Flink CEP模式匹配编程

客官°小女子只卖身不卖艺 2022-11-06 12:52 230阅读 0赞

# Flink CEP模式匹配编程 #

### 目录 ###

*  Flink CEP模式匹配编程
 *   *  一、什么是FlinkCEP
     *  二、Flink CEP应用场景
     *  三、CEP开发基本步骤
     *   *  3.1 导入CEP相关依赖
         *  3.2 基本使用
     *  四、模式API
     *   *  4.1 单个模式
         *   *  单例模式
             *  循环模式
             *  条件
         *  4.2 组合模式(模式序列)
         *   *  严格连续
             *  松散连续
             *  非确定的松散连续
         *  4.3 模式知识补充
         *   *  循环模式的连续性
             *  循环模式的贪婪性
             *  模式可选性
         *  4.4 模式组
         *  4.5 超时数据
         *  4.6 匹配后跳过策略

## 一、什么是FlinkCEP ##

`FlinkCEP(Complex event processing for Flink)` 是在Flink实现的`复杂事件处理`库. 它可以让你在无界流中检测出特定的数据，有机会掌握数据中重要的那部分。

是一种基于动态环境中事件流的分析技术，事件在这里通常是有意义的状态变化，通过分析事件间的关系，利用`过滤、关联、聚合`等技术，根据事件间的时序关系和聚合关系制定检测规则，持续地从事件流中查询出符合要求的事件序列，最终分析得到更复杂的复合事件。

1.  **目标**：从有序的简单事件流中发现一些高阶特征
2.  **输入**：一个或多个由简单事件构成的事件流
3.  **处理**：识别简单事件之间的内在联系，多个符合一定规则的简单事件构成复杂事件
4.  **输出**：满足规则的复杂事件  
    ![在这里插入图片描述][20210309221327141.png]

## 二、Flink CEP应用场景 ##

*  风险控制  
    对用户异常行为模式进行实时检测，当一个用户发生了不该发生的行为，判定这个用户是不是有违规操作的嫌疑。
 *  策略营销  
    用预先定义好的规则对用户的行为轨迹进行实时跟踪，对行为轨迹匹配预定义规则的用户实时发送相应策略的推广。
 *  运维监控  
    灵活配置多指标、多依赖来实现更复杂的监控模式。

## 三、CEP开发基本步骤 ##

### 3.1 导入CEP相关依赖 ###

<dependency>
        <groupId>org.apache.flink</groupId>
        <artifactId>flink-cep_${scala.binary.version}</artifactId>
        <version>${flink.version}</version>
    </dependency>

### 3.2 基本使用 ###

import com.atguigu.flink.java.chapter_5.WaterSensor;
    import org.apache.flink.api.common.eventtime.WatermarkStrategy;
    import org.apache.flink.api.common.functions.MapFunction;
    import org.apache.flink.cep.CEP;
    import org.apache.flink.cep.PatternSelectFunction;
    import org.apache.flink.cep.PatternStream;
    import org.apache.flink.cep.pattern.Pattern;
    import org.apache.flink.cep.pattern.conditions.SimpleCondition;
    import org.apache.flink.streaming.api.datastream.SingleOutputStreamOperator;
    import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
    
    import java.time.Duration;
    import java.util.List;
    import java.util.Map;
    
    public class Flink01_CEP_BasicUse { 
        public static void main(String[] args) { 
            StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
            env.setParallelism(2);
    
            SingleOutputStreamOperator<WaterSensor> waterSensorStream = env
                .readTextFile("input/sensor.txt")
                .map(new MapFunction<String, WaterSensor>() { 
                    @Override
                    public WaterSensor map(String value) throws Exception { 
                        String[] split = value.split(",");
                        return new WaterSensor(split[0],
                                               Long.parseLong(split[1]) * 1000,
                                               Integer.parseInt(split[2]));
                    }
                })
                .assignTimestampsAndWatermarks(WatermarkStrategy
                                                   .<WaterSensor>forBoundedOutOfOrderness(Duration.ofSeconds(5))
                                                   .withTimestampAssigner((element, recordTimestamp) -> element.getTs()));
            // 1. 定义模式
            Pattern<WaterSensor, WaterSensor> pattern = Pattern
                .<WaterSensor>begin("start")
                .where(new SimpleCondition<WaterSensor>() { 
                    @Override
                    public boolean filter(WaterSensor value) throws Exception { 
                        return "sensor_1".equals(value.getId());
                    }
                });
            // 2. 在流上应用模式
            PatternStream<WaterSensor> waterSensorPS = CEP.pattern(waterSensorStream, pattern);
            // 3. 获取匹配到的结果
            waterSensorPS
                .select(new PatternSelectFunction<WaterSensor, String>() { 
                    @Override
                    public String select(Map<String, List<WaterSensor>> pattern) throws Exception { 
                        return pattern.toString();
                    }
                })
                .print();
    
            try { 
                env.execute();
            } catch (Exception e) { 
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

sensor.txt数据:

sensor_1,1,10
    sensor_1,2,20
    sensor_2,3,30
    sensor_1,4,40
    sensor_2,5,50
    sensor_1,6,60

结果:  
![在这里插入图片描述][20210309221453189.png]

## 四、模式API ##

模式API可以让你定义想从输入流中抽取的`复杂模式序列`。

几个概念:

*  **模式**:  
    比如找拥有相同属性事件序列的模式(前面案例中的拥有相同的id), 我们一般把简单模式称之为模式  
    **注意**:

1.  每个模式必须有一个独一无二的名字，你可以在后面使用它来识别匹配到的事件。(比如前面的start模式)
2.  模式的名字不能包含字符":"

*  **模式序列**  
    每个复杂的模式序列包括多个简单的模式，也叫模式序列. 你可以把模式序列看作是这样的模式构成的图， 这些模式基于用户指定的条件从一个转换到另外一个
 *  匹配  
    输入事件的一个序列，这些事件通过一系列有效的模式转换，能够访问到复杂模式图中的所有模式。

### 4.1 单个模式 ###

单个模式可以是单例模式或者循环模式.

#### 单例模式 ####

单例模式只接受`一个事件`. 默认情况模式都是单例模式.  
前面的例子就是一个单例模式

#### 循环模式 ####

循环模式可以接受`多个事件`.  
单例模式配合上量词就是循环模式.(非常类似正则表达式)

*  固定次数

// 1. 定义模式
    Pattern<WaterSensor, WaterSensor> pattern = Pattern
        .<WaterSensor>begin("start")
        .where(new SimpleCondition<WaterSensor>() { 
            @Override
            public boolean filter(WaterSensor value) throws Exception { 
                return "sensor_1".equals(value.getId());
            }
        });
    
    // 1.1 使用量词 出现两次
    Pattern<WaterSensor, WaterSensor> patternWithQuantifier = pattern.times(2);

*  范围内的次数

// 1.1 使用量词 [2,4] 2次,3次或4次
    Pattern<WaterSensor, WaterSensor> patternWithQuantifier = pattern.times(2, 4);

*  一次或多次

Pattern<WaterSensor, WaterSensor> patternWithQuantifier = pattern.oneOrMore();

*  多次及多次以上

// 2次或2次一样
    Pattern<WaterSensor, WaterSensor> patternWithQuantifier = pattern.timesOrMore(2);

#### 条件 ####

对每个模式你可以指定一个条件来决定一个进来的事件是否被接受进入这个模式，例如前面用到的where就是一种条件

*  迭代条件  
    这是`最普遍的条件类型`。使用它可以指定一个基于前面已经被接受的事件的属性或者它们的一个子集的统计数据来决定是否接受时间序列的条件。

*  简单条件  
    这种类型的条件扩展了前面提到的IterativeCondition类，它决定是否接受一个事件只取决于事件自身的属性。

*  组合条件  
    把多个条件结合起来使用. 这适用于任何条件，你可以通过依次调用where()来组合条件。 最终的结果是每个单一条件的结果的逻辑AND。

如果想使用OR来组合条件，你可以像下面这样使用or()方法。

Pattern<WaterSensor, WaterSensor> pattern = Pattern
        .<WaterSensor>begin("start")
        .where(new IterativeCondition<WaterSensor>() { 
            @Override
            public boolean filter(WaterSensor value, Context<WaterSensor> ctx) throws Exception { 
                return "sensor_1".equals(value.getId());
            }
        })
        .where(new SimpleCondition<WaterSensor>() { 
            @Override
            public boolean filter(WaterSensor value) throws Exception { 
                return value.getVc() > 30;
            }
        })
        .or(new SimpleCondition<WaterSensor>() { 
            @Override
            public boolean filter(WaterSensor value) throws Exception { 
                return value.getTs() > 3000;
            }
        });

*  停止条件  
    如果使用循环模式(oneOrMore, timesOrMore), 可以指定一个停止条件, 否则有可能会内存吃不消.  
    意思是满足了给定的条件的事件出现后，就不会再有事件被接受进入模式了。

Pattern<WaterSensor, WaterSensor> pattern = Pattern
        .<WaterSensor>begin("start")
        .where(new IterativeCondition<WaterSensor>() { 
            @Override
            public boolean filter(WaterSensor value, Context<WaterSensor> ctx) throws Exception { 
                return "sensor_1".equals(value.getId());
            }
        })
        .timesOrMore(2)
        .until(new SimpleCondition<WaterSensor>() { 
            @Override
            public boolean filter(WaterSensor value) throws Exception { 
                return value.getVc() >= 40;
            }
        });

### 4.2 组合模式(模式序列) ###

把多个单个模式组合在一起就是组合模式. 组合模式由一个`初始化模式`(.begin(…))开头

#### 严格连续 ####

期望所有匹配的事件严格的一个接一个出现，中间没有任何不匹配的事件

Pattern<WaterSensor, WaterSensor> pattern = Pattern
        .<WaterSensor>begin("start")
        .where(new SimpleCondition<WaterSensor>() { 
            @Override
            public boolean filter(WaterSensor value) throws Exception { 
                return "sensor_1".equals(value.getId());
            }
        })
        .next("end")
        .where(new SimpleCondition<WaterSensor>() { 
            @Override
            public boolean filter(WaterSensor value) throws Exception { 
                return "sensor_2".equals(value.getId());
            }
        });

**注意:**  
`notNext 如果不想后面直接连着一个特定事件`

#### 松散连续 ####

`忽略`匹配的`事件之间`的不匹配的事件。

Pattern<WaterSensor, WaterSensor> pattern = Pattern
        .<WaterSensor>begin("start")
        .where(new SimpleCondition<WaterSensor>() { 
            @Override
            public boolean filter(WaterSensor value) throws Exception { 
                return "sensor_1".equals(value.getId());
            }
        })
        .followedBy("end")
        .where(new SimpleCondition<WaterSensor>() { 
            @Override
            public boolean filter(WaterSensor value) throws Exception { 
                return "sensor_2".equals(value.getId());
            }
        });

**注意:**  
notFollowBy 如果不想一个特定事件发生在两个事件之间的任何地方。(`notFollowBy不能位于事件的最后`)

#### 非确定的松散连续 ####

更进一步的松散连续，允许忽略掉一些匹配事件的附加匹配  
当且仅当数据为a,c,b,b时，对于followedBy模式而言命中的为\{a,b\}，对于followedByAny而言会有两次命中\{a,b\},\{a,b\}

Pattern<WaterSensor, WaterSensor> pattern = Pattern
        .<WaterSensor>begin("start")
        .where(new SimpleCondition<WaterSensor>() { 
            @Override
            public boolean filter(WaterSensor value) throws Exception { 
                return "sensor_1".equals(value.getId());
            }
        })
        .followedByAny("end")
        .where(new SimpleCondition<WaterSensor>() { 
            @Override
            public boolean filter(WaterSensor value) throws Exception { 
                return "sensor_2".equals(value.getId());
            }
        });

### 4.3 模式知识补充 ###

#### 循环模式的连续性 ####

前面的连续性也可以运用在单个`循环模式中`. 连续性会被运用在被接受进入模式的事件之间。

*  松散连续  
    默认是松散连续

*  严格连续

*  非确定的松散连续

#### 循环模式的贪婪性 ####

在组合模式情况下, 对次数的处理尽快能获取最多个的那个次数, 就是`贪婪`!当一个事件`同时满足两个模式`的时候起作用.

Pattern<WaterSensor, WaterSensor> pattern = Pattern
        .<WaterSensor>begin("start")
        .where(new SimpleCondition<WaterSensor>() { 
            @Override
            public boolean filter(WaterSensor value) throws Exception { 
                return "sensor_1".equals(value.getId());
            }
        }).times(2, 3).greedy()
        .next("end")
        .where(new SimpleCondition<WaterSensor>() { 
            @Override
            public boolean filter(WaterSensor value) throws Exception { 
                return value.getVc() == 30;
            }
        });

数据:

sensor_1,1,10
    sensor_1,2,20
    sensor_1,3,30
    sensor_2,4,30
    sensor_1,4,400
    sensor_2,5,50
    sensor_2,6,60

结果:

{ start=[WaterSensor(id=sensor_1, ts=1000, vc=10), WaterSensor(id=sensor_1, ts=2000, vc=20), WaterSensor(id=sensor_1, ts=3000, vc=30)], end=[WaterSensor(id=sensor_2, ts=4000, vc=30)]}
    
    { start=[WaterSensor(id=sensor_1, ts=2000, vc=20), WaterSensor(id=sensor_1, ts=3000, vc=30)], end=[WaterSensor(id=sensor_2, ts=4000, vc=30)]}

分析:  
`sensor_1,3,30` 在匹配的的时候, 既能匹配第一个模式也可以匹配的第二个模式, 由于第一个模式使用量词则使用greedy的时候会优先匹配第一个模式, 因为要`尽可能多的次数`

**注意:**

1.  一般`贪婪比非贪婪的结果要少`!
2.  模式组不能设置为greedy

#### 模式可选性 ####

可以使用pattern.optional()方法让所有的模式变成可选的，不管是否是循环模式

Pattern<WaterSensor, WaterSensor> pattern = Pattern
        .<WaterSensor>begin("start")
        .where(new SimpleCondition<WaterSensor>() { 
            @Override
            public boolean filter(WaterSensor value) throws Exception { 
                return "sensor_1".equals(value.getId());
            }
        }).times(2).optional()  // 0次或2次
        .next("end")
        .where(new SimpleCondition<WaterSensor>() { 
            @Override
            public boolean filter(WaterSensor value) throws Exception { 
                return "sensor_2".equals(value.getId());
            }
        });

说明:  
start模式可能会没有!

### 4.4 模式组 ###

在前面的代码中`次数只能用在某个模式上`, 比如: .begin(…).where(…).next(…).where(…).times(2) 这里的次数只会用在next这个模式上, 而不会用在begin模式上.

如果需要用在多个模式上,可以使用`模式组`!

Pattern<WaterSensor, WaterSensor> pattern = Pattern
        .begin(Pattern
                   .<WaterSensor>begin("start")
                   .where(new SimpleCondition<WaterSensor>() { 
                       @Override
                       public boolean filter(WaterSensor value) throws Exception { 
                           return "sensor_1".equals(value.getId());
                       }
                   })
                   .next("next")
                   .where(new SimpleCondition<WaterSensor>() { 
                       @Override
                       public boolean filter(WaterSensor value) throws Exception { 
                           return "sensor_2".equals(value.getId());
                       }
                   }))
        .times(2);

结果: sensor\_1,sensor\_2, sensor\_1, sensor\_2

### 4.5 超时数据 ###

当一个模式上通过within加上窗口长度后，部分匹配的事件序列就可能因为超过窗口长度而被丢弃。

### 4.6 匹配后跳过策略 ###

对于一个给定的模式，同一个事件可能会分配到多个成功的匹配上。为了控制一个事件会分配到多少个匹配上，你需要指定跳过策略AfterMatchSkipStrategy。 有五种跳过策略，如下：

*  **NO\_SKIP:** 每个成功的匹配都会被输出。
 *  **SKIP\_TO\_NEXT**: 丢弃以相同事件开始的所有部分匹配。
 *  **SKIP\_PAST\_LAST\_EVENT**: 丢弃起始在这个匹配的开始和结束之间的所有部分匹配。
 *  **SKIP\_TO\_FIRST**: 丢弃起始在这个匹配的开始和第一个出现的名称为PatternName事件之间的所有部分匹配。
 *  **SKIP\_TO\_LAST**: 丢弃起始在这个匹配的开始和最后一个出现的名称为PatternName事件之间的所有部分匹配。  
    ![在这里插入图片描述][20210309222502188.png]

AfterMatchSkipStrategy skipStrategy = ...
    Pattern.begin("patternName", skipStrategy);

[20210309221327141.png]: /images/20221023/561e08d16ebe4f8da86f2833399c52dc.png
[20210309221453189.png]: /images/20221023/6ffa7a31260849bbacc4d64d8c46617d.png
[20210309222502188.png]: /images/20221023/fe7fa21439bb40baa42b0bac3f936540.png