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Flink处理函数实战之四:窗口处理

2020.11.23 09:12 500浏览

欢迎访问我的GitHub

github.com/zq2599/blog_demos

内容:所有原创文章分类汇总及配套源码,涉及Java、Docker、Kubernetes、DevOPS等;

本篇概览

本文是《Flink处理函数实战》系列的第四篇,内容是学习以下两个窗口相关的处理函数:

  1. ProcessAllWindowFunction:处理每个窗口内的所有元素;
  2. ProcessWindowFunction:处理指定key的每个窗口内的所有元素;

关于ProcessAllWindowFunction

  1. ProcessAllWindowFunction和[《Flink处理函数实战之二:ProcessFunction类》]中的ProcessFunction类相似,都是用来对上游过来的元素做处理,不过ProcessFunction是每个元素执行一次processElement方法,ProcessAllWindowFunction是每个窗口执行一次process方法(方法内可以遍历该窗口内的所有元素);
  2. 用类图对比可以更形象的认识差别,下图左侧是ProcessFunction,右侧是ProcessAllWindowFunction:
    在这里插入图片描述

关于ProcessWindowFunction

  1. ProcessWindowFunction和KeyedProcessFunction类似,都是处理分区的数据,不过KeyedProcessFunction是每个元素执行一次processElement方法,而ProcessWindowFunction是每个窗口执行一次process方法(方法内可以遍历该key当前窗口内的所有元素);
  2. 用类图对比可以更形象的认识差别,下图左侧是KeyedProcessFunction,右侧是ProcessWindowFunction:
    在这里插入图片描述
  3. 另外还一个差异:ProcessWindowFunction.process方法的入参就有分区的key值,而KeyedProcessFunction.processElement方法的入参没有这个参数,而是需要Context.getCurrentKey()才能取到分区的key值;

注意事项

窗口处理函数的process方法,以ProcessAllWindowFunction为例,如下图红框所示,其入参可以遍历当前窗口内的所有元素,这意味着当前窗口的所有元素都保存在堆内存中,所以请在设计阶段就严格控制窗口内元素的内存使用量,避免耗尽TaskManager节点的堆内存:
在这里插入图片描述
接下来通过实战学习ProcessAllWindowFunction和ProcessWindowFunction;

版本信息

  1. 开发环境操作系统:MacBook Pro 13寸, macOS Catalina 10.15.4
  2. 开发工具:IntelliJ IDEA 2019.3.2 (Ultimate Edition)
  3. JDK:1.8.0_121
  4. Maven:3.3.9
  5. Flink:1.9.2

源码下载

如果您不想写代码,整个系列的源码可在GitHub下载到,地址和链接信息如下表所示(github.com/zq2599/blog_demos):

名称 链接 备注
项目主页 github.com/zq2599/blog_demos 该项目在GitHub上的主页
git仓库地址(https) github.com/zq2599/blog_demos.git 该项目源码的仓库地址,https协议
git仓库地址(ssh) git@github.com:zq2599/blog_demos.git 该项目源码的仓库地址,ssh协议

这个git项目中有多个文件夹,本章的应用在flinkstudy文件夹下,如下图红框所示:
在这里插入图片描述

如何实战ProcessAllWindowFunction

接下来通过以下方式验证ProcessAllWindowFunction功能:

  1. 每隔1秒发出一个Tuple2对象,对象的f0字段在aaa和bbb之间变化,f1字段固定为1;
  2. 设置5秒的滚动窗口;
  3. 自定义ProcessAllWindowFunction扩展类,功能是统计每个窗口内元素的数量,将统计结果发给下游算子;
  4. 下游算子将统计结果打印出来;
  5. 核对发出的数据和统计信息,看是否一致;

开始编码

  1. 继续使用[《Flink处理函数实战之二:ProcessFunction类》]一文中创建的工程flinkstudy;
  2. 新建ProcessAllWindowFunctionDemo类,如下:
package com.bolingcavalry.processwindowfunction;

import org.apache.flink.api.java.tuple.Tuple2;
import org.apache.flink.streaming.api.TimeCharacteristic;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.DataStream;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.SingleOutputStreamOperator;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
import org.apache.flink.streaming.api.functions.source.SourceFunction;
import org.apache.flink.streaming.api.functions.windowing.ProcessAllWindowFunction;
import org.apache.flink.streaming.api.functions.windowing.ProcessWindowFunction;
import org.apache.flink.streaming.api.windowing.time.Time;
import org.apache.flink.streaming.api.windowing.windows.TimeWindow;
import org.apache.flink.util.Collector;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;

public class ProcessAllWindowFunctionDemo {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        final StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();

        // 使用事件时间
        env.setStreamTimeCharacteristic(TimeCharacteristic.ProcessingTime);

        // 并行度为1
        env.setParallelism(1);

        // 设置数据源,一共三个元素
        DataStream> dataStream = env.addSource(new SourceFunction>() {
            @Override
            public void run(SourceContext> ctx) throws Exception {
                for(int i=1; i(name, 1), timeStamp);

                    // 每发射一次就延时1秒
                    Thread.sleep(1000);
                }
            }

            @Override
            public void cancel() {

            }
        });

        // 将数据用5秒的滚动窗口做划分,再用ProcessAllWindowFunction
        SingleOutputStreamOperator mainDataStream = dataStream
                // 5秒一次的滚动窗口
                .timeWindowAll(Time.seconds(5))
                // 统计当前窗口内的元素数量,然后把数量、窗口起止时间整理成字符串发送给下游算子
                .process(new ProcessAllWindowFunction, String, TimeWindow>() {
                    @Override
                    public void process(Context context, Iterable> iterable, Collector collector) throws Exception {
                        int count = 0;

                        // iterable可以访问当前窗口内的所有数据,
                        // 这里简单处理,只统计了元素数量
                        for (Tuple2 tuple2 : iterable) {
                            count++;
                        }

                        // 将当前窗口的起止时间和元素数量整理成字符串
                        String value = String.format("window, %s - %s, %d\n",
                                // 当前窗口的起始时间
                                time(context.window().getStart()),
                                // 当前窗口的结束时间
                                time(context.window().getEnd()),
                                // 当前key在当前窗口内元素总数
                                count);

                        // 发射到下游算子
                        collector.collect(value);
                    }
                });

        // 打印结果,通过分析打印信息,检查ProcessWindowFunction中可以处理所有key的整个窗口的数据
        mainDataStream.print();

        env.execute("processfunction demo : processallwindowfunction");
    }

    public static String time(long timeStamp) {
        return new SimpleDateFormat("hh:mm:ss").format(new Date(timeStamp));
    }
}
  1. 关于ProcessAllWindowFunctionDemo,有几点需要注意:

a. 滚动窗口设置用timeWindowAll方法;

b. ProcessAllWindowFunction的匿名子类的process方法中,context.window().getStart()方法可以取得当前窗口的起始时间,getEnd()方法可以取得当前窗口的结束时间;

  1. 编码结束,执行ProcessAllWindowFunctionDemo类验证数据,如下图,检查其中一个窗口的元素详情和ProcessAllWindowFunction执行结果,可见符合预期:
    在这里插入图片描述
  2. ProcessAllWindowFunction已经了解,接下来尝试ProcessWindowFunction;

如何实战ProcessWindowFunction

接下来通过以下方式验证ProcessWindowFunction功能:

  1. 每隔1秒发出一个Tuple2对象,对象的f0字段在aaa和bbb之间变化,f1字段固定为1;
  2. 以f0字段为key进行分区;
  3. 分区后的数据进入5秒的滚动窗口;
  4. 自定义ProcessWindowFunction扩展类,功能之一是统计每个key在每个窗口内元素的数量,将统计结果发给下游算子;
  5. 功能之二是在更新当前key的元素总量,然后在状态后端(backend)保存,这是验证KeyedStream在处理函数中的状态读写能力;
  6. 下游算子将统计结果打印出来;
  7. 核对发出的数据和统计信息(每个窗口的和总共的分别核对),看是否一致;

开始编码

  1. 新建ProcessWindowFunctionDemo.java:
package com.bolingcavalry.processwindowfunction;


import org.apache.flink.api.common.state.ValueState;
import org.apache.flink.api.common.state.ValueStateDescriptor;
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.datastream.DataStream;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.SingleOutputStreamOperator;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
import org.apache.flink.streaming.api.functions.source.SourceFunction;
import org.apache.flink.streaming.api.functions.windowing.ProcessWindowFunction;
import org.apache.flink.streaming.api.windowing.time.Time;
import org.apache.flink.streaming.api.windowing.windows.TimeWindow;
import org.apache.flink.util.Collector;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;

public class ProcessWindowFunctionDemo {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        final StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();

        // 使用事件时间
        env.setStreamTimeCharacteristic(TimeCharacteristic.ProcessingTime);

        // 并行度为1
        env.setParallelism(1);

        // 设置数据源,一共三个元素
        DataStream> dataStream = env.addSource(new SourceFunction>() {
            @Override
            public void run(SourceContext> ctx) throws Exception {
                int aaaNum = 0;
                int bbbNum = 0;

                for(int i=1; i(name, 1), timeStamp);

                    // 每发射一次就延时1秒
                    Thread.sleep(1000);
                }
            }

            @Override
            public void cancel() {

            }
        });

        // 将数据用5秒的滚动窗口做划分,再用ProcessWindowFunction
        SingleOutputStreamOperator mainDataStream = dataStream
                // 以Tuple2的f0字段作为key,本例中实际上key只有aaa和bbb两种
                .keyBy(value -> value.f0)
                // 5秒一次的滚动窗口
                .timeWindow(Time.seconds(5))
                // 统计每个key当前窗口内的元素数量,然后把key、数量、窗口起止时间整理成字符串发送给下游算子
                .process(new ProcessWindowFunction, String, String, TimeWindow>() {

                    // 自定义状态
                    private ValueState state;

                    @Override
                    public void open(Configuration parameters) throws Exception {
                        // 初始化状态,name是myState
                        state = getRuntimeContext().getState(new ValueStateDescriptor<>("myState", KeyCount.class));
                    }

                    @Override
                    public void process(String s, Context context, Iterable> iterable, Collector collector) throws Exception {

                        // 从backend取得当前单词的myState状态
                        KeyCount current = state.value();

                        // 如果myState还从未没有赋值过,就在此初始化
                        if (current == null) {
                            current = new KeyCount();
                            current.key = s;
                            current.count = 0;
                        }

                        int count = 0;

                        // iterable可以访问该key当前窗口内的所有数据,
                        // 这里简单处理,只统计了元素数量
                        for (Tuple2 tuple2 : iterable) {
                            count++;
                        }

                        // 更新当前key的元素总数
                        current.count += count;

                        // 更新状态到backend
                        state.update(current);

                        // 将当前key及其窗口的元素数量,还有窗口的起止时间整理成字符串
                        String value = String.format("window, %s, %s - %s, %d,    total : %d\n",
                                // 当前key
                                s,
                                // 当前窗口的起始时间
                                time(context.window().getStart()),
                                // 当前窗口的结束时间
                                time(context.window().getEnd()),
                                // 当前key在当前窗口内元素总数
                                count,
                                // 当前key出现的总数
                                current.count);

                        // 发射到下游算子
                        collector.collect(value);
                    }
                });

        // 打印结果,通过分析打印信息,检查ProcessWindowFunction中可以处理所有key的整个窗口的数据
        mainDataStream.print();

        env.execute("processfunction demo : processwindowfunction");
    }

    public static String time(long timeStamp) {
        return new SimpleDateFormat("hh:mm:ss").format(new Date(timeStamp));
    }

    static class KeyCount {
        /**
         * 分区key
         */
        public String key;

        /**
         * 元素总数
         */
        public long count;
    }

}
  1. 上述代码有几处需要关注:

a. 静态类KeyCount.java,是用来保存每个key元素总数的数据结构;

b. timeWindow方法设置了市场为5秒的滚动窗口;

c. 每个Tuple2元素以f0为key进行分区;

d. open方法对名为myState的自定义状态进行注册;

e. process方法中,state.value()取得当前key的状态,tate.update(current)更新当前key的状态;

  1. 接下来运行ProcessWindowFunctionDemo类检查数据,如下图,process方法内,对窗口内元素的统计和数据源打印的一致,并且从backend取得的总数在累加后和数据源的统计信息也一致:
    在这里插入图片描述
    至此,处理函数中窗口处理相关的实战已经完成,如果您也在学习Flink的处理函数,希望本文能给您一些参考;

我是欣宸,期待与您一同畅游Java世界…
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