Flink 双流 Join 的3种操作示例

痛定思痛。 2022-12-21 10:56 208阅读 0赞

在数据库中的静态表上做 OLAP 分析时，两表 join 是非常常见的操作。同理，在流式处理作业中，有时也需要在两条流上做 join 以获得更丰富的信息。Flink DataStream API 为用户提供了3个算子来实现双流 join，分别是：

*  join()
 *  coGroup()
 *  intervalJoin()

本文举例说明它们的使用方法，顺便聊聊比较特殊的 interval join 的原理。

**准备数据**

从 Kafka 分别接入点击流和订单流，并转化为 POJO。

DataStream<String> clickSourceStream = env  .addSource(new FlinkKafkaConsumer011<>(    "ods_analytics_access_log",    new SimpleStringSchema(),    kafkaProps  ).setStartFromLatest());DataStream<String> orderSourceStream = env  .addSource(new FlinkKafkaConsumer011<>(    "ods_ms_order_done",    new SimpleStringSchema(),    kafkaProps  ).setStartFromLatest());
    DataStream<AnalyticsAccessLogRecord> clickRecordStream = clickSourceStream  .map(message -> JSON.parseObject(message, AnalyticsAccessLogRecord.class));DataStream<OrderDoneLogRecord> orderRecordStream = orderSourceStream  .map(message -> JSON.parseObject(message, OrderDoneLogRecord.class));

**join()**

join() 算子提供的语义为"Window join"，即按照指定字段和（滚动/滑动/会话）窗口进行 inner join，支持处理时间和事件时间两种时间特征。

以下示例以10秒滚动窗口，将两个流通过商品 ID 关联，取得订单流中的售价相关字段。

![1df9544b465c360e8025023b0dcc3160.png][]

clickRecordStream  .join(orderRecordStream)  .where(record -> record.getMerchandiseId())  .equalTo(record -> record.getMerchandiseId())  .window(TumblingProcessingTimeWindows.of(Time.seconds(10)))  .apply(new JoinFunction<AnalyticsAccessLogRecord, OrderDoneLogRecord, String>() {
           @Override    public String join(AnalyticsAccessLogRecord accessRecord, OrderDoneLogRecord orderRecord) throws Exception {
             return StringUtils.join(Arrays.asList(        accessRecord.getMerchandiseId(),        orderRecord.getPrice(),        orderRecord.getCouponMoney(),        orderRecord.getRebateAmount()      ), '\t');    }  })  .print().setParallelism(1);

简单易用。

**coGroup()**

只有 inner join 肯定还不够，如何实现 left/right outer join 呢？答案就是利用 coGroup() 算子。它的调用方式类似于 join() 算子，也需要开窗，但是 CoGroupFunction 比 JoinFunction 更加灵活，可以按照用户指定的逻辑匹配左流和/或右流的数据并输出。

以下的例子就实现了点击流 left join 订单流的功能，是很朴素的 nested loop join 思想（二重循环）。

clickRecordStream  .coGroup(orderRecordStream)  .where(record -> record.getMerchandiseId())  .equalTo(record -> record.getMerchandiseId())  .window(TumblingProcessingTimeWindows.of(Time.seconds(10)))  .apply(new CoGroupFunction<AnalyticsAccessLogRecord, OrderDoneLogRecord, Tuple2<String, Long>>() {
           @Override    public void coGroup(Iterable<AnalyticsAccessLogRecord> accessRecords, Iterable<OrderDoneLogRecord> orderRecords, Collector<Tuple2<String, Long>> collector) throws Exception {
             for (AnalyticsAccessLogRecord accessRecord : accessRecords) {
               boolean isMatched = false;        for (OrderDoneLogRecord orderRecord : orderRecords) {
                 // 右流中有对应的记录          collector.collect(new Tuple2<>(accessRecord.getMerchandiseName(), orderRecord.getPrice()));          isMatched = true;        }        if (!isMatched) {
                 // 右流中没有对应的记录          collector.collect(new Tuple2<>(accessRecord.getMerchandiseName(), null));        }      }    }  })  .print().setParallelism(1);

**intervalJoin()**

join() 和 coGroup() 都是基于窗口做关联的。但是在某些情况下，两条流的数据步调未必一致。例如，订单流的数据有可能在点击流的购买动作发生之后很久才被写入，如果用窗口来圈定，很容易 join 不上。所以 Flink 又提供了"Interval join"的语义，按照指定字段以及右流相对左流偏移的时间区间进行关联，即：

> right.timestamp ∈ \[left.timestamp + lowerBound; left.timestamp + upperBound\]

![23962a30d214369baf1dfcef15dc76c3.png][]

interval join 也是 inner join，虽然不需要开窗，但是需要用户指定偏移区间的上下界，并且只支持事件时间。

示例代码如下。注意在运行之前，需要分别在两个流上应用 assignTimestampsAndWatermarks() 方法获取事件时间戳和水印。

clickRecordStream  .keyBy(record -> record.getMerchandiseId())  .intervalJoin(orderRecordStream.keyBy(record -> record.getMerchandiseId()))  .between(Time.seconds(-30), Time.seconds(30))  .process(new ProcessJoinFunction<AnalyticsAccessLogRecord, OrderDoneLogRecord, String>() {
           @Override    public void processElement(AnalyticsAccessLogRecord accessRecord, OrderDoneLogRecord orderRecord, Context context, Collector<String> collector) throws Exception {
             collector.collect(StringUtils.join(Arrays.asList(        accessRecord.getMerchandiseId(),        orderRecord.getPrice(),        orderRecord.getCouponMoney(),        orderRecord.getRebateAmount()      ), '\t'));    }  })  .print().setParallelism(1);

由上可见，interval join 与 window join 不同，是两个 KeyedStream 之上的操作，并且需要调用 between() 方法指定偏移区间的上下界。如果想令上下界是开区间，可以调用 upperBoundExclusive()/lowerBoundExclusive() 方法。

**interval join 的实现原理**

以下是 KeyedStream.process(ProcessJoinFunction) 方法调用的重载方法的逻辑。

*   
 *

public <OUT> SingleOutputStreamOperator<OUT> process(        ProcessJoinFunction<IN1, IN2, OUT> processJoinFunction,        TypeInformation<OUT> outputType) {
           Preconditions.checkNotNull(processJoinFunction);    Preconditions.checkNotNull(outputType);    final ProcessJoinFunction<IN1, IN2, OUT> cleanedUdf = left.getExecutionEnvironment().clean(processJoinFunction);    final IntervalJoinOperator<KEY, IN1, IN2, OUT> operator =        new IntervalJoinOperator<>(            lowerBound,            upperBound,            lowerBoundInclusive,            upperBoundInclusive,            left.getType().createSerializer(left.getExecutionConfig()),            right.getType().createSerializer(right.getExecutionConfig()),            cleanedUdf        );    return left        .connect(right)        .keyBy(keySelector1, keySelector2)        .transform("Interval Join", outputType, operator);}

可见是先对两条流执行 connect() 和 keyBy() 操作，然后利用 IntervalJoinOperator 算子进行转换。在 IntervalJoinOperator 中，会利用两个 MapState 分别缓存左流和右流的数据。

private transient MapState<Long, List<BufferEntry<T1>>> leftBuffer;private transient MapState<Long, List<BufferEntry<T2>>> rightBuffer;
    @Overridepublic void initializeState(StateInitializationContext context) throws Exception {
           super.initializeState(context);    this.leftBuffer = context.getKeyedStateStore().getMapState(new MapStateDescriptor<>(        LEFT_BUFFER,        LongSerializer.INSTANCE,        new ListSerializer<>(new BufferEntrySerializer<>(leftTypeSerializer))    ));    this.rightBuffer = context.getKeyedStateStore().getMapState(new MapStateDescriptor<>(        RIGHT_BUFFER,        LongSerializer.INSTANCE,        new ListSerializer<>(new BufferEntrySerializer<>(rightTypeSerializer))    ));}

其中 Long 表示事件时间戳，List<BufferEntry<T>> 表示该时刻到来的数据记录。

当左流和右流有数据到达时，会分别调用 processElement1() 和 processElement2() 方法，它们都调用了 processElement() 方法，代码如下。

@Overridepublic void processElement1(StreamRecord<T1> record) throws Exception {
           processElement(record, leftBuffer, rightBuffer, lowerBound, upperBound, true);}
    @Overridepublic void processElement2(StreamRecord<T2> record) throws Exception {
           processElement(record, rightBuffer, leftBuffer, -upperBound, -lowerBound, false);}
    @SuppressWarnings("unchecked")private <THIS, OTHER> void processElement(        final StreamRecord<THIS> record,        final MapState<Long, List<IntervalJoinOperator.BufferEntry<THIS>>> ourBuffer,        final MapState<Long, List<IntervalJoinOperator.BufferEntry<OTHER>>> otherBuffer,        final long relativeLowerBound,        final long relativeUpperBound,        final boolean isLeft) throws Exception {
           final THIS ourValue = record.getValue();    final long ourTimestamp = record.getTimestamp();    if (ourTimestamp == Long.MIN_VALUE) {
               throw new FlinkException("Long.MIN_VALUE timestamp: Elements used in " +                "interval stream joins need to have timestamps meaningful timestamps.");    }    if (isLate(ourTimestamp)) {
               return;    }    addToBuffer(ourBuffer, ourValue, ourTimestamp);    for (Map.Entry<Long, List<BufferEntry<OTHER>>> bucket: otherBuffer.entries()) {
               final long timestamp  = bucket.getKey();        if (timestamp < ourTimestamp + relativeLowerBound ||                timestamp > ourTimestamp + relativeUpperBound) {
                   continue;        }        for (BufferEntry<OTHER> entry: bucket.getValue()) {
                   if (isLeft) {
                       collect((T1) ourValue, (T2) entry.element, ourTimestamp, timestamp);            } else {
                       collect((T1) entry.element, (T2) ourValue, timestamp, ourTimestamp);            }        }    }    long cleanupTime = (relativeUpperBound > 0L) ? ourTimestamp + relativeUpperBound : ourTimestamp;    if (isLeft) {
               internalTimerService.registerEventTimeTimer(CLEANUP_NAMESPACE_LEFT, cleanupTime);    } else {
               internalTimerService.registerEventTimeTimer(CLEANUP_NAMESPACE_RIGHT, cleanupTime);    }}

这段代码的思路是：

1.  取得当前流 StreamRecord 的时间戳，调用 isLate() 方法判断它是否是迟到数据（即时间戳小于当前水印值），如是则丢弃。
2.  调用 addToBuffer() 方法，将时间戳和数据一起插入当前流对应的 MapState。
3.  遍历另外一个流的 MapState，如果数据满足前述的时间区间条件，则调用 collect() 方法将该条数据投递给用户定义的 ProcessJoinFunction 进行处理。collect() 方法的代码如下，注意结果对应的时间戳是左右流时间戳里较大的那个。

private void collect(T1 left, T2 right, long leftTimestamp, long rightTimestamp) throws Exception {
           final long resultTimestamp = Math.max(leftTimestamp, rightTimestamp);    collector.setAbsoluteTimestamp(resultTimestamp);    context.updateTimestamps(leftTimestamp, rightTimestamp, resultTimestamp);    userFunction.processElement(left, right, context, collector);}

1.  调用 TimerService.registerEventTimeTimer() 注册时间戳为 timestamp + relativeUpperBound 的定时器，该定时器负责在水印超过区间的上界时执行状态的清理逻辑，防止数据堆积。注意左右流的定时器所属的 namespace 是不同的，具体逻辑则位于 onEventTime() 方法中。

@Overridepublic void onEventTime(InternalTimer<K, String> timer) throws Exception {
           long timerTimestamp = timer.getTimestamp();    String namespace = timer.getNamespace();    logger.trace("onEventTime @ {}", timerTimestamp);    switch (namespace) {
               case CLEANUP_NAMESPACE_LEFT: {
                   long timestamp = (upperBound <= 0L) ? timerTimestamp : timerTimestamp - upperBound;            logger.trace("Removing from left buffer @ {}", timestamp);            leftBuffer.remove(timestamp);            break;        }        case CLEANUP_NAMESPACE_RIGHT: {
                   long timestamp = (lowerBound <= 0L) ? timerTimestamp + lowerBound : timerTimestamp;            logger.trace("Removing from right buffer @ {}", timestamp);            rightBuffer.remove(timestamp);            break;        }        default:            throw new RuntimeException("Invalid namespace " + namespace);    }}

本文转载自简书，作者：LittleMagic  
原文链接：https://www.jianshu.com/p/45ec888332df

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