ApacheFlink 状态管理与容错机制
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作者：孙梦瑶
整理：韩非
校对：邱从贤（山智）
https://ververica.cn/developers/state-management/
本文主要分享内容如下：
状态管理的基本概念；
状态的类型与使用示例；
容错机制与故障恢复。
一. 状态管理的基本概念
1.什么是状态
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。
相应的什么是有状态的计算？
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。
什么场景会用到状态呢？下面列举了常见的 4 种：
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。
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。
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。
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。
2. 为什么要管理状态
管理状态最直接的方式就是将数据都放到内存中，这也是很常见的做法。比如在做 WordCount 时，Word 作为输入，Count 作为输出。在计算的过程中把输入不断累加到 Count。
但对于流式作业有以下要求：
7*24小时运行，高可靠；
数据不丢不重，恰好计算一次；
数据实时产出，不延迟；
基于以上要求，内存的管理就会出现一些问题。由于内存的容量是有限制的。如果要做 24 小时的窗口计算，将 24 小时的数据都放到内存，可能会出现内存不足；另外，作业是 7*24，需要保障高可用，机器若出现故障或者宕机，需要考虑如何备份及从备份中去恢复，保证运行的作业不受影响；此外，考虑横向扩展，假如网站的访问量不高，统计每个 API 访问次数的程序可以用单线程去运行，但如果网站访问量突然增加，单节点无法处理全部访问数据，此时需要增加几个节点进行横向扩展，这时数据的状态如何平均分配到新增加的节点也问题之一。因此，将数据都放到内存中，并不是最合适的一种状态管理方式。
3. 理想的状态管理
最理想的状态管理需要满足易用、高效、可靠三点需求：
易用，Flink 提供了丰富的数据结构、多样的状态组织形式以及简洁的扩展接口，让状态管理更加易用；
高效，实时作业一般需要更低的延迟，一旦出现故障，恢复速度也需要更快；当处理能力不够时，可以横向扩展，同时在处理备份时，不影响作业本身处理性能；
可靠，Flink 提供了状态持久化，包括不丢不重的语义以及具备自动的容错能力，比如 HA，当节点挂掉后会自动拉起，不需要人工介入。
二. Flink 状态的类型与使用示例
1. Managed State & Raw State
Managed State 是 Flink 自动管理的 State，而 Raw State 是原生态 State，两者的区别如下：
从状态管理方式的方式来说，Managed State 由 Flink Runtime 管理，自动存储，自动恢复，在内存管理上有优化；而 Raw State 需要用户自己管理，需要自己序列化，Flink 不知道 State 中存入的数据是什么结构，只有用户自己知道，需要最终序列化为可存储的数据结构。
从状态数据结构来说，Managed State 支持已知的数据结构，如 Value、List、Map 等。而 Raw State只支持字节数组 ，所有状态都要转换为二进制字节数组才可以。
从推荐使用场景来说，Managed State 大多数情况下均可使用，而 Raw State 是当 Managed State 不够用时，比如需要自定义 Operator 时，推荐使用 Raw State。
2. Keyed State & Operator State
Managed State 分为两种，一种是 Keyed State；另外一种是 Operator State。在Flink Stream模型中，Datastream 经过 keyBy 的操作可以变为 KeyedStream 。
每个 Key 对应一个 State，即一个 Operator 实例处理多个 Key，访问相应的多个 State，并由此就衍生了 Keyed State。Keyed State 只能用在 KeyedStream 的算子中，即在整个程序中没有 keyBy 的过程就没有办法使用 KeyedStream。
相比较而言，Operator State 可以用于所有算子，相对于数据源有一个更好的匹配方式，常用于 Source，例如 FlinkKafkaConsumer。相比 Keyed State，一个 Operator 实例对应一个 State，随着并发的改变，Keyed State 中，State 随着 Key 在实例间迁移，比如原来有 1 个并发，对应的 API 请求过来，/api/a 和 /api/b 都存放在这个实例当中；如果请求量变大，需要扩容，就会把 /api/a 的状态和 /api/b 的状态分别放在不同的节点。由于 Operator State 没有 Key，并发改变时需要选择状态如何重新分配。其中内置了 2 种分配方式：一种是均匀分配，另外一种是将所有 State 合并为全量 State 再分发给每个实例。
在访问上，Keyed State 通过 RuntimeContext 访问，这需要 Operator 是一个Rich Function。Operator State 需要自己实现 CheckpointedFunction 或 ListCheckpointed 接口。在数据结构上，Keyed State 支持的数据结构，比如 ValueState、ListState、ReducingState、AggregatingState 和 MapState；而 Operator State 支持的数据结构相对较少，如 ListState。
3. Keyed State 使用示例
Keyed State 有很多种，如图为几种 Keyed State 之间的关系。首先 State 的子类中一级子类有 ValueState、MapState、AppendingState。AppendingState 又有一个子类 MergingState。MergingState 又分为 3 个子类分别是ListState、ReducingState、AggregatingState。这个继承关系使它们的访问方式、数据结构也存在差异。
几种 Keyed State 的差异具体体现在：
ValueState 存储单个值，比如 Wordcount，用 Word 当 Key，State 就是它的 Count。这里面的单个值可能是数值或者字符串，作为单个值，访问接口可能有两种，get 和 set。在 State 上体现的是 update(T) / T value()。
MapState 的状态数据类型是 Map，在 State 上有 put、remove等。需要注意的是在 MapState 中的 key 和 Keyed state 中的 key 不是同一个。
ListState 状态数据类型是 List，访问接口如 add、update 等。
ReducingState 和 AggregatingState 与 ListState 都是同一个父类，但状态数据类型上是单个值，原因在于其中的 add 方法不是把当前的元素追加到列表中，而是把当前元素直接更新进了 Reducing 的结果中。
AggregatingState 的区别是在访问接口，ReducingState 中 add（T）和 T get() 进去和出来的元素都是同一个类型，但在 AggregatingState 输入的 IN，输出的是 OUT。
下面以 ValueState 为例，来阐述一下具体如何使用，以状态机的案例来讲解 。
感兴趣的同学可直接查看完整源代码，在此截取部分。如图为 Flink 作业的主方法与主函数中的内容，前面的输入、后面的输出以及一些个性化的配置项都已去掉，仅保留了主干。
首先 events 是一个 DataStream，通过 env.addSource 加载数据进来，接下来有一个 DataStream 叫 alerts，先 keyby 一个 sourceAddress，然后在 flatMap 一个StateMachineMapper。StateMachineMapper 就是一个状态机，状态机指有不同的状态与状态间有不同的转换关系的结合，以买东西的过程简单举例。首先下订单，订单生成后状态为待付款，当再来一个事件状态付款成功，则事件的状态将会从待付款变为已付款，待发货。已付款，待发货的状态再来一个事件发货，订单状态将会变为配送中，配送中的状态再来一个事件签收，则该订单的状态就变为已签收。在整个过程中，随时都可以来一个事件，取消订单，无论哪个状态，一旦触发了取消订单事件最终就会将状态转移到已取消，至此状态就结束了。
Flink 写状态机是如何实现的？首先这是一个 RichFlatMapFunction，要用 Keyed State getRuntimeContext，getRuntimeContext 的过程中需要 RichFunction，所以需要在 open 方法中获取 currentState ，然后 getState，currentState 保存的是当前状态机上的状态。
如果刚下订单，那么 currentState 就是待付款状态，初始化后，currentState 就代表订单完成。订单来了后，就会走 flatMap 这个方法，在 flatMap 方法中，首先定义一个 State，从 currentState 取出，即 Value，Value 取值后先判断值是否为空，如果 sourceAddress state 是空，则说明没有被使用过，那么此状态应该为刚创建订单的初始状态，即待付款。然后赋值 state = State.Initial，注意此处的 State 是本地的变量，而不是 Flink 中管理的状态，将它的值从状态中取出。接下来在本地又会来一个变量，然后 transition，将事件对它的影响加上，刚才待付款的订单收到付款成功的事件，就会变成已付款，待发货，然后 nextState 即可算出。此外，还需要判断 State 是否合法，比如一个已签收的订单，又来一个状态叫取消订单，会发现已签收订单不能被取消，此时这个状态就会下发，订单状态为非法状态。
如果不是非法的状态，还要看该状态是否已经无法转换，比如这个状态变为已取消时，就不会在有其他的状态再发生了，此时就会从 state 中 clear。clear 是所有的 Flink 管理 keyed state 都有的公共方法，意味着将信息删除，如果既不是一个非法状态也不是一个结束状态，后面可能还会有更多的转换，此时需要将订单的当前状态 update ，这样就完成了 ValueState 的初始化、取值、更新以及清零，在整个过程中状态机的作用就是将非法的状态进行下发，方便下游进行处理。其他的状态也是类似的使用方式。
三. 容错机制与故障恢复
1. 状态如何保存及恢复
Flink 状态保存主要依靠 Checkpoint 机制，Checkpoint 会定时制作分布式快照，对程序中的状态进行备份。分布式快照是如何实现的可以参考【第二课时】的内容，这里就不再阐述分布式快照具体是如何实现的。分布式快照 Checkpoint 完成后，当作业发生故障了如何去恢复？假如作业分布跑在 3 台机器上，其中一台挂了。这个时候需要把进程或者线程移到 active 的 2 台机器上，此时还需要将整个作业的所有 Task 都回滚到最后一次成功 Checkpoint 中的状态，然后从该点开始继续处理。
如果要从 Checkpoint 恢复，必要条件是数据源需要支持数据重新发送。Checkpoint恢复后， Flink 提供两种一致性语义，一种是恰好一次，一种是至少一次。在做 Checkpoint时，可根据 Barries 对齐来判断是恰好一次还是至少一次，如果对齐，则为恰好一次，否则没有对齐即为至少一次。如果只有一个上游，也就是说 Barries 是不需要对齐的的；如果只有一个 Checkpoint 在做，不管什么时候从 Checkpoint 恢复，都会恢复到刚才的状态；如果有多个上游，假如一个上游的 Barries 到了，另一个 Barries 还没有来，如果这个时候对状态进行快照，那么从这个快照恢复的时候其中一个上游的数据可能会有重复。
Checkpoint 通过代码的实现方法如下：
首先从作业的运行环境 env.enableCheckpointing 传入 1000，意思是做 2 个 Checkpoint 的事件间隔为 1 秒。Checkpoint 做的越频繁，恢复时追数据就会相对减少，同时 Checkpoint 相应的也会有一些 IO 消耗。
接下来是设置 Checkpoint 的 model，即设置了 Exactly_Once 语义，表示需要 Barrier 对齐，这样可以保证消息不会丢失也不会重复。
setMinPauseBetweenCheckpoints 是 2 个 Checkpoint 之间最少是要等 500ms，也就是刚做完一个 Checkpoint。比如某个 Checkpoint 做了700ms，按照原则过 300ms 应该是做下一个 Checkpoint，因为设置了 1000ms 做一次 Checkpoint 的，但是中间的等待时间比较短，不足 500ms 了，需要多等 200ms，因此以这样的方式防止 Checkpoint 太过于频繁而导致业务处理的速度下降。
setCheckpointTimeout 表示做 Checkpoint 多久超时，如果 Checkpoint 在 1min 之内尚未完成，说明 Checkpoint 超时失败。
setMaxConcurrentCheckpoints 表示同时有多少个 Checkpoint 在做快照，这个可以根据具体需求去做设置。
enableExternalizedCheckpoints 表示下 Cancel 时是否需要保留当前的 Checkpoint，默认 Checkpoint 会在整个作业 Cancel 时被删除。Checkpoint 是作业级别的保存点。
上面讲过，除了故障恢复之外，还需要可以手动去调整并发重新分配这些状态。手动调整并发，必须要重启作业并会提示 Checkpoint 已经不存在，那么作业如何恢复数据？
一方面 Flink 在 Cancel 时允许在外部介质保留 Checkpoint ；另一方面，Flink 还有另外一个机制是 SavePoint。
Savepoint 与 Checkpoint 类似，同样是把状态存储到外部介质。当作业失败时，可以从外部恢复。Savepoint 与 Checkpoint 有什么区别呢？
从触发管理方式来讲，Checkpoint 由 Flink 自动触发并管理，而 Savepoint 由用户手动触发并人肉管理；
从用途来讲，Checkpoint 在 Task 发生异常时快速恢复，例如网络抖动或超时异常，而 Savepoint 有计划地进行备份，使作业能停止后再恢复，例如修改代码、调整并发；
最后从特点来讲，Checkpoint 比较轻量级，作业出现问题会自动从故障中恢复，在作业停止后默认清除；而 Savepoint 比较持久，以标准格式存储，允许代码或配置发生改变，恢复需要启动作业手动指定一个路径恢复。
2. 可选的状态存储方式
Checkpoint 的存储，第一种是内存存储，即 MemoryStateBackend，构造方法是设置最大的StateSize，选择是否做异步快照，这种存储状态本身存储在 TaskManager 节点也就是执行节点内存中的，因为内存有容量限制，所以单个 State maxStateSize 默认 5 M，且需要注意 maxStateSize <= akka.framesize 默认 10 M。Checkpoint 存储在 JobManager 内存中，因此总大小不超过 JobManager 的内存。推荐使用的场景为：本地测试、几乎无状态的作业，比如 ETL、JobManager 不容易挂，或挂掉影响不大的情况。不推荐在生产场景使用。
另一种就是在文件系统上的 FsStateBackend ，构建方法是需要传一个文件路径和是否异步快照。State 依然在 TaskManager 内存中，但不会像 MemoryStateBackend 有 5 M 的设置上限，Checkpoint 存储在外部文件系统（本地或 HDFS），打破了总大小 Jobmanager 内存的限制。容量限制上，单 TaskManager 上 State 总量不超过它的内存，总大小不超过配置的文件系统容量。推荐使用的场景、常规使用状态的作业、例如分钟级窗口聚合或 join、需要开启HA的作业。
还有一种存储为 RocksDBStateBackend ，RocksDB 是一个 key/value 的内存存储系统，和其他的 key/value 一样，先将状态放到内存中，如果内存快满时，则写入到磁盘中，但需要注意 RocksDB 不支持同步的 Checkpoint，构造方法中没有同步快照这个选项。不过 RocksDB 支持增量的 Checkpoint，也是目前唯一增量 Checkpoint 的 Backend，意味着并不需要把所有 sst 文件上传到 Checkpoint 目录，仅需要上传新生成的 sst 文件即可。它的 Checkpoint 存储在外部文件系统（本地或HDFS），其容量限制只要单个 TaskManager 上 State 总量不超过它的内存+磁盘，单 Key最大 2G，总大小不超过配置的文件系统容量即可。推荐使用的场景为：超大状态的作业，例如天级窗口聚合、需要开启 HA 的作业、最好是对状态读写性能要求不高的作业。
四. 总结
1. 为什么要使用状态？
前面提到有状态的作业要有有状态的逻辑，有状态的逻辑是因为数据之间存在关联，单条数据是没有办法把所有的信息给表现出来。所以需要通过状态来满足业务逻辑。
2.为什么要管理状态？
使用了状态，为什么要管理状态？因为实时作业需要7*24不间断的运行，需要应对不可靠的因素而带来的影响。
3.如何选择状态的类型和存储方式？
那如何选择状态的类型和存储方式？结合前面的内容，可以看到，首先是要分析清楚业务场景；比如想要做什么，状态到底大不大。比较各个方案的利弊，选择根据需求合适的状态类型和存储方式即可。
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