30、Flink实战：Flink中的状态管理（上）-程序员江小北

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1、 Flink中的有状态计算；

2、无状态计算；

3、有状态计算；

4、有状态计算的场景；

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1. Flink中的有状态计算

注意:

Flink中已经对需要进行有状态计算的API,做了封装,底层已经维护好了状态!

例如,之前下面代码,直接使用即可,不需要像SparkStreaming那样还得自己updateStateByKey

也就是说我们今天学习的State只需要掌握原理,实际开发中一般都是使用Flink底层维护好的状态或第三方维护好的状态(如Flink整合Kafka的offset维护底层就是使用的State,但是人家已经写好了的)

package cn.itcast.source;

import org.apache.flink.api.common.RuntimeExecutionMode;
import org.apache.flink.api.common.functions.FlatMapFunction;
import org.apache.flink.api.common.functions.MapFunction;
import org.apache.flink.api.java.tuple.Tuple2;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.DataStream;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.KeyedStream;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
import org.apache.flink.util.Collector;

/**
 * Author itcast
 * Desc
 * SocketSource
 */
public class SourceDemo03 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //1.env
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        env.setRuntimeMode(RuntimeExecutionMode.AUTOMATIC);
        //2.source
        DataStream<String> linesDS = env.socketTextStream("node1", 9999);

        //3.处理数据-transformation
        //3.1每一行数据按照空格切分成一个个的单词组成一个集合
        DataStream<String> wordsDS = linesDS.flatMap(new FlatMapFunction<String, String>() {
            @Override
            public void flatMap(String value, Collector<String> out) throws Exception {
                //value就是一行行的数据
                String[] words = value.split(" ");
                for (String word : words) {
                    out.collect(word);//将切割处理的一个个的单词收集起来并返回
                }
            }
        });
        //3.2对集合中的每个单词记为1
        DataStream<Tuple2<String, Integer>> wordAndOnesDS = wordsDS.map(new MapFunction<String, Tuple2<String, Integer>>() {
            @Override
            public Tuple2<String, Integer> map(String value) throws Exception {
                //value就是进来一个个的单词
                return Tuple2.of(value, 1);
            }
        });

        //3.3对数据按照单词(key)进行分组
        //KeyedStream<Tuple2<String, Integer>, Tuple> groupedDS = wordAndOnesDS.keyBy(0);
        KeyedStream<Tuple2<String, Integer>, String> groupedDS = wordAndOnesDS.keyBy(t -> t.f0);
        //3.4对各个组内的数据按照数量(value)进行聚合就是求sum
        DataStream<Tuple2<String, Integer>> result = groupedDS.sum(1);

        //4.输出结果-sink
        result.print();

        //5.触发执行-execute
        env.execute();
    }
}

执行 netcat，然后在终端输入 hello world，执行程序会输出什么?

答案很明显，(hello, 1)和 (word,1)

那么问题来了，如果再次在终端输入 hello world，程序会输入什么?

答案其实也很明显，(hello, 2)和(world, 2)。

为什么 Flink 知道之前已经处理过一次 hello world，这就是 state 发挥作用了，这里是被称为 keyed state 存储了之前需要统计的数据，所以 Flink 知道 hello 和 world 分别出现过一次。

2. 无状态计算

不需要考虑历史数据，相同的输入得到相同的输出就是无状态计算, 如map/flatMap/filter....

首先举一个无状态计算的例子：消费延迟计算。

假设现在有一个消息队列，消息队列中有一个生产者持续往消费队列写入消息，多个消费者分别从消息队列中读取消息。

从图上可以看出，生产者已经写入 16 条消息，Offset 停留在 15 ；有 3 个消费者，有的消费快，而有的消费慢。消费快的已经消费了 13 条数据，消费者慢的才消费了 7、8 条数据。

如何实时统计每个消费者落后多少条数据，如图给出了输入输出的示例。可以了解到输入的时间点有一个时间戳，生产者将消息写到了某个时间点的位置，每个消费者同一时间点分别读到了什么位置。刚才也提到了生产者写入了 15 条，消费者分别读取了 10、7、12 条。那么问题来了，怎么将生产者、消费者的进度转换为右侧示意图信息呢？

consumer 0 落后了 5 条，consumer 1 落后了 8 条，consumer 2 落后了 3 条，根据 Flink 的原理，此处需进行 Map 操作。Map 首先把消息读取进来，然后分别相减，即可知道每个 consumer 分别落后了几条。Map 一直往下发，则会得出最终结果。

大家会发现，在这种模式的计算中，无论这条输入进来多少次，输出的结果都是一样的，因为单条输入中已经包含了所需的所有信息。消费落后等于生产者减去消费者。生产者的消费在单条数据中可以得到，消费者的数据也可以在单条数据中得到，所以相同输入可以得到相同输出，这就是一个无状态的计算。

3. 有状态计算

需要考虑历史数据，相同的输入得到不同的输出/不一定得到相同的输出,就是有状态计算,如:sum/reduce

以访问日志统计量的例子进行说明，比如当前拿到一个 Nginx 访问日志，一条日志表示一个请求，记录该请求从哪里来，访问的哪个地址，需要实时统计每个地址总共被访问了多少次，也即每个 API 被调用了多少次。可以看到下面简化的输入和输出，输入第一条是在某个时间点请求 GET 了 /api/a；第二条日志记录了某个时间点 Post /api/b ;第三条是在某个时间点 GET了一个 /api/a，总共有 3 个 Nginx 日志。

从这 3 条 Nginx 日志可以看出，第一条进来输出 /api/a 被访问了一次，第二条进来输出 /api/b 被访问了一次，紧接着又进来一条访问 api/a，所以 api/a 被访问了 2 次。不同的是，两条 /api/a 的 Nginx 日志进来的数据是一样的，但输出的时候结果可能不同，第一次输出 count=1 ，第二次输出 count=2，说明相同输入可能得到不同输出。输出的结果取决于当前请求的 API 地址之前累计被访问过多少次。第一条过来累计是 0 次，count = 1，第二条过来 API 的访问已经有一次了，所以 /api/a 访问累计次数 count=2。单条数据其实仅包含当前这次访问的信息，而不包含所有的信息。要得到这个结果，还需要依赖 API 累计访问的量，即状态。

这个计算模式是将数据输入算子中，用来进行各种复杂的计算并输出数据。这个过程中算子会去访问之前存储在里面的状态。另外一方面，它还会把现在的数据对状态的影响实时更新，如果输入 200 条数据，最后输出就是 200 条结果。

4. 有状态计算的场景

什么场景会用到状态呢？下面列举了常见的 4 种：

1.去重：比如上游的系统数据可能会有重复，落到下游系统时希望把重复的数据都去掉。去重需要先了解哪些数据来过，哪些数据还没有来，也就是把所有的主键都记录下来，当一条数据到来后，能够看到在主键当中是否存在。

2.窗口计算：比如统计每分钟 Nginx 日志 API 被访问了多少次。窗口是一分钟计算一次，在窗口触发前，如 08:00 ~ 08:01 这个窗口，前59秒的数据来了需要先放入内存，即需要把这个窗口之内的数据先保留下来，等到 8:01 时一分钟后，再将整个窗口内触发的数据输出。未触发的窗口数据也是一种状态。

3.机器学习/深度学习：如训练的模型以及当前模型的参数也是一种状态，机器学习可能每次都用有一个数据集，需要在数据集上进行学习，对模型进行一个反馈。

4.访问历史数据：比如与昨天的数据进行对比，需要访问一些历史数据。如果每次从外部去读，对资源的消耗可能比较大，所以也希望把这些历史数据也放入状态中做对比。

此博客根据某马2020年贺岁视频改编而来：【狂野大数据】Flink1.12从入门到精通#2021#流批一体#黑马程序员#大数据_哔哩哔哩_bilibili

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