数据流中的一个标记，可以认为是一个特殊的数据；
• 水位线主要的内容是一个时间戳，用来表示当前事件时间的进展；
• 水位显示基于数据的时间戳生成的；
• 水位线的时间戳必须单调递增，以确保任务的事件时间时钟一直向前推进；
• 水位线可以通过设置延迟，以保证正确处理乱序数据；
• 一个水位线（Watermark）t表示在当前流中事件时间已经到达了时间戳t，这导表t之前的所有数据都到齐了，之后流中不会出现时间戳t'<t的数据；

水位线是Flink流处理中保证结果正确性的核心机制，它往往会跟窗口一起配合，完成对乱序数据的正确处理。

如何生成水位线

在生成水位线的时候，如果希望计算结果更准确，可以将水位线延迟设置得更高一些，等待时间越长，越不容易漏掉数据，但是这样时效性降低了。而如果将等待时间设置过短则会遗漏掉部分数据，虽然Flink提供了处理迟到数据的方法，但是需要分开处理。因此如何设置延迟是一个需要根据实际情况权衡的问题。

在Flink的DataStream API中，有一个单独用于生成水位线的方法：assignTimestampAndWatermarks()，他主要用来为流中的数据分配时间戳，并生成水位线来显示时间。该方法需要传入一个WatermarkStrategy作为参数，WatermarkStrategy 中包含了一个“时间戳分配器”TimestampAssigner和一个“水位线生成器”WatermarkGenerator：

• TimestampAssigner, 主要负责从流中数据元素的某个字段中提取时间戳，并分配给元素。时间戳的分配是生成水位线的基础；
• WatermarkGenerator, 主要负责按照既定的方式，基于时间戳生成水位线。在WatermarkGenerator中主要有两个方法：onEvent和onPeriodicEmit;
  • onEvent, 每个事件（数据）到来都会调用的方法，他的参数有当前事件、时间戳，以及允许发出水位线的一个WatermarkOutput，可以基于事件做各种操作；
  • onPeriodiEmit, 周期性调用的方法，可以由WatermarkOutput发出水位线。周期时间为处理时间，可以调用环境配置的setAutoWatermarkInterval()方法来设置，默认为200ms；

代码

Flink提供了内置的水位线生成器：

• 有序流，对于有序流，主要特点就是时间戳单调增长（Monotonously Increasing Timestamps），所以永远不会出现迟到数据的问题。这是周期性生成水位线的最简单的场景，直接调用WatermarkStrategy.forMonotonousTimestamps()方法就可以实现。简单来说，就是直接拿当前最大的时间戳作为水位线就可以了。
• 乱序流，由于乱序流中需要等待迟到数据到齐，所以必须设置一个固定量的时间延迟（Fixed Amount of Lateness）。这时生成水位线的时间戳，就是当前数据流中最大的时间戳减去延迟的结果，相当于把表调慢，当前时钟会滞后于数据的最大时间戳。调用 WatermarkStrategy. forBoundedOutOfOrderness()方法就可以实现。这个方法需要传入一个 maxOutOfOrderness 参数，表示“最大乱序程度”，它表示数据流中乱序数据时间戳的最大差值；如果我们能确定乱序程度，那么设置对应时间长度的延迟，就可以等到所有的乱序数据了。

代码

自定义水位线

在WatermarkStrategy中，时间戳分配器TimestampAssigner都是大同小异的，指定字段提取时间戳就可以了。不同策略的关键在于WatermarkGenerator的实现。整体来说，Flink有两种不同的生产水位线的方式：一种是周期性的（Periodic），另一种是断点式的（Punctuated）：

• 周期性水位线生成器（Periodic Generator），周期性生成器一般是通过 onEvent()观察判断输入的事件，而在 onPeriodicEmit()里发出水位线；
• 断点式水位线生成器（Punctuated Generator），断点式生成器会不停地检测 onEvent()中的事件，当发现带有水位线信息的特殊事件时，就立即发出水位线。一般来说，断点式生成器不会通过 onPeriodicEmit()发出水位线。

此外，也可以在自定义数据源中发送水位线，但是这样就不能使用assignTimestampsAndWatermarks 方法来生成水位线了，两者只能二选一。

水位线的传递

在“重分区”（redistributing）的传输模式下，一个任务有可能会收到来自不同分区上游子任务的数据。而不同分区的子任务时钟并不同步，所以同一时刻发给下游任务的水位线可能并不相同。这说明上游各个分区处理得有快有慢，进度各不相同，这时我们应该以最慢的那个时钟，也就是最小的那个水位线为准。

窗口（Window）

Flink是一种流式计算引擎，主要是用来处理无界数据流的。想要更加方便的处理无界流，一种方式就是将无限数据切割成有限的“数据块”进行处理，这就是所谓的“窗口”（window）。在Flink中，窗口就是用来处理无界流的核心。

由于存在迟到数据的问题，将窗口视为一个框可能并不是最合适的。我们可以把它理解成一个“桶”（bucket）：每个数据都会分发到对应的桶中，当到达窗口的结束时间时，就对每个桶中收集的数据进行计算处理。

窗口的分类

• 按照驱动类型分类：
  • 1）时间窗口，时间窗口以时间点来定义窗口的开始（start）和结束（end），所以截取出的就是某一时间段的数据；
  • 2）计数窗口，计数窗口基于元素的个数来截取数据，到达固定的个数时就触发计算并关闭窗口。每个窗口截取数据的个数，就是窗口的大小。

• 按照窗口分配数据的规则分类：1）滚动窗口，2）滑动窗口，3）会话窗口，4）全局窗口；

  
  
  
  
  

窗口API概览

在定义窗口操作之前，需要先确定到底是基于按键分区的数据流KeyedStream还是在没有按键分区的DataStream上面开窗。也即调用窗口算子之前是否有keyBy操作。

而在API上面的区别也是非常小：

// 按键分区
stream.keyBy(...).window(...)

// 非按键分区
stream.windowAll(...)

窗口分配器（Window Assigner）

定义窗口分配器（Window Assigner）是构建窗口算子的第一步，他的作用就是定义数据应该被分配到哪个窗口。通过向上一节中的window/windowAll函数中传入WindowAssigner参数，返回WindowStream。

不同窗口类型有不同的窗口分配器。

1、时间窗口
// 滚动处理时间窗口
stream.keyBy(...)
  .window(TumblingProcessingTimeWindows.of(Time.seconds(5))
  .aggregate(...)

// 滑动处理时间窗口
stream.keyBy(...)
  .window(SlidingProcessingTimeWindows.of(Time.seconds(10), Time.seconds(5))
  .aggregate(...)

// 处理时间会话窗口
stream.keyBy(...)
  .window(ProcessingTimeSessionWindows.withGap(Time.seconds(10)))
  .aggregate(...)

// 滚动事件时间窗口
stream.keyBy(...)
  .window(TumblingEventTimeWindows.of(Time.seconds(5)))
  .aggregate(...)

// 滑动事件时间窗口
stream.keyBy(...)
  .window(SlidingEventTimeWindows.of(Time.seconds(10), Time.seconds(5)))
  .aggregate(...)

// 事件时间会话窗口
stream.keyBy(...)
  .window(EventTimeSessionWindows.WithGap(Time.seconds(10)))
  .aggregate(...)

// 2、计数窗口
// 滚动计数窗口, 定义一个长度为10的滚动计数窗口
stream.keyBy(...)
  .countWindow(10)

// 滑动计数窗口，长度为10，步长为3
stream.keyBy(...)
  .countWindow(10, 3)

// 3、全局窗口, 全局窗口必须自行定义触发器才能实现窗口计算，否则起不到任何作用
stream.keyBy(...)
  .window(GlobalWindows.create())

窗口函数（Window Functions）

在上面定义了窗口分配器，我们只是知道了数据属于哪个窗口，而本节介绍的窗口函数则是如何将这些窗口中的数据收集起来，即如何处理。

窗口函数是作用在windowStream上面的，返回的是DataStream。各种stream间的转换如下：

1、增量聚合函数
为了提高实时性，我们可以像 DataStream 的简单聚合一样，每来一条数据就立即进行计算，中间只要保持一个简单的聚合状态就可以了；区别只是在于不立即输出结果，而是要等到窗口结束时间。等到窗口到了结束时间需要输出计算结果的时候，我们只需要拿出之前聚合的状态直接输出，这无疑就大大提高了程序运行的效率和实时性。

典型的增量聚合函数有两个：ReduceFunction和AggregateFunction。

ReduceFunction:

package com.whu.chapter06

import com.whu.chapter05.{ClickSource, Event}

import java.time.Duration
import org.apache.flink.api.common.eventtime.{SerializableTimestampAssigner, WatermarkStrategy}
import org.apache.flink.streaming.api.windowing.time.Time
import org.apache.flink.streaming.api.scala._
import org.apache.flink.streaming.api.windowing.assigners.TumblingEventTimeWindows

object WindowFunctionDemo {
  def main(args:Array[String]): Unit = {
    val env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment
    env.setParallelism(1)

    env.addSource(new ClickSource())
      // 数据源中的时间戳是单调递增的，所以使用下面的方法，只需要抽取时间戳就好了
      // 等同于最大延迟时间是0毫秒
      .assignAscendingTimestamps(_.timeStamp)
      .map(r => (r.user, 1L))
      // 使用用户名对数据流进行分组
      .keyBy(_._1)
      // 设置5秒钟的滚动事件时间窗口
      .window(TumblingEventTimeWindows.of(Time.seconds(5)))
      // 保留第一个字段，针对第二个字段进行聚合
      .reduce((r1, r2) => (r1._1, r1._2+r2._2))
      .print()
    
    env.execute()
  }
}

AggregateFunction
ReduceFunction 可以解决大多数归约聚合的问题，但是这个接口有一个限制，就是聚合状态的类型、输出结果的类型都必须和输入数据类型一样。

AggregateFunction 在源码中的定义如下：

public interface AggregateFunction<IN, ACC, OUT> extends Function, Serializable 
{
  // 创建一个累加器，这就是为聚合创建了一个初始状态，每个聚合任务只会调用一次
  ACC createAccumulator();

  // 将输入的元素添加到累加器中。这就是基于聚合状态，对新来的数据进行进一步聚合的过程
  ACC add(IN value, ACC accumulator);

  // getResult()：从累加器中提取聚合的输出结果。也就是说，我们可以定义多个状态，然后再基于这些聚合的状态计算出一个结果进行输出
  OUT getResult(ACC accumulator);

  // 合并两个累加器，并将合并后的状态作为一个累加器返回。这个方法只在需要合并窗口的场景下才会被调用
  ACC merge(ACC a, ACC b);
}

AggregateFunction接受3个数据类型：输入类型（IN）、累加器类型（ACC）和输出类型（OUT）。输入类型 IN 就是输入流中元素的数据类型；累加器类型 ACC 则是我们进行聚合的中间状态类型；而输出类型当然就是最终计算结果的类型了。

    env.addSource(new ClickSource())
      .assignAscendingTimestamps(_.timeStamp)
      // 通过为每条数据分配相同的key，来将数据发送到同一个分区
      .keyBy(_ => "key")
      .window(SlidingEventTimeWindows.of(Time.seconds(10), Time.seconds(2)))
      .aggregate(new AvgPv)

    env.execute()
  
  class AvgPv extends AggregateFunction[Event,(Set[String], Double), Double] {
    // 创建空累加器，类型是元组，元组的第一个元素类型为Set数据结构，用来对用户名去重
    // 第二个元素用来累加pv操作，也就是没来一条数据就加一
    override def createAccumulator(): (Set[String], Double) = (Set[String](), 0L)

    // 累加规则
    override def add(in: Event, acc: (Set[String], Double)): (Set[String], Double) = {
      (acc._1+in.user, acc._2+1)
    }

    // 获取窗口关闭时向下游发送的结果
    override def getResult(acc: (Set[String], Double)): Double = {
      acc._2/(acc._1.size.toDouble)
    }

    // merge方法只有在事件时间的会话窗口时，才需要实现，这里无需实现
    override def merge(acc: (Set[String], Double), acc1: (Set[String], Double)): (Set[String], Double) = ???
  }

全窗口函数（Full Window Functions）
窗口操作中的另一大类就是全窗口函数，与增量聚合函数不同，全窗口函数需要先收集窗口中的数据，并在内部缓存起来，等到窗口要输出结果的时候再取出数据进行计算。

Flink中的全窗口函数有两种：WindowFunction和ProcessWindowFunction。

// 窗口函数
stream.keyBy(<key selector>)
  .window(<window assigner>)
  .apply(new MyWindowFunction())

处理窗口函数ProcessWindowFunction是Window API中最底层的通用窗口函数接口。除了可以拿到窗口中的所有数据之外，ProcessWindowFunction还可以获取到一个“上下文对象（context）”。这个上下文对象不仅有窗口信息，还可以访问当前的时间和状态信息。这里的时间包括了处理时间（process time）和事件时间水位线（event time watermark）。这使得ProcessWindowFunction更加灵活、功能更加丰富，可以认为是一个增强版的WindowFunction。

// Full WindowFunction
    env.addSource(new ClickSource())
      .assignAscendingTimestamps(_.timeStamp)
      // 为所有数据都指定同一个key，可以将所有数据发送到同一个分区
      .keyBy(_ => "key")
      .window(TumblingEventTimeWindows.of(Time.seconds(10)))
      .process(new UvCountByWindow)
      .print()
    
    env.execute()
  
  // 自定义窗口处理函数
  class UvCountByWindow extends ProcessWindowFunction[Event, String, String, TimeWindow]{
    // 
    override def process(key: String, context: Context, elements: Iterable[Event], out: Collector[String]): Unit = {
      // 初始化一个Set数据结构，用来对用户名进行去重
      var userSet = Set[String]()
      // 将所有用户进行去重
      elements.foreach(userSet += _.user)
      // 结合窗口信息，包装输出内容
      val windowStart = context.window.getStart
      val windowEnd = context.window.getEnd
      out.collect(" 窗口："+ new Timestamp(windowStart) + " ~ "+ new Timestamp(windowEnd) + " 独立访客数为：" + userSet.size)
    }

增量和聚合函数结合使用

增量聚合相当于把计算量“均摊”到了窗口收集数据的过程中，自然就会比全窗口聚合更加高效、输出更加实时。而全窗口函数的优势在于提供了更多的信息，可以认为是更加“通用”的窗口操作，窗口计算更加灵活，功能更加强大。所以在实际应用中，我们往往希望兼具这两者的优点，把它们结合在一起使用。Flink 的Window API 就给我们实现了这样的用法。

这样调用的处理机制是：基于第一个参数（增量聚合函数）来处理窗口数据，每来一个数
据就做一次聚合；等到窗口需要触发计算时，则调用第二个参数（全窗口函数）的处理逻辑输出结果。

    // 全窗口函数和聚合函数结合使用
    env.addSource(new ClickSource())
      .assignAscendingTimestamps(_.timeStamp)
      // 使用url作为key对数据进行分区
      .keyBy(_.url)
      .window(SlidingEventTimeWindows.of(Time.seconds(10), Time.seconds(2)))
      // 注意这里调用的是aggregate方法
      // 增量聚合函数和全窗口聚合函数结合使用
      .aggregate(new UrlViewCountAgg, new UrlViewCountResult)
      .print()

  class UrlViewCountAgg extends AggregateFunction[Event, Long, Long] {
    override def createAccumulator(): Long = 0L

    // 每来一个事件就加1
    override def add(in: Event, acc: Long): Long = acc + 1L

    // 窗口闭合时发送的计算结果
    override def getResult(acc: Long): Long = acc

    override def merge(acc: Long, acc1: Long): Long = ???
  }

  case class UrlViewCount(url: String, count: Long, windowStart: Long, windowEnd: Long)

  class UrlViewCountResult extends ProcessWindowFunction[Long, UrlViewCount, String, TimeWindow] {
    // 迭代器中只有一个元素，是增量聚合函数在窗口闭合时发送过来的计算结果
    override def process(key: String, context: Context, elements: Iterable[Long], out: Collector[UrlViewCount]): Unit = {
      out.collect(UrlViewCount(key, elements.iterator.next(), context.window.getStart, context.window.getEnd))
    }
  }

其它API

• 触发器（Trigger）：触发器主要是用来控制窗口什么时候触发计算。所谓的“触发计算”，本质上就是执行窗口函数，所以可以认为是计算得到结果并输出的过程；Trigger 是窗口算子的内部属性，每个窗口分配器（WindowAssigner）都会对应一个默认的触发器；对于 Flink 内置的窗口类型，它们的触发器都已经做了实现；
• 移除器（Evictor）：移除器主要用来定义移除某些数据的逻辑；
• 允许延迟（Allowed Lateness）：为了解决迟到数据的问题，Flink 提供了一个特殊的接口，可以为窗口算子设置一个“允许的最大延迟”（Allowed Lateness）。也就是说，我们可以设定允许延迟一段时间，在这段时间内，窗口不会销毁，继续到来的数据依然可以进入窗口中并触发计算；
• 将迟到的数据放入侧输出流：Flink 还提供了另外一种方式处理迟到数据。我们可以将未收入窗口的迟到数据，放入“侧输出流”（side output）进行另外的处理。所谓的侧输出流，相当于是数据流的一个“分支”，这个流中单独放置那些本该被丢弃的数据。

窗口的生命周期

熟悉了窗口 API 的使用，这里梳理一下窗口本身的生命周期，这也是对窗口所有操作的一个总结：

• 窗口的创建；
• 窗口计算的触发；

• 窗口的销毁；

  
  

迟到数据的处理

所谓的“迟到数据”（late data），是指某个水位线之后到来的数据，它的时间戳其实是在水位线之前的。所以只有在事件时间语义下，讨论迟到数据的处理才是有意义的。

• 设置水位线延迟时间；
• 允许窗口处理迟到数据；
• 将迟到数据放入窗口侧输出流；

package com.whu.chapter06

import com.whu.chapter05.{ClickSource, Event}
import com.whu.chapter06.WindowFunctionDemo.{UrlViewCountAgg, UrlViewCountResult}

import java.time.Duration
import org.apache.flink.api.common.eventtime.{SerializableTimestampAssigner, WatermarkStrategy}
import org.apache.flink.api.common.functions.AggregateFunction
import org.apache.flink.streaming.api.windowing.time.Time
import org.apache.flink.streaming.api.scala._
import org.apache.flink.streaming.api.scala.function.ProcessWindowFunction
import org.apache.flink.streaming.api.windowing.assigners.{SlidingEventTimeWindows, TumblingEventTimeWindows}
import org.apache.flink.streaming.api.windowing.windows.TimeWindow
import org.apache.flink.util.Collector

import java.sql.Timestamp

object ProcessLateDataDemo {
  def main(args: Array[String]): Unit = {
    val env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment
    env.setParallelism(1)
    
    // 为方便测试，读取socket文本流进行处理
    val stream = env.socketTextStream("localhost", 7777)
      .map(data => {
        val fields = data.split(",")
        Event(fields(0).trim, fields(1).trim, fields(2).trim.toLong)
      })
    
    // 方式1：设置Watermark延迟时间 2秒钟
    val res1 = stream.assignTimestampsAndWatermarks(WatermarkStrategy
      // 最大延迟时间设置为5秒钟
      .forBoundedOutOfOrderness[Event](Duration.ofSeconds(2))
      .withTimestampAssigner( new SerializableTimestampAssigner[Event] {
        override def extractTimestamp(t: Event, l: Long): Long = t.timeStamp
      })
    )
    
    // 定义侧输出流标签
    val outputTag = OutputTag[Event]("late")
    val res2 = stream
      .keyBy(_.url)
      .window(TumblingEventTimeWindows.of(Time.seconds(10)))
      // 方式二：允许窗口处理迟到数据，设置1分钟的等待时间
      .allowedLateness(Time.minutes(1))
      // 方式三：将最后的迟到数据输出到侧输出流
      .sideOutputLateData(outputTag)
      .aggregate(new UrlViewCountAgg, new UrlViewCountResult)
    
    res2.print()
    
    res2.getSideOutput(outputTag).print("late")
    
    // 为方便观察，可以将原始数据也输出
    stream.print("input")
  }
}