FlinkSQL快速入门

蔚落 2022-10-29 00:46 13阅读 0赞

实时数仓来势凶猛，FlinkSQL已成必杀技。五千字长文带大家快速入门FlinkSQL，占据技术栈优势，升职加薪加特！

[![图片][bf9eb562bc3227917604991a95042376.png]][bf9eb562bc3227917604991a95042376.png 1]

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## 二、FlinkSQL出现的背景 ##

**Flink SQL 是 Flink 实时计算为简化计算模型，降低用户使用实时计算门槛而设计的一套符合标准 SQL 语义的开发语言。**

自 2015 年开始，阿里巴巴开始调研开源流计算引擎，最终决定基于 Flink 打造新一代计算引擎，针对 Flink 存在的不足进行优化和改进，并且在 2019 年初将最终代码开源，也就是我们熟知的 Blink。Blink 在原来的 Flink 基础上最显著的一个贡献就是 Flink SQL 的实现。

Flink SQL 是面向用户的 API 层，在我们传统的流式计算领域，比如 **Storm、Spark Streaming 都会提供一些 Function 或者 Datastream API，用户通过 Java 或 Scala 写业务逻辑，这种方式虽然灵活，但有一些不足，比如具备一定门槛且调优较难**，随着版本的不断更新，API 也出现了很多**不兼容**的地方。

![图片][136621008402885168b287bc235e430e.png]        在这个背景下，毫无疑问，SQL 就成了我们最佳选择，之所以选择将 SQL 作为核心 API，是因为其具有几个非常重要的特点：

*  **SQL 属于设定式语言，用户只要表达清楚需求即可，不需要了解具体做法**；
 *  **SQL 可优化，内置多种查询优化器，这些查询优化器可为 SQL 翻译出最优执行计划**；
 *  **SQL 易于理解，不同行业和领域的人都懂，学习成本较低**；
 *  **SQL 非常稳定，在数据库 30 多年的历史中，SQL 本身变化较少**；
 *  **流与批的统一，Flink 底层 Runtime 本身就是一个流与批统一的引擎，而 SQL 可以做到 API 层的流与批统一**。

## 三、整体介绍 ##

### 3.1 什么是 Table API 和 Flink SQL? ###

Flink本身是批流统一的处理框架，所以**Table API和SQL，就是批流统一的上层处理API**。目前功能尚未完善，处于活跃的开发阶段。

**Table API是一套内嵌在Java和Scala语言中的查询API**，它允许我们以非常直观的方式，组合来自一些关系运算符的查询（比如select、filter和join）。而对于**Flink SQL，就是直接可以在代码中写SQL，来实现一些查询（Query）操作**。Flink的SQL支持，基于实现了SQL标准的Apache Calcite（Apache开源SQL解析工具）。

无论输入是批输入还是流式输入，在这两套API中，指定的查询都具有相同的语义，得到相同的结果。

### 3.2 需要引入的依赖 ###

Table API 和 SQL 需要引入的依赖有两个：`planner`  和 `bridge`

<dependency>
        <groupId>org.apache.flink</groupId>
        <artifactId>flink-table-planner_2.11</artifactId>
        <version>1.10.0</version>
    </dependency>
    <dependency>
        <groupId>org.apache.flink</groupId>
        <artifactId>flink-table-api-scala-bridge_2.11</artifactId>
        <version>1.10.0</version>
    </dependency>

其中：

**flink-table-planner**：**planner计划器，是table API最主要的部分，提供了运行时环境和生成程序执行计划的planner**；

**flink-table-api-scala-bridge**：**bridge桥接器，主要负责table API和 DataStream/DataSet API的连接支持，按照语言分java和scala**；

这里的两个依赖，是IDE环境下运行需要添加的；如果是生产环境，lib目录下默认已经有了planner，就只需要有bridge就可以了。

当然，如果想使用用户自定义函数，或是跟 kafka 做连接，需要有一个SQL client，这个包含在 `flink-table-common` 里。

### 3.3 两种planner（old & blink）的区别 ###

1、**批流统一：Blink将批处理作业，视为流式处理的特殊情况**。所以，blink不支持表和DataSet之间的转换，批处理作业将不转换为DataSet应用程序，而是跟流处理一样，转换为DataStream程序来处理。

2、**因为批流统一，Blink planner也不支持BatchTableSource，而使用有界的StreamTableSource代替**。

3、Blink planner只支持全新的目录，不支持已弃用的ExternalCatalog。

4、旧 planner 和 Blink planner 的FilterableTableSource实现不兼容。旧的planner会把PlannerExpressions下推到filterableTableSource中，而blink planner则会把Expressions下推。

5、基于字符串的键值配置选项仅适用于Blink planner。

6、PlannerConfig在两个planner中的实现不同。

7、Blink planner会将多个sink优化在一个DAG中（仅在TableEnvironment上受支持，而在StreamTableEnvironment上不受支持）。而旧 planner 的优化总是将每一个sink放在一个新的DAG中，其中所有DAG彼此独立。

8、旧的planner不支持目录统计，而Blink planner支持。

## 四、API 调用 ##

### 4.1 基本程序结构 ###

**Table API 和 SQL 的程序结构，与流式处理的程序结构类似**；也可以近似地认为有这么几步：首先创建执行环境，然后定义source、transform和sink。

具体操作流程如下：

val tableEnv = ...     // 创建表的执行环境
    
    // 创建一张表，用于读取数据
    tableEnv.connect(...).createTemporaryTable("inputTable")
    // 注册一张表，用于把计算结果输出
    tableEnv.connect(...).createTemporaryTable("outputTable")
    
    // 通过 Table API 查询算子，得到一张结果表
    val result = tableEnv.from("inputTable").select(...)
    // 通过 SQL查询语句，得到一张结果表
    val sqlResult  = tableEnv.sqlQuery("SELECT ... FROM inputTable ...")
    
    // 将结果表写入输出表中
    result.insertInto("outputTable")

### 4.2 创建表环境 ###

创建表环境最简单的方式，就是基于流处理执行环境，调create方法直接创建：

val tableEnv = StreamTableEnvironment.create(env)

表环境（**TableEnvironment**）是flink中集成 Table API & SQL 的**核心概念**。它负责:

*  注册catalog
 *  在内部 catalog 中注册表
 *  执行 SQL 查询
 *  注册用户自定义函数
 *  将 DataStream 或 DataSet 转换为表
 *  保存对 ExecutionEnvironment 或 StreamExecutionEnvironment  的引用

在创建TableEnv的时候，可以多传入一个EnvironmentSettings 或者 TableConfig 参数，可以用来配置 TableEnvironment 的一些特性。

比如，配置老版本的流式查询（Flink-Streaming-Query）：

val settings = EnvironmentSettings.newInstance()
      .useOldPlanner()      // 使用老版本planner
      .inStreamingMode()    // 流处理模式
      .build()
    val tableEnv = StreamTableEnvironment.create(env, settings)

基于老版本的批处理环境（Flink-Batch-Query）：

val batchEnv = ExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment
    val batchTableEnv = BatchTableEnvironment.create(batchEnv)

基于 blink 版本的流处理环境（Blink-Streaming-Query）：

val bsSettings = EnvironmentSettings.newInstance()
    .useBlinkPlanner()
    .inStreamingMode().build()
    val bsTableEnv = StreamTableEnvironment.create(env, bsSettings)

基于blink版本的批处理环境（Blink-Batch-Query）：

val bbSettings = EnvironmentSettings.newInstance()
    .useBlinkPlanner()
    .inBatchMode().build()
    val bbTableEnv = TableEnvironment.create(bbSettings)

### 4.3 在Catalog中注册表 ###

4.3.1 表(Table)的概念

TableEnvironment 可以注册目录 Catalog ，并可以基于Catalog注册表。它会维护一个 Catalog-Table 表之间的map。

表（Table）是由一个“标识符”来指定的，由3部分组成：**Catalog名、数据库（database）名和对象名（表名**）。如果没有指定目录或数据库，就使用当前的默认值。

表可以是常规的（Table，表），或者虚拟的（View，视图）。**常规表（Table）一般可以用来描述外部数据，比如文件、数据库表或消息队列的数据，也可以直接从 DataStream转换而来。视图可以从现有的表中创建，通常是 table API 或者SQL查询的一个结果**。

4.3.2 连接到文件系统（Csv格式）

连接外部系统在Catalog中注册表，直接调用 **tableEnv.connect()** 就可以，里面参数要传入一个 ConnectorDescriptor ，也就是connector描述器。对于文件系统的 connector 而言，flink内部已经提供了，就叫做**FileSystem()**。

代码如下：

tableEnv
    .connect( new FileSystem().path("sensor.txt"))  // 定义表数据来源，外部连接
      .withFormat(new OldCsv())    // 定义从外部系统读取数据之后的格式化方法
      .withSchema( new Schema()
        .field("id", DataTypes.STRING())
        .field("timestamp", DataTypes.BIGINT())
        .field("temperature", DataTypes.DOUBLE())
      )    // 定义表结构
      .createTemporaryTable("inputTable")    // 创建临时表

这是旧版本的csv格式描述器。由于它是非标的，跟外部系统对接并不通用，所以将被弃用，以后会被一个符合RFC-4180标准的新format描述器取代。**新的描述器就叫Csv()，但flink没有直接提供，需要引入依赖flink-csv**：

<dependency>
        <groupId>org.apache.flink</groupId>
        <artifactId>flink-csv</artifactId>
        <version>1.10.0</version>
    </dependency>

代码非常类似，只需要把 withFormat 里的 OldCsv 改成Csv就可以了。

4.3.3 连接到Kafka

kafka的连接器 flink-kafka-connector 中，1.10 版本的已经提供了 Table API 的支持。我们可以在 connect方法中直接传入一个叫做Kafka的类，这就是kafka连接器的描述器ConnectorDescriptor。

tableEnv.connect(
      new Kafka()
        .version("0.11") // 定义kafka的版本
        .topic("sensor") // 定义主题
        .property("zookeeper.connect", "localhost:2181") 
        .property("bootstrap.servers", "localhost:9092")
    )
      .withFormat(new Csv())
      .withSchema(new Schema()
      .field("id", DataTypes.STRING())
      .field("timestamp", DataTypes.BIGINT())
      .field("temperature", DataTypes.DOUBLE())
    )
      .createTemporaryTable("kafkaInputTable")

当然也可以连接到 ElasticSearch、MySql、HBase、Hive等外部系统，实现方式基本上是类似的。感兴趣的 小伙伴可以自行去研究，这里就不详细赘述了。

### 4.4 表的查询 ###

通过上面的学习，我们已经利用外部系统的连接器connector，我们可以读写数据，并在环境的Catalog中注册表。接下来就可以对表做**查询转换**了。

Flink给我们提供了两种查询方式：Table API和 SQL。

4.4.1 Table API的调用

Table API是集成在Scala和Java语言内的查询API。与SQL不同，Table API的查询不会用字符串表示，而是在宿主语言中一步一步调用完成的。

**Table API基于代表一张“表”的Table类，并提供一整套操作处理的方法API**。这些方法会返回一个新的Table对象，这个对象就表示对输入表应用转换操作的结果。有些关系型转换操作，可以由多个方法调用组成，构成链式调用结构。例如`table.select(…).filter(…)`，其中 select（…）表示选择表中指定的字段，filter(…)表示筛选条件。

代码中的实现如下：

val sensorTable: Table = tableEnv.from("inputTable")
    
    val resultTable: Table = senorTable
    .select("id, temperature")
    .filter("id ='sensor_1'")

4.4.2 SQL查询

**Flink的SQL集成，基于的是ApacheCalcite，它实现了SQL标准**。在Flink中，用常规字符串来定义SQL查询语句。SQL 查询的结果，是一个新的 Table。

代码实现如下：

val resultSqlTable: Table = tableEnv.sqlQuery("select id, temperature from inputTable where id ='sensor_1'")

或者：

val resultSqlTable: Table = tableEnv.sqlQuery(
      """
        |select id, temperature
        |from inputTable
        |where id = 'sensor_1'
      """.stripMargin)

当然，也可以加上聚合操作，比如我们统计每个sensor温度数据出现的个数，做个count统计：

val aggResultTable = sensorTable
    .groupBy('id)
    .select('id, 'id.count as 'count)

SQL的实现：

val aggResultSqlTable = tableEnv.sqlQuery("select id, count(id) as cnt from inputTable group by id")

这里Table API里指定的字段，前面加了一个单引号’，这是Table API中定义的Expression类型的写法，可以很方便地表示一个表中的字段。

字段可以直接全部用双引号引起来，也可以用**半边单引号+字段名**的方式。以后的代码中，一般都用后一种形式。

### 4.5 将DataStream 转换成表 ###

Flink允许我们把Table和DataStream做转换：我们可以基于一个DataStream，先流式地读取数据源，然后map成样例类，再把它转成Table。Table的列字段（column fields），就是样例类里的字段，这样就不用再麻烦地定义schema了。

4.5.1 代码表达

代码中实现非常简单，直接用 tableEnv.fromDataStream() 就可以了。默认转换后的 Table schema 和 DataStream 中的字段定义一一对应，也可以单独指定出来。

这就允许我们更换字段的顺序、重命名，或者只选取某些字段出来，相当于做了一次map操作（或者Table API的 select操作）。

代码具体如下：

val inputStream: DataStream[String] = env.readTextFile("sensor.txt")
    val dataStream: DataStream[SensorReading] = inputStream
      .map(data => {
        val dataArray = data.split(",")
        SensorReading(dataArray(0), dataArray(1).toLong, dataArray(2).toDouble)
      })
    
    val sensorTable: Table = tableEnv.fromDataStreama(datStream)
    
    val sensorTable2 = tableEnv.fromDataStream(dataStream, 'id, 'timestamp as 'ts)

4.5.2 数据类型与 Table schema的对应

在上节的例子中，DataStream 中的数据类型，与表的 Schema 之间的对应关系，是按照样例类中的字段名来对应的（name-based mapping），所以还可以用as做重命名。

另外一种对应方式是，直接按照字段的位置来对应（position-based mapping），对应的过程中，就可以直接指定新的字段名了。

基于名称的对应：

val sensorTable = tableEnv.fromDataStream(dataStream, 'timestamp as 'ts, 'id as 'myId, 'temperature)

基于位置的对应：

val sensorTable = tableEnv.fromDataStream(dataStream, 'myId, 'ts)

Flink的 DataStream 和 DataSet API 支持多种类型。

组合类型，比如元组（内置Scala和Java元组）、POJO、Scala case类和Flink的Row类型等，允许具有多个字段的嵌套数据结构，这些字段可以在Table的表达式中访问。其他类型，则被视为原子类型。

元组类型和原子类型，一般用位置对应会好一些；如果非要用名称对应，也是可以的：元组类型，默认的名称是 “\_1”, “\_2”；而原子类型，默认名称是 ”f0”。

### 4.6 创建临时视图（Temporary View） ###

创建临时视图的第一种方式，就是直接从DataStream转换而来。同样，可以直接对应字段转换；也可以在转换的时候，指定相应的字段。

代码如下：

tableEnv.createTemporaryView("sensorView", dataStream)
    tableEnv.createTemporaryView("sensorView", dataStream, 'id, 'temperature, 'timestamp as 'ts)

另外，当然还可以基于Table创建视图：

tableEnv.createTemporaryView("sensorView", sensorTable)

View和Table的Schema完全相同。事实上，在Table API中，可以认为View 和 Table 是等价的。

### 4.7 输出表 ###

表的输出，是通过将数据写入 TableSink 来实现的。**TableSink 是一个通用接口，可以支持不同的文件格式、存储数据库和消息队列**。

具体实现，输出表最直接的方法，就是**通过 Table.insertInto() 方法将一个 Table 写入注册过的 TableSink 中**。

4.7.1 输出到文件

代码如下：

// 注册输出表
    tableEnv.connect(
      new FileSystem().path("…\\resources\\out.txt")
    ) // 定义到文件系统的连接
      .withFormat(new Csv()) // 定义格式化方法，Csv格式
      .withSchema(new Schema()
      .field("id", DataTypes.STRING())
      .field("temp", DataTypes.DOUBLE())
    ) // 定义表结构
      .createTemporaryTable("outputTable") // 创建临时表
    
    resultSqlTable.insertInto("outputTable")

4.7.2 更新模式（Update Mode）

在流处理过程中，表的处理并不像传统定义的那样简单。

对于流式查询（Streaming Queries），**需要声明如何在（动态）表和外部连接器之间执行转换**。与外部系统交换的消息类型，由**更新模式（update mode）**指定。

Flink Table API中的更新模式有以下三种：

*  **追加模式（Append Mode）**

在追加模式下，表（动态表）和外部连接器只交换插入（Insert）消息。

*  **撤回模式（Retract Mode）**

在撤回模式下，表和外部连接器交换的是：添加（Add）和撤回（Retract）消息。

其中：

>  *  **插入（Insert）会被编码为添加消息；**
>  *  **删除（Delete）则编码为撤回消息；**
>  *  **更新（Update）则会编码为，已更新行（上一行）的撤回消息，和更新行（新行）的添加消息。**

在此模式下，不能定义key，这一点跟upsert模式完全不同。

*  **Upsert（更新插入）模式**

在Upsert模式下，动态表和外部连接器交换Upsert和Delete消息。

这个模式需要一个唯一的key，通过这个key可以传递更新消息。为了正确应用消息，外部连接器需要知道这个唯一key的属性。

>  *  **插入（Insert）和更新（Update）都被编码为Upsert消息；**
>  *  **删除（Delete）编码为Delete信息**

这种模式和 Retract 模式的主要区别在于，Update操作是用单个消息编码的，所以效率会更高。

4.7.3 输出到Kafka

除了输出到文件，也可以输出到Kafka。我们可以结合前面Kafka作为输入数据，构建数据管道，kafka进，kafka出。

代码如下：

// 输出到 kafka
    tableEnv.connect(
      new Kafka()
        .version("0.11")
        .topic("sinkTest")
        .property("zookeeper.connect", "localhost:2181")
        .property("bootstrap.servers", "localhost:9092")
    )
      .withFormat( new Csv() )
      .withSchema( new Schema()
        .field("id", DataTypes.STRING())
        .field("temp", DataTypes.DOUBLE())
      )
      .createTemporaryTable("kafkaOutputTable")
    
    resultTable.insertInto("kafkaOutputTable")

4.7.4 输出到ElasticSearch

ElasticSearch的connector可以在upsert（update+insert，更新插入）模式下操作，这样就可以使用Query定义的键（key）与外部系统交换UPSERT/DELETE消息。

另外，对于“仅追加”（append-only）的查询，connector还可以在 append 模式下操作，这样就可以与外部系统只交换 insert 消息。

es目前支持的数据格式，只有Json，而 flink 本身并没有对应的支持，所以还需要引入依赖：

<dependency>
        <groupId>org.apache.flink</groupId>
        <artifactId>flink-json</artifactId>
        <version>1.10.0</version>
    </dependency>

代码实现如下：

// 输出到es
    tableEnv.connect(
      new Elasticsearch()
        .version("6")
        .host("localhost", 9200, "http")
        .index("sensor")
        .documentType("temp")
    )
      .inUpsertMode()           // 指定是 Upsert 模式
      .withFormat(new Json())
      .withSchema( new Schema()
        .field("id", DataTypes.STRING())
        .field("count", DataTypes.BIGINT())
      )
      .createTemporaryTable("esOutputTable")
    
    aggResultTable.insertInto("esOutputTable")

4.7.5 输出到MySql

Flink专门为Table API的jdbc连接提供了flink-jdbc连接器，我们需要先引入依赖：

<dependency>
        <groupId>org.apache.flink</groupId>
        <artifactId>flink-jdbc_2.11</artifactId>
        <version>1.10.0</version>
    </dependency>

jdbc连接的代码实现比较特殊，因为没有对应的java/scala类实现 `ConnectorDescriptor`，所以不能直接 `tableEnv.connect()`。不过Flink SQL留下了执行DDL的接口：`tableEnv.sqlUpdate()`

对于jdbc的创建表操作，天生就适合直接写DDL来实现，所以我们的代码可以这样写：

4.7.6 将表转换成DataStream

**表可以转换为DataStream或DataSet**。这样，自定义流处理或批处理程序就可以继续在 Table API或SQL查询的结果上运行了。

**将表转换为DataStream或DataSet时，需要指定生成的数据类型**，即要将表的每一行转换成的数据类型。通常，**最方便的转换类型就是Row**。当然，因为结果的所有字段类型都是明确的，我们也经常会用元组类型来表示。

表作为流式查询的结果，是**动态更新**的。所以，将这种动态查询转换成的数据流，同样需要对表的更新操作进行编码，进而有不同的转换模式。

Table API 中表到 DataStream 有两种模式：

*  **追加模式（Append Mode）**

用于表只会被插入（Insert）操作更改的场景

*  **撤回模式（Retract Mode）**

用于任何场景。有些类似于更新模式中Retract模式，它只有 Insert 和 Delete 两类操作。

得到的数据会增加一个Boolean类型的标识位（返回的第一个字段），用它来表示到底是新增的数据（Insert），还是被删除的数据（老数据， Delete）。

代码实现如下：

val resultStream: DataStream[Row] = tableEnv.toAppendStream[Row](resultTable)
    
    val aggResultStream: DataStream[(Boolean, (String, Long))] = 
    tableEnv.toRetractStream[(String, Long)](aggResultTable)
    
    resultStream.print("result")
    aggResultStream.print("aggResult")

所以，没有经过groupby之类聚合操作，可以直接用 toAppendStream 来转换；而如果经过了聚合，有更新操作，一般就必须用 toRetractDstream。

4.7.7 Query的解释和执行

Table API提供了一种机制来解释（Explain）**计算表的逻辑和优化查询计划**。这是通过TableEnvironment.explain（table）方法或TableEnvironment.explain（）方法完成的。

explain方法会返回一个字符串，描述三个计划：

*  未优化的逻辑查询计划
 *  优化后的逻辑查询计划
 *  实际执行计划

我们可以在代码中查看执行计划：

val explaination: String = tableEnv.explain(resultTable)
    println(explaination)

Query的解释和执行过程，老planner和 blink planner 大体是一致的，又有所不同。整体来讲，Query都会表示成一个逻辑查询计划，然后分两步解释：

1.  优化查询计划
2.  解释成 DataStream 或者 DataSet程序

而 Blink 版本是批流统一的，所以所有的Query，只会被解释成DataStream程序；另外在批处理环境 TableEnvironment 下，Blink版本要到 **tableEnv.execute()** 执行调用才开始解释。

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