【Flink】基于 Flink 的流式数据实时去重

阿泽 Crz

发布于 2020-09-28 09:29:53

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发布于 2020-09-28 09:29:53

文章被收录于专栏：阿泽的学习笔记

在实时计算 PV 信息时，用户短时间内重复点击并不会增加点击次数，基于此需求，我们需要对流式数据进行实时去重。

一想到大数据去重，我们立刻可以想到布隆过滤器、HyperLogLog 去重、Bitmap 去重等方法。对于实时数据处理引擎 Flink 来说，除了上述方法外还可以通过 Flink SQL 方式或 Flink 状态管理的方式进行去重。

本文主要介绍基于 Flink 状态管理的方式进行实时去重。

1.状态管理

虽然 Flink 的很多操作都是基于事件解析器进行一次的事件处理，但也有很多操作需要记住多个事件的信息，比如窗口运算等。这些操作便称为有状态的操作。

有状态的操作有一些经典案例，比如说：

计算每分钟/小时/天的统计量等；
实时计算 PV、UV，需要维护目前已有的 PV、UV 信息；
实时更新机器学习模型，需要记住模型的参数；

我们在上一篇内容中介绍了如何计算分钟级的统计量，我们采用的方法是开一个窗口函数进行统计；而现在的任务是数据去重，对于增量数据来说没法进行开窗运算。

针对这种情况，Flink 提供了基于事件驱动的处理函数（ProcessFunction），其将事件处理与 Timer、State 结合在一起，提供了更加强大和丰富的功能。

Flink 子任务状态更新和获取的流程如下图所示，一个算子子任务接收输入流，获取对应的状态，根据新的计算结果更新状态。

获取和更新状态的逻辑其实并不复杂，但流处理框架还需要解决以下几类问题：

数据的产出要保证实时性，延迟不能太高；
需要保证数据不丢不重，恰好计算一次，尤其是当状态数据非常大或者应用出现故障需要恢复时，要保证状态的计算不出任何错误；
一般流处理任务都是 7*24 小时运行的，程序的可靠性需要非常高。

基于上述要求，我们不能将状态仅交由内存管理，因为内存的容量是有限制的，当状态数据稍微大一些时，就会出现内存不够的问题。由于 Flink 本身提供了有状态的计算，并且封装了一些底层的实现，比如状态的高效存储、Checkpoint 和 Savepoint 持久化备份机制、计算资源扩缩容等问题，所以我们只需要调用 Flink API，专注于业务逻辑即可。

2.状态类型

Managed State 和 Raw State

Flink有两种基本类型的状态：托管状态（Managed State）和原生状态（Raw State）。从名称中也能读出两者的区别：Managed State 是由 Flink 管理的，Flink 帮忙存储、恢复和优化，Raw State 是开发者自己管理的，需要自己序列化。两者对比如下：

	Managed State	Raw State
状态管理方式	Flink Runtime 托管，自动存储、自动恢复、自动伸缩	用户自己管理
状态数据结构	Flink提供的常用数据结构，如 ListState、MapState 等	字节数组：byte[]
使用场景	绝大多数 Flink 算子	用户自定义算子

大部分情况下我们使用 Managed State 便可满足需求。

Keyed State 和 Operator State

我们对 Managed State 继续细分，它又有两种类型：Keyed State 和 Operator State。

Keyed State 是 KeyedStream 上的状态。假如输入流按照 id 为 Key 进行了 keyBy 分组，形成一个 KeyedStream。下图为 Keyed State，因为一个算子子任务可以处理一到多个Key，算子子任务 1 处理了两种 Key，两种 Key 分别对应自己的状态。

Operator State 可以用在所有算子上，每个算子子任务或者说每个算子实例共享一个状态，流入这个算子子任务的数据可以访问和更新这个状态。下图为 Operator State。

下图为两者的区别：

	Keyed State	Operator State
适用算子类型	只适用于KeyedStream上的算子	可以用于所有算子
状态分配	每个 Key 对应一个状态	一个算子子任务对应一个状态
创建和访问方式	重写 Rich Function 通过里面的 RuntimeContext 访问	实现 CheckpointedFunction 等接口
支持的数据结构	ValueState、ListState、MapState 等	ListState、BroadcastState 等

无论是 Keyed State 还是 Operator State，Flink 的状态都是基于本地的，即每个算子子任务维护着这个算子子任务对应的状态存储，算子子任务之间的状态不能相互访问。

3.代码实践

3.1 数据准备

准备一些数据 demo，数据格式和之前的一样，依次为 user、item、catelog、behavior、timestamp。

其中第一个数据和最后一行数据视为重复数据（两次点击间隔一秒）。

952483,310884,4580532,pv,1511712000
794777,5119439,982926,pv,1511712000
875914,4484065,1320293,pv,1511712000
980877,5097906,149192,pv,1511712000
944074,2348702,3002561,pv,1511712000
973127,1132597,4181361,pv,1511712000
84681,3505100,2465336,pv,1511712000
732136,3815446,2342116,pv,1511712000
940143,2157435,1013319,pv,1511712000
655789,4945338,4145813,pv,1511712000
952483,310884,4580532,pv,1511713000

3.2 数据源

package com.aze.producer;

import org.apache.flink.streaming.api.functions.source.SourceFunction;

import java.io.BufferedReader;
import java.io.FileReader;

/**
 * @Author: aze
 * @Date: 2020-09-16 14:41
 */
public class ReadLineSource  implements SourceFunction<String> {

    private String filePath;
    private boolean canceled = false;

    public ReadLineSource(String filePath){
        this.filePath = filePath;
    }

    @Override
    public void run(SourceContext<String> sourceContext) throws Exception {
        BufferedReader reader = new BufferedReader(new FileReader(filePath));
        while (!canceled && reader.ready()){
            String line = reader.readLine();
            sourceContext.collect(line);
            Thread.sleep(10);
        }
    }

    @Override
    public void cancel() {
        canceled = true;
    }
}

3.3 主程序

为了增加可读性，主程序介绍时不采用链式编程，后面放出完整程序时会采用链式编程。

3.3.1 创建环境

val env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
// 注意设置 EventTime，而不是默认的 ProcessTime
env.setStreamTimeCharacteristic(TimeCharacteristic.EventTime);
env.setParallelism(1);

3.3.2 数据接入及清洗

这里用 lombok 包的 val 进行修饰，这样便不必编写实际类型。

我们利用 flatMap 清洗掉出了 "pv" 外的其他用户行为，并传出 Tuple2<String, Long> 类型。String 为 key，Long 为 timestamp。

val dataStream = env.addSource(new ReadLineSource("src/main/resources/data.txt"))
     // 注意 FlatMapFunction 不要写成 Lambda 表达式
     // 我们使用了泛型，所以没有显式地指明返回值的类型的话会出错
        .flatMap(new FlatMapFunction<String, Tuple2<String, Long>>() {
            @Override
            public void flatMap(String s, Collector<Tuple2<String, Long>> out) {
                String[] split = s.split(",");
                if ("pv".equals(split[3])) {
                    val res = new Tuple2<>(split[0] + "-" + split[1], Long.parseLong(split[4]));
                    out.collect(res);
                }
            }
        });

3.3.3 定义事件时间

val process = dataStream.assignTimestampsAndWatermarks(WatermarkStrategy
            .<Tuple2<String, Long>>forBoundedOutOfOrderness(Duration.ofMillis(1000))
            .withTimestampAssigner((SerializableTimestampAssigner<Tuple2<String, Long>>)
                    (s, l) -> s.f1));

我们为 flatMap 传出的 Tuple2<String, Long> 类型的数据定义一下时间时间。

3.3.4 定义内部类

为了方便处理，我们定义个内部类方便进行状态存储。

同样我们也引用了 lombok 为类添加注解（减少代码量）。

@Data
@ToString
@AllArgsConstructor
private static class UserBehavior {
    private String id;
    private long timestamp;
}

3.3.5 事件处理

通过注释的形式讲解下这段代码

// 基于 key 进行分流
process.keyBy(s -> s.f0)
     // 每一个 key 都会维护一个 KeyedProcessFunction
        .process(new KeyedProcessFunction<String, Tuple2<String, Long>, Object>() {

            // 为每个 key 创建一个私有的状态
            private ValueState<UserBehavior> state;
            
            // KeyedProcessFunction 创建时会调用 open 方法
            @Override
            public void open(Configuration parameters) {
                // 创建一个状态描述器
                val stateDescriptor = new ValueStateDescriptor<>("mystate", UserBehavior.class);
                // 设置状态的生存时间，过时销毁，主要是为减少内存
                stateDescriptor.enableTimeToLive(StateTtlConfig.newBuilder(Time.seconds(60)).build());
                // 完成 Keyed State 的创建。
                state = getRuntimeContext().getState(stateDescriptor);
            }

            // 处理事件
            @Override
            public void processElement(Tuple2<String, Long> in,
                                       Context ctx,
                                       Collector<Object> out) throws Exception {
                // 从状态中拿出对象
                UserBehavior cur = state.value();
                // 如果为空则为新数据，否则就是重复数据
                if (cur == null) {
                    cur = new UserBehavior(in.f0, in.f1);
                    // 记得更新下状态
                    state.update(cur);
                    // 注册个定时器任务，60 秒后可以不算是新数据
                    // 即用户 60 秒点击多次只能算一次有效点击
                    ctx.timerService().registerEventTimeTimer(cur.getTimestamp() + 60000);
     // 新数据可以向下传递
                    out.collect(cur);
                } else {
                    // 打印一下
                    System.out.println("[Duplicate Data] " + in.f0 + " " + in.f1);
                }
            }

            // 触发定时任务
            @Override
            public void onTimer(long timestamp,
                                OnTimerContext ctx,
                                Collector<Object> out) throws Exception {
                UserBehavior cur = state.value();
                // 利用定时任务将状态清空
                if (cur.getTimestamp() + 60000 <= timestamp) {
                    System.out.printf("[Overdue] now: %d obj_time: %d Date: %s%n",
                            timestamp, cur.getTimestamp(), cur.getId());
                    state.clear();
                }
            }
        })
        .print();

注意，我这里用的是 ValueState，如果想要更好的性能，可以使用 MapState。

3.3.6 执行

env.execute("flink");

输出为：

DataDeduplicate.UserBehavior(id=952483-310884, timestamp=1511712000)
DataDeduplicate.UserBehavior(id=794777-5119439, timestamp=1511712000)
DataDeduplicate.UserBehavior(id=875914-4484065, timestamp=1511712000)
DataDeduplicate.UserBehavior(id=980877-5097906, timestamp=1511712000)
DataDeduplicate.UserBehavior(id=944074-2348702, timestamp=1511712000)
DataDeduplicate.UserBehavior(id=973127-1132597, timestamp=1511712000)
DataDeduplicate.UserBehavior(id=84681-3505100, timestamp=1511712000)
DataDeduplicate.UserBehavior(id=732136-3815446, timestamp=1511712000)
DataDeduplicate.UserBehavior(id=940143-2157435, timestamp=1511712000)
DataDeduplicate.UserBehavior(id=655789-4945338, timestamp=1511712000)
[Duplicate Data] 952483-310884 1511713000
[Overdue] now: 1511772000 obj_time: 1511712000 Date: 952483-310884
[Overdue] now: 1511772000 obj_time: 1511712000 Date: 655789-4945338
[Overdue] now: 1511772000 obj_time: 1511712000 Date: 940143-2157435
[Overdue] now: 1511772000 obj_time: 1511712000 Date: 732136-3815446
[Overdue] now: 1511772000 obj_time: 1511712000 Date: 84681-3505100
[Overdue] now: 1511772000 obj_time: 1511712000 Date: 973127-1132597
[Overdue] now: 1511772000 obj_time: 1511712000 Date: 944074-2348702
[Overdue] now: 1511772000 obj_time: 1511712000 Date: 980877-5097906
[Overdue] now: 1511772000 obj_time: 1511712000 Date: 875914-4484065
[Overdue] now: 1511772000 obj_time: 1511712000 Date: 794777-5119439

可以看到，碰到最后一条数据是提示了为重复数据。

后面定时器也全部触发了，大概率是因为触发水印。

3.4 完整程序

放上完整程序。

package com.aze.consumer;

import lombok.AllArgsConstructor;
import lombok.Data;
import lombok.ToString;
import lombok.val;
import com.aze.producer.ReadLineSource;
import org.apache.flink.api.common.eventtime.SerializableTimestampAssigner;
import org.apache.flink.api.common.eventtime.WatermarkStrategy;
import org.apache.flink.api.common.functions.FlatMapFunction;
import org.apache.flink.api.common.state.StateTtlConfig;
import org.apache.flink.api.common.state.ValueState;
import org.apache.flink.api.common.state.ValueStateDescriptor;
import org.apache.flink.api.common.time.Time;
import org.apache.flink.api.java.tuple.Tuple2;
import org.apache.flink.configuration.Configuration;
import org.apache.flink.streaming.api.TimeCharacteristic;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
import org.apache.flink.streaming.api.functions.KeyedProcessFunction;
import org.apache.flink.util.Collector;

import java.time.Duration;

/**
 * @Author: aze
 * @Date: 2020-09-16 14:45
 */
public class DataDeduplicate {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        val env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        env.setStreamTimeCharacteristic(TimeCharacteristic.EventTime);
        env.setParallelism(1);

        val dataStream = env.addSource(new ReadLineSource("src/main/resources/data.txt"));
        val process = dataStream
                .flatMap(new FlatMapFunction<String, Tuple2<String, Long>>() {
                    @Override
                    public void flatMap(String s, Collector<Tuple2<String, Long>> out) throws Exception {
                        String[] split = s.split(",");
                        if ("pv".equals(split[3])) {
                            val res = new Tuple2<>(split[0] + "-" + split[1], Long.parseLong(split[4]));
                            out.collect(res);
                        }
                    }
                })
                .assignTimestampsAndWatermarks(WatermarkStrategy
                        .<Tuple2<String, Long>>forBoundedOutOfOrderness(Duration.ofMillis(1000))
                        .withTimestampAssigner((SerializableTimestampAssigner<Tuple2<String, Long>>)
                                (s, l) -> s.f1))
                .keyBy(s -> s.f0)
                .process(new KeyedProcessFunction<String, Tuple2<String, Long>, Object>() {

                    private ValueState<UserBehavior> state;

                    @Override
                    public void open(Configuration parameters) {
                        val stateDescriptor = new ValueStateDescriptor<>("mystate", UserBehavior.class);
                        stateDescriptor.enableTimeToLive(StateTtlConfig.newBuilder(Time.seconds(60)).build());
                        state = getRuntimeContext().getState(stateDescriptor);
                    }

                    @Override
                    public void processElement(Tuple2<String, Long> in,
                                               Context ctx,
                                               Collector<Object> out) throws Exception {
                        UserBehavior cur = state.value();
                        if (cur == null) {
                            cur = new UserBehavior(in.f0, in.f1);
                            state.update(cur);
                            ctx.timerService().registerEventTimeTimer(cur.getTimestamp() + 60000);
                            out.collect(cur);
                        } else {
                            System.out.println("[Duplicate Data] " + in.f0 + " " + in.f1);
                        }
                    }

                    @Override
                    public void onTimer(long timestamp,
                                        OnTimerContext ctx,
                                        Collector<Object> out) throws Exception {
                        UserBehavior cur = state.value();
                        if (cur.getTimestamp() + 1000 <= timestamp) {
                            System.out.printf("[Overdue] now: %d obj_time: %d Date: %s%n",
                                    timestamp, cur.getTimestamp(), cur.getId());
                            state.clear();
                        }
                    }
                });
        process.print();
        env.execute("flink");

    }

    @Data
    @ToString
    @AllArgsConstructor
    private static class UserBehavior {
        private String id;
        private long timestamp;
    }
}