Flink学习（十四） Flink 窗口、时间和水位线

Flink 框架中支持事件时间、摄入时间和处理时间三种。而当我们在流式计算环境中数据从 Source 产生，再到转换和输出，这个过程由于网络和反压的原因会导致消息乱序。因此，需要有一个机制来解决这个问题，这个特别的机制就是“水位线”。

Flink 的窗口和时间
根据窗口数据划分的不同，目前 Flink 支持如下 3 种：

滚动窗口，窗口数据有固定的大小，窗口中的数据不会叠加；

滑动窗口，窗口数据有固定的大小，并且有生成间隔；

会话窗口，窗口数据没有固定的大小，根据用户传入的参数进行划分，窗口数据无叠加。

Flink 中的时间分为三种：

事件时间（Event Time），即事件实际发生的时间；
摄入时间（Ingestion Time），事件进入流处理框架的时间；
处理时间（Processing Time），事件被处理的时间。
下面的图详细说明了这三种时间的区别和联系：

事件时间（Event Time

事件时间（Event Time）指的是数据产生的时间，这个时间一般由数据生产方自身携带，比如 Kafka 消息，每个生成的消息中自带一个时间戳代表每条数据的产生时间。Event Time 从消息的产生就诞生了，不会改变，也是我们使用最频繁的时间。

利用 Event Time 需要指定如何生成事件时间的“水印”，并且一般和窗口配合使用，具体会在下面的“水印”内容中详细讲解。

我们可以在代码中指定 Flink 系统使用的时间类型为 EventTime：

final StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
//设置时间属性为 EventTime
env.setStreamTimeCharacteristic(TimeCharacteristic.EventTime);

DataStream<MyEvent> stream = env.addSource(new FlinkKafkaConsumer09<MyEvent>(topic, schema, props));

stream
    .keyBy( (event) -> event.getUser() )
    .timeWindow(Time.hours(1))
    .reduce( (a, b) -> a.add(b) )
    .addSink(...);

Flink 注册 EventTime 是通过 InternalTimerServiceImpl.registerEventTimeTimer 来实现的

可以看到，该方法有两个入参：namespace 和 time，其中 time 是触发定时器的时间，namespace 则被构造成为一个 TimerHeapInternalTimer 对象，然后将其放入 KeyGroupedInternalPriorityQueue 队列中。

那么 Flink 什么时候会使用这些 timer 触发计算呢？答案在这个方法里：

InternalTimeServiceImpl.advanceWatermark。
public void advanceWatermark(long time) throws Exception {
   currentWatermark = time;

   InternalTimer<K, N> timer;

   while ((timer = eventTimeTimersQueue.peek()) != null && timer.getTimestamp() <= time) {
      eventTimeTimersQueue.poll();
      keyContext.setCurrentKey(timer.getKey());
      triggerTarget.onEventTime(timer);
   }
}

这个方法中的 while 循环部分会从 eventTimeTimersQueue 中依次取出触发时间小于参数 time 的所有定时器，调用 triggerTarget.onEventTime() 方法进行触发。

这就是 EventTime 从注册到触发的流程。

处理时间（Processing Time）
处理时间（Processing Time）指的是数据被 Flink 框架处理时机器的系统时间，Processing Time 是 Flink 的时间系统中最简单的概念，但是这个时间存在一定的不确定性，比如消息到达处理节点延迟等影响。

我们同样可以在代码中指定 Flink 系统使用的时间为 Processing Time：

final StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();

env.setStreamTimeCharacteristic(TimeCharacteristic.ProcessingTime);

同样，也可以在源码中找到 Flink 是如何注册和使用 Processing Time 的。

 

registerProcessingTimeTimer() 方法为我们展示了如何注册一个 ProcessingTime 定时器：
每当一个新的定时器被加入到 processingTimeTimersQueue 这个优先级队列中时，如果新来的 Timer 时间戳更小，那么更小的这个 Timer 会被重新注册 ScheduledThreadPoolExecutor 定时执行器上。

Processing Time 被触发是在 InternalTimeServiceImpl 的 onProcessingTime() 方法中：

一直循环获取时间小于入参 time 的所有定时器，并运行 triggerTarget 的 onProcessingTime() 方法。

摄入时间（Ingestion Time）
摄入时间（Ingestion Time）是事件进入 Flink 系统的时间，在 Flink 的 Source 中，每个事件会把当前时间作为时间戳，后续做窗口处理都会基于这个时间。理论上 Ingestion Time 处于 Event Time 和 Processing Time之间。

与事件时间相比，摄入时间无法处理延时和无序的情况，但是不需要明确执行如何生成 watermark。在系统内部，摄入时间采用更类似于事件时间的处理方式进行处理，但是有自动生成的时间戳和自动的 watermark。

可以防止 Flink 内部处理数据是发生乱序的情况，但无法解决数据到达 Flink 之前发生的乱序问题。如果需要处理此类问题，建议使用 EventTime。

Ingestion Time 的时间类型生成相关的代码在 AutomaticWatermarkContext 中。

水位线（WaterMark）
水位线（WaterMark）是 Flink 框架中最晦涩难懂的概念之一，有很大一部分原因是因为翻译的原因。

WaterMark 在正常的英文翻译中是水位，但是在 Flink 框架中，翻译为“水位线”更为合理，它在本质上是一个时间戳。

在上面的时间类型中我们知道，Flink 中的时间：
EventTime 每条数据都携带时间戳；

ProcessingTime 数据不携带任何时间戳的信息；
IngestionTime 和 EventTime 类似，不同的是 Flink 会使用系统时间作为时间戳绑定到每条数据，可以防止 Flink 内部处理数据是发生乱序的情况，但无法解决数据到达 Flink 之前发生的乱序问题。
所以，我们在处理消息乱序的情况时，会用 EventTime 和 WaterMark 进行配合使用。

首先我们要明确几个基本问题。

水印的本质是什么
水印的出现是为了解决实时计算中的数据乱序问题，它的本质是 DataStream 中一个带有时间戳的元素。

如果 Flink 系统中出现了一个 WaterMark T，那么就意味着 EventTime < T 的数据都已经到达，窗口的结束时间和 T 相同的那个窗口被触发进行计算了。

也就是说：水印是 Flink 判断迟到数据的标准，同时也是窗口触发的标记。

在程序并行度大于 1 的情况下，会有多个流产生水印和窗口，这时候 Flink 会选取时间戳最小的水印。

水位线是如何生成的

Flink 提供了 assignTimestampsAndWatermarks() 方法来实现水印的提取和指定，该方法接受的入参有 AssignerWithPeriodicWatermarks 和 AssignerWithPunctuatedWatermarks 两种。

整体的类图如下：

水位线种类

周期性水位线

我们在使用 AssignerWithPeriodicWatermarks 周期生成水印时，周期默认的时间是 200ms，这个时间的指定位置为：

@PublicEvolving
public void setStreamTimeCharacteristic(TimeCharacteristic characteristic) {
    this.timeCharacteristic = Preconditions.checkNotNull(characteristic);
    if (characteristic == TimeCharacteristic.ProcessingTime) {
        getConfig().setAutoWatermarkInterval(0);
    } else {
        getConfig().setAutoWatermarkInterval(200);
    }
}

是否还记得上面我们在讲时间类型时会通过 env.setStreamTimeCharacteristic() 方法指定 Flink 系统的时间类型，这个 setStreamTimeCharacteristic() 方法中会做判断，如果用户传入的是 TimeCharacteristic.eventTime 类型，那么 AutoWatermarkInterval 的值则为 200ms ，如上述代码所示。当前我们也可以使用 ExecutionConfig.setAutoWatermarkInterval() 方法来指定自动生成的时间间隔。

在上述的类图中可以看出，我们需要通过 TimestampAssigner 的 extractTimestamp() 方法来提取 EventTime。

Flink 在这里提供了 3 种提取 EventTime() 的方法，分别是：

AscendingTimestampExtractor
BoundedOutOfOrdernessTimestampExtractor
IngestionTimeExtractor
这三种方法中 BoundedOutOfOrdernessTimestampExtractor() 用的最多，需特别注意，在这个方法中的 maxOutOfOrderness 参数，该参数指的是允许数据乱序的时间范围。简单说，这种方式允许数据迟到 maxOutOfOrderness 这么长的时间。

    public BoundedOutOfOrdernessTimestampExtractor(Time maxOutOfOrderness) {
        if (maxOutOfOrderness.toMilliseconds() < 0) {
            throw new RuntimeException("Tried to set the maximum allowed " +
                "lateness to " + maxOutOfOrderness + ". This parameter cannot be negative.");
        }
        this.maxOutOfOrderness = maxOutOfOrderness.toMilliseconds();
        this.currentMaxTimestamp = Long.MIN_VALUE + this.maxOutOfOrderness;
    }

    public abstract long extractTimestamp(T element);

    @Override
    public final Watermark getCurrentWatermark() {
        long potentialWM = currentMaxTimestamp - maxOutOfOrderness;
        if (potentialWM >= lastEmittedWatermark) {
            lastEmittedWatermark = potentialWM;
        }
        return new Watermark(lastEmittedWatermark);
    }

    @Override
    public final long extractTimestamp(T element, long previousElementTimestamp) {
        long timestamp = extractTimestamp(element);
        if (timestamp > currentMaxTimestamp) {
            currentMaxTimestamp = timestamp;
        }
        return timestamp;
    }

PunctuatedWatermark 水位线

这种水位线的生成方式 Flink 没有提供内置实现，它适用于根据接收到的消息判断是否需要产生水位线的情况，用这种水印生成的方式并不多见。

举个简单的例子，假如我们发现接收到的数据 MyData 中以字符串 watermark 开头则产生一个水位线：

data.assignTimestampsAndWatermarks(new AssignerWithPunctuatedWatermarks<UserActionRecord>() {

      @Override
      public Watermark checkAndGetNextWatermark(MyData data, long l) {
        return data.getRecord.startsWith("watermark") ? new Watermark(l) : null;
      }

      @Override
      public long extractTimestamp(MyData data, long l) {
        return data.getTimestamp();
      }
    });
    
class MyData{
    private String record;
    private Long timestamp;
    public String getRecord() {
        return record;
    }
    public void setRecord(String record) {
        this.record = record;
    }
    public Timestamp getTimestamp() {
        return timestamp;
    }
    public void setTimestamp(Timestamp timestamp) {
        this.timestamp = timestamp;
    }
}

案例
我们上面讲解了 Flink 关于水位线和时间的生成，以及使用，下面举一个例子来讲解。

模拟一个实时接收 Socket 的 DataStream 程序，代码中使用 AssignerWithPeriodicWatermarks 来设置水位线，将接收到的数据进行转换，分组并且在一个10
秒，间隔是5秒的滑动窗口内获取该窗口中第二个元素最小的那条数据。

package com.wyh.windowsApi

import org.apache.flink.streaming.api.TimeCharacteristic
import org.apache.flink.streaming.api.functions.timestamps.BoundedOutOfOrdernessTimestampExtractor
import org.apache.flink.streaming.api.functions.{AssignerWithPeriodicWatermarks, AssignerWithPunctuatedWatermarks}
import org.apache.flink.streaming.api.scala._
import org.apache.flink.streaming.api.watermark.Watermark
import org.apache.flink.streaming.api.windowing.assigners.SlidingEventTimeWindows
import org.apache.flink.streaming.api.windowing.time.Time


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

    env.setParallelism(1)
    env.setStreamTimeCharacteristic(TimeCharacteristic.EventTime)
    //周期性生成watermark 默认是200毫秒
    env.getConfig.setAutoWatermarkInterval(100L)

    /**
      * 从文件中读取数据
      *
      *
      */
    //val stream = env.readTextFile("F:\flink-study\wyhFlinkSD\data\sensor.txt")

    val stream = env.socketTextStream("localhost", 7777)

    //Transform操作
    val dataStream: DataStream[SensorReading] = stream.map(data => {
      val dataArray = data.split(",")
      SensorReading(dataArray(0).trim, dataArray(1).trim.toLong, dataArray(2).trim.toDouble)
    })
      //===到来的数据是升序的，准时发车，用assignAscendingTimestamps
      //指定哪个字段是时间戳 需要的是毫秒 * 1000
      //      .assignAscendingTimestamps(_.timestamp * 1000)
      //===处理乱序数据
      //      .assignTimestampsAndWatermarks(new MyAssignerPeriodic())
      //==底层也是周期性生成的一个方法 处理乱序数据 延迟1秒种生成水位 同时分配水位和时间戳 括号里传的是等待延迟的时间
      .assignTimestampsAndWatermarks(new BoundedOutOfOrdernessTimestampExtractor[SensorReading](Time.seconds(1)) {
      override def extractTimestamp(t: SensorReading): Long = {
        t.timestamp * 1000
      }
    })

    //统计10秒内的最小温度
    val minTemPerWindowStream = dataStream
      .map(data => (data.id, data.temperature))
      .keyBy(0)
      //      .timeWindow(Time.seconds(10)) //开时间窗口  滚动窗口 没有数据的窗口不会触发
      //左闭右开 包含开始 不包含结束 延迟1秒触发的那个时间的数据不包含
      //可以直接调用底层方法，第三个参数传offset代表时区
      //.window(SlidingEventTimeWindows.of(Time.seconds(15),Time.seconds(5),Time.hours(-8)))
      .timeWindow(Time.seconds(15), Time.seconds(5)) //滑动窗口，每隔5秒输出一次
      .reduce((data1, data2) => (data1._1, data1._2.min(data2._2))) //用reduce做增量聚合


    minTemPerWindowStream.print("min temp")

    dataStream.print("input data")

    env.execute("window Test")

  }

}


//设置水位线（水印） 这里有两种方式实现
//一种是周期性生成 一种是以数据的某种特性进行生成水位线（水印）
/**
  * 周期性生成watermark 默认200毫秒
  */
class MyAssignerPeriodic() extends AssignerWithPeriodicWatermarks[SensorReading] {
  val bound: Long = 60 * 1000
  var maxTs: Long = Long.MaxValue

  override def getCurrentWatermark: Watermark = {
    //定义一个规则进行生成
    new Watermark(maxTs - bound)
  }

  //用什么抽取这个时间戳
  override def extractTimestamp(t: SensorReading, l: Long): Long = {
    //保存当前最大的时间戳
    maxTs = maxTs.max(t.timestamp)
    t.timestamp * 1000
  }
}


/**
  * 乱序生成watermark
  * 每来一条数据就生成一个watermark
  */
class MyAssignerPunctuated() extends AssignerWithPunctuatedWatermarks[SensorReading] {
  override def checkAndGetNextWatermark(t: SensorReading, l: Long): Watermark = {
    new Watermark(l)
  }

  override def extractTimestamp(t: SensorReading, l: Long): Long = {
    t.timestamp * 1000
  }
}