Flink1.11究竟有哪些易用性上的改善
本篇文章给大家分享的是有关Flink 1.11 究竟有哪些易用性上的改善,小编觉得挺实用的,因此分享给大家学习,希望大家阅读完这篇文章后可以有所收获,话不多说,跟着小编一起来看看吧。
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7月7日,Flink 1.11.0 正式发布了,作为这个版本的 release manager 之一,我想跟大家分享一下其中的经历感受以及一些代表性 feature 的解读。在进入深度解读前,我们先简单了解下社区发布的一般流程,帮助大家更好的理解和参与 Flink 社区的工作。
Flink 1.11.0 从 3 月初的功能规划到 7 月初的正式发布,历经了差不多 4 个月的时间,对 Flink 的生态、易用性、生产可用性、稳定性等方面都进行了增强和改善,下面将一一跟大家分享。Flink 1.11.0 从 Feature 冻结后发布了 4 次 Candidate 才最终通过。经统计,一共有 236 个贡献者参与了这次版本开发,解决了 1474 个 Jira 问题,涉及 30 多个 FLIP,提交了 2325 个 Commit。纵观近五次版本发布,可以看出从 1.9.0 开始 Flink 进入了一个快速发展阶段,各个维度指标相比之前都有了几乎翻倍的提高。也是从 1.9.0 开始阿里巴巴内部的 Blink 项目开始被开源 Flink 整合,到 1.10.0 经过两个大版本已经全部整合完毕,对 Flink 从生态建设、功能性、性能和生产稳定性上都有了大幅的增强。
Flink 1.11.0 版本的最初定位是重点解决易用性问题,提升用户业务的生产使用体验,整体上不做大的架构调整和功能开发,倾向于快速迭代的小版本开发。但是从上面统计的各个指标来看,所谓的“小版本”在各个维度的数据也丝毫不逊色于前两个大版本,解决问题的数量和参与的贡献者人数也在持续增加,其中来自中国的贡献者比例达到 62%。下面我们会深度剖析 Flink 1.11.0 带来了哪些让大家期待已久的特性,从用户直接使用的 API 层一直到执行引擎层,我们都会选择一些有代表性的 Feature 从不同维度解读,更完整的 Feature 列表请大家关注发布的 Release Blog。这两个维度在某种程度上是相辅相成的,很难严格区分开,生态兼容上的缺失常常造成使用上的不便,提升易用性的过程往往也是不断完善相关生态的过程。在这方面用户感知最明显的应该就是 Table & SQL API 层面的使用。1 Table & SQL 支持 Change Data Capture(CDC)CDC 被广泛使用在复制数据、更新缓存、微服务间同步数据、审计日志等场景,很多公司都在使用开源的 CDC 工具,如 MySQL CDC。通过 Flink 支持在 Table & SQL 中接入和解析 CDC 是一个强需求,在过往的很多讨论中都被提及过,可以帮助用户以实时的方式处理 Changelog 流,进一步扩展 Flink 的应用场景,例如把 MySQL 中的数据同步到 PG 或 ElasticSearch 中,低延时的 Temporal Join 一个 Changelog 等。除了考虑到上面的真实需求,Flink 中定义的“Dynamic Table”概念在流上有两种模型:Append 模式和 Update 模式。通过 Append 模式把流转化为“Dynamic Table”在之前的版本中已经支持,因此在 1.11.0 中进一步支持 Update 模式也从概念层面完整的实现了“Dynamic Table”。为了支持解析和输出 Changelog,如何在外部系统和 Flink 系统之间编解码这些更新操作是首要解决的问题。考虑到 Source 和 Sink 是衔接外部系统的一个桥梁,因此 FLIP-95 在定义全新的 Table Source 和 Table Sink 接口时解决了这个问题。在公开的 CDC 调研报告中,Debezium 和 Canal 是用户中最流行使用的 CDC 工具,这两种工具用来同步 Changelog 到其它的系统中,如消息队列。据此,FLIP-105 首先支持了 Debezium 和 Canal 这两种格式,而且 Kafka Source 也已经可以支持解析上述格式并输出更新事件,在后续的版本中会进一步支持 Avro(Debezium) 和 Protobuf(Canal)。CREATE TABLE my_table ( ...) WITH ( 'connector'='...', -- e.g. 'kafka' 'format'='debezium-json', 'debezium-json.schema-include'='true' -- default: false (Debezium can be configured to include or exclude the message schema) 'debezium-json.ignore-parse-errors'='true' -- default: false);
2 Table & SQL 支持 JDBC Catalog1.11.0 之前,用户如果依赖 Flink 的 Source/Sink 读写关系型数据库或读取 Changelog 时,必须要手动创建对应的 Schema。而且当数据库中的 Schema 发生变化时,也需要手动更新对应的 Flink 作业以保持一致和类型匹配,任何不匹配都会造成运行时报错使作业失败。用户经常抱怨这个看似冗余且繁琐的流程,体验极差。实际上对于任何和 Flink 连接的外部系统都可能有类似的上述问题,在 1.11.0 中重点解决了和关系型数据库对接的这个问题。FLIP-93 提供了 JDBC catalog 的基础接口以及 Postgres catalog 的实现,这样方便后续实现与其它类型的关系型数据库的对接。1.11.0 版本后,用户使用 Flink SQL 时可以自动获取表的 Schema 而不再需要输入 DDL。除此之外,任何 Schema 不匹配的错误都会在编译阶段提前进行检查报错,避免了之前运行时报错造成的作业失败。这是提升易用性和用户体验的一个典型例子。从 1.9.0 版本开始 Flink 从生态角度致力于集成 Hive,目标打造批流一体的 Hive 数仓。经过前两个版本的迭代,已经达到了 Batch 兼容且生产可用,在 TPC-DS 10T Benchmark 下性能达到 Hive 3.0 的 7 倍以上。1.11.0 在 Hive 生态中重点实现了实时数仓方案,改善了端到端流式 ETL 的用户体验,达到了批流一体 Hive 数仓的目标。同时在兼容性、性能、易用性方面也进一步进行了加强。在实时数仓的解决方案中,凭借 Flink 的流式处理优势做到实时读写 Hive:- Hive 写入:FLIP-115 完善扩展了 FileSystem Connector 的基础能力和实现,Table/SQL 层的 sink 可以支持各种格式(CSV、Json、Avro、Parquet、ORC),而且支持 Hive Table 的所有格式。
- Partition 支持:数据导入 Hive 引入 Partition 提交机制来控制可见性,通过sink.partition-commit.trigger 控制 Partition 提交的时机,通过 sink.partition-commit.policy.kind 选择提交策略,支持 SUCCESS 文件和 Metastore 提交。
- Hive 读取:实时化的流式读取 Hive,通过监控 Partition 生成增量读取新 Partition,或者监控文件夹内新文件生成来增量读取新文件。
- FLIP-123 通过 Hive Dialect 为用户提供语法兼容,这样用户无需在 Flink 和 Hive 的 CLI 之间切换,可以直接迁移 Hive 脚本到 Flink 中执行。
- 提供 Hive 相关依赖的内置支持,避免用户自己下载所需的相关依赖。现在只需要单独下载一个包,配置 HADOOP_CLASSPATH 就可以运行。
在 Hive 性能方面,1.10.0 中已经支持了 ORC(Hive 2+)的向量化读取,1.11.0 中我们补全了所有版本的 Parquet 和 ORC 向量化支持来提升性能。前面也提到过,Source 和 Sink 是 Flink 对接外部系统的一个桥梁,对于完善生态、可用性及端到端的用户体验是很重要的环节。社区早在一年前就已经规划了 Source 端的彻底重构,从 FLIP-27 的 ID 就可以看出是很早的一个 Feature。但是由于涉及到很多复杂的内部机制和考虑到各种 Source Connector 的实现,设计上需要考虑的很全面。从 1.10.0 就开始做 POC 的实现,最终赶上了 1.11.0 版本的发布。- 对用户而言,在 Flink 中改造已有的 Source 或者重新实现一个生产级的 Source Connector 不是一件容易的事情,具体体现在没有公共的代码可以复用,而且需要理解很多 Flink 内部细节以及实现具体的 Event Time 分配、Watermark 产出、Idleness 监测、线程模型等。
- Partitions/Splits/Shards 概念在接口中没有显式表达,比如 Split 的发现逻辑和数据消费都耦合在 Source Sunction 的实现中,这样在实现 Kafka 或 Kinesis 类型的 Source 时增加了复杂性。
- 在 Runtime 执行层,Checkpoint 锁被 Source Function 抢占会带来一系列问题,框架很难进行优化。
- 首先在 Job Manager 和 Task Manager 中分别引入两种不同的组件 Split Enumerator 和 Source Reader,解耦 Split 发现和对应的消费处理,同时方便随意组合不同的策略。比如现有的 Kafka Connector 中有多种不同的 Partition 发现策略和实现耦合在一起,在新的架构下,我们只需要实现一种 Source Reader,就可以适配多种 Split Enumerator 的实现来对应不同的 Partition 发现策略。
- 在新架构下实现的 Source Connector 可以做到批流统一,唯一的小区别是对批场景的有限输入,Split Enumerator 会产出固定数量的 Split 集合并且每个 Split 都是有限数据集;对于流场景的无限输入,Split Enumerator 要么产出无限多的 Split 或者 Split 自身是无限数据集。
- 复杂的 Timestamp Assigner 以及 Watermark Generator 透明的内置在 Source Reader 模块内运行,对用户来说是无感知的。这样用户如果想实现新的 Source Connector,一般不再需要重复实现这部分功能。
目前 Flink 已有的 Source Connector 会在后续的版本中基于新架构来重新实现,Legacy Source 也会继续维护几个版本保持兼容性,用户也可以按照 Release 文档中的说明来尝试体验新 Source 的开发。众所周知,Python 语言在机器学习和数据分析领域有着广泛的使用。Flink 从 1.9.0 版本开始发力兼容 Python 生态,Python 和 Flink 合力为 PyFlink,把 Flink 的实时分布式处理能力输出给 Python 用户。前两个版本 PyFlink 已经支持了 Python Table API 和 UDF,在 1.11.0 中扩大对 Python 生态库 Pandas 的支持以及和 SQL DDL/Client 的集成,同时 Python UDF 性能有了极大的提升。具体来说,之前普通的 Python UDF 每次调用只能处理一条数据,而且在 Java 端和 Python 端都需要序列化/反序列化,开销很大。1.11.0 中 Flink 支持在 Table & SQL 作业中自定义和使用向量化 Python UDF,用户只需要在 UDF 修饰中额外增加一个参数 udf_type=“pandas” 即可。这样带来的好处是:- 数据格式基于 Apache Arrow,大大降低了 Java、Python 进程之间的序列化/反序列化开销。
- 方便 Python 用户基于 Numpy 和 Pandas 等数据分析领域常用的 Python 库,开发高性能的 Python UDF。
除此之外,1.11.0 中 PyFlink 还支持:- PyFlink table 和 Pandas DataFrame 之间无缝切换(FLIP-120),增强 Pandas 生态的易用性和兼容性。
- Table & SQL 中可以定义和使用 Python UDTF(FLINK-14500),不再必需 Java/Scala UDTF。
- Cython 优化 Python UDF 的性能(FLIP-121),对比 1.10.0 可以提升 30 倍。
- Python UDF 中用户自定义 Metric(FLIP-112),方便监控和调试 UDF 的执行。
上述解读的都是侧重 API 层面,用户开发作业可以直接感知到的易用性的提升。下面我们看看执行引擎层在 1.11.0 中都有哪些值得关注的变化。1 支持 Application 模式和 Kubernetes 增强1.11.0 版本前,Flink 主要支持如下两种模式运行:- Session 模式:提前启动一个集群,所有作业都共享这个集群的资源运行。优势是避免每个作业单独启动集群带来的额外开销,缺点是隔离性稍差。如果一个作业把某个 Task Manager(TM)容器搞挂,会导致这个容器内的所有作业都跟着重启。虽然每个作业有自己独立的 Job Manager(JM)来管理,但是这些 JM 都运行在一个进程中,容易带来负载上的瓶颈。
- Per-job 模式:为了解决 Session 模式隔离性差的问题,每个作业根据资源需求启动独立的集群,每个作业的 JM 也是运行在独立的进程中,负载相对小很多。
以上两种模式的共同问题是需要在客户端执行用户代码,编译生成对应的 Job Graph 提交到集群运行。在这个过程需要下载相关 Jar 包并上传到集群,客户端和网络负载压力容易成为瓶颈,尤其当一个客户端被多个用户共享使用。1.11.0 中引入了 Application 模式(FLIP-85)来解决上述问题,按照 Application 粒度来启动一个集群,属于这个 Application 的所有 Job 在这个集群中运行。核心是 Job Graph 的生成以及作业的提交不在客户端执行,而是转移到 JM 端执行,这样网络下载上传的负载也会分散到集群中,不再有上述 Client 单点上的瓶颈。用户可以通过 bin/flink run-application 来使用 Application 模式,目前 Yarn 和 Kubernetes(K8s)都已经支持这种模式。Yarn application 会在客户端将运行作业需要的依赖都通过 Yarn Local Resource 传递到 JM。K8s Application 允许用户构建包含用户 Jar 与依赖的镜像,同时会根据作业自动创建 TM,并在结束后销毁整个集群,相比 Session 模式具有更好的隔离性。K8s 不再有严格意义上的 Per-Job 模式,Application 模式相当于 Per-Job 在集群进行提交作业的实现。除了支持 Application 模式,Flink 原生 K8s 在 1.11.0 中还完善了很多基础的功能特性(FLINK-14460),以达到生产可用性的标准。例如 Node Selector、Label、Annotation、Toleration 等。为了更方便的与 Hadoop 集成,也支持根据环境变量自动挂载 Hadoop 配置的功能。2 Checkpoint & Savepoint 优化Checkpoint 和 Savepoint 机制一直是 Flink 保持先进性的核心竞争力之一,社区在这个领域的改动很谨慎,最近的几个大版本中几乎没有大的功能和架构上的调整。在用户邮件列表中,我们经常能看到用户反馈和抱怨的相关问题:比如 Checkpoint 长时间做不出来失败,Savepoint 在作业重启后不可用等等。1.11.0 有选择的解决了一些这方面的常见问题,提高生产可用性和稳定性。1.11.0 之前, Savepoint 中 Meta 数据和 State 数据分别保存在两个不同的目录中,这样如果想迁移 State 目录很难识别这种映射关系,也可能导致目录被误删除,对于目录清理也同样有麻烦。1.11.0 把两部分数据整合到一个目录下,这样方便整体转移和复用。另外,之前 Meta 引用 State 采用的是绝对路径,这样 State 目录迁移后路径发生变化也不可用,1.11.0 把 State 引用改成了相对路径解决了这个问题(FLINK-5763),这样 Savepoint 的管理维护、复用更加灵活方便。实际生产环境中,用户经常遭遇 Checkpoint 超时失败、长时间不能完成带来的困扰。一旦作业 failover 会造成回放大量的历史数据,作业长时间没有进度,端到端的延迟增加。1.11.0 从不同维度对 Checkpoint 的优化和提速做了改进,目标实现分钟甚至秒级的轻量型 Checkpoint。首先,增加了 Checkpoint Coordinator 通知 Task 取消 Checkpoint 的机制(FLINK-8871),这样避免 Task 端还在执行已经取消的 Checkpoint 而对系统带来不必要的压力。同时 Task 端放弃已经取消的 Checkpoint,可以更快的参与执行 Coordinator 新触发的 Checkpoint,某种程度上也可以避免新 Checkpoint 再次执行超时而失败。这个优化也对后面默认开启 Local Recovery 提供了便利,Task 端可以及时清理失效 Checkpoint 的资源。其次,在反压场景下,整个数据链路堆积了大量 Buffer,导致 Checkpoint Barrier 排在数据 Buffer 后面,不能被 Task 及时处理对齐,也就导致了 Checkpoint 长时间不能执行。1.11.0 中从两个维度对这个问题进行解决:1)尝试减少数据链路中的 Buffer 总量(FLINK-16428),这样 Checkpoint Barrier 可以尽快被处理对齐。- 上游输出端控制单个 Sub Partition 堆积 Buffer 的最大阈值(Backlog),避免负载不均场景下单个链路上堆积大量 Buffer。
- 在不影响网络吞吐性能的情况下合理修改上下游默认的 Buffer 配置。
- 上下游数据传输的基础协议进行了调整,允许单个数据链路可以配置 0 个独占 Buffer 而不死锁,这样总的 Buffer 数量和作业并发规模解耦。根据实际需求在吞吐性能和 Checkpoint 速度两者之间权衡,自定义 Buffer 配比。
这个优化有一部分工作已经在 1.11.0 中完成,剩余部分会在下个版本继续推进完成。2)实现了全新的 Unaligned Checkpoint 机制(FLIP-76)从根本上解决了反压场景下 Checkpoint Barrier 对齐的问题。实际上这个想法早在 1.10.0 版本之前就开始酝酿设计,由于涉及到很多模块的大改动,实现机制和线程模型也很复杂。我们实现了两种不同方案的原型 POC 进行了测试、性能对比,确定了最终的方案,因此直到 1.11.0 才完成了 MVP 版本,这也是 1.11.0 中执行引擎层唯一的一个重量级 Feature。其基本思想可以概括为:- Checkpoint Barrier 跨数据 Buffer 传输,不在输入输出队列排队等待处理,这样就和算子的计算能力解耦,Barrier 在节点之间的传输只有网络延时,可以忽略不计。
- 每个算子多个输入链路之间不需要等待 Barrier 对齐来执行 Checkpoint,第一个到的 Barrier 就可以提前触发 Checkpoint,这样可以进一步提速 Checkpoint,不会因为个别链路的延迟而影响整体。
Unaligned Checkpoint 在反压严重的场景下可以明显加速 Checkpoint 的完成时间,因为它不再依赖于整体的计算吞吐能力,而和系统的存储性能更加相关,相当于计算和存储的解耦。但是它的使用也有一定的局限性,它会增加整体 State 的大小,对存储 IO 带来额外的开销,因此在 IO 已经是瓶颈的场景下就不太适合使用 Unaligned Checkpoint 机制。1.11.0 中 Unaligned Checkpoint 还没有作为默认模式,需要用户手动配置来开启,并且只在 Exactly-Once 模式下生效。但目前还不支持 Savepoint 模式,因为 Savepoint 涉及到作业的 Rescale 场景,Channel State 目前还不支持 State 拆分,在后面的版本会进一步支持,所以 Savepoint 目前还是会使用之前的 Aligned 模式,在反压场景下有可能需要很长时间才能完成。Flink 1.11.0 版本的开发过程中,我们看到越来越多来自中国的贡献者参与到核心功能的开发中,见证了 Flink 在中国的生态发展越来越繁荣,比如来自腾讯公司的贡献者参与了 K8s、Checkpoint 等功能开发,来自字节跳动公司的贡献者参与了 Table & SQL 层以及引擎网络层的一些开发。希望更多的公司能够参与到 Flink 开源社区中,分享在不同领域的经验,使 Flink 开源技术一直保持先进性,能够普惠到更多的受众。以上就是Flink 1.11 究竟有哪些易用性上的改善,小编相信有部分知识点可能是我们日常工作会见到或用到的。希望你能通过这篇文章学到更多知识。更多详情敬请关注创新互联行业资讯频道。
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