【Flink入门修炼】2-2 Flink State 状态

• 什么是状态？状态有什么作用？
• 如果你来设计，对于一个流式服务，如何根据不断输入的数据计算呢？
• 又如何做故障恢复呢？

一、为什么要管理状态

流计算不像批计算，数据是持续流入的，而不是一个确定的数据集。在进行计算的时候，不可能把之前已经输入的数据全都保存下来，然后再和新数据合并计算。效率低下不说，内存也扛不住。
另外，如果程序出现故障重启，没有之前计算过的状态保存，那么也就无法再继续计算了。

因此，就需要一个东西来记录各个算子之前已经计算过值的结果，当有新数据来的时候，直接在这个结果上计算更新。这个就是状态。

常见的流处理状态功能如下：

• 数据流中的数据有重复，我们想对重复数据去重，需要记录哪些数据已经流入过应用，当新数据流入时，根据已流入过的数据来判断去重。
• 检查输入流是否符合某个特定的模式，需要将之前流入的元素以状态的形式缓存下来。比如，判断一个温度传感器数据流中的温度是否在持续上升。
• 对一个时间窗口内的数据进行聚合分析，分析一个小时内某项指标的75分位或99分位的数值。
• 在线机器学习场景下，需要根据新流入数据不断更新机器学习的模型参数。

二、state 简介

Flink的状态是由算子的子任务来创建和管理的。一个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。

状态的保存：
需要考虑的问题：

• container 异常后，状态不丢
• 状态可能越来越大

因此，状态不能直接放在内存中，以上两点问题都无法保证。
需要有一个外部持久化存储方式，常见的如放到 HDFS 中。（此部分读者感兴趣可自行搜索资料探索）

三、Flink 状态类型

一）Managed State 和 Raw State

• 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（较少用到）。

在 Flink 中推荐用户使用Managed State管理状态数据 ，主要原因是 Managed State 能够更好地支持状态数据的重平衡以及更加完善的内存管理。

下文将重点介绍Managed State。

二）Keyed State 和 Operator State

Managed State 又有两种类型：Keyed State 和 Operator State。

Keyed State

简单来说，通过 keyBy 分组的就会用到 Keyed State。就是按照分组来的状态。（Keyed State 是Operator State的特例，区别在于 Keyed State 事先按照 key 对数据集进行了分区，每个 Key State 仅对应ー个Operator和 Key 的组合。）

Keyed State可以通过 Key Groups 进行管理，主要用于当算子并行度发生变化时，自动重新分布Keyed State数据 。分配代码如下：

// KeyGroupRangeAssignment.java
    public static int computeKeyGroupForKeyHash(int keyHash, int maxParallelism) {
		return MathUtils.murmurHash(keyHash) % maxParallelism;
	}

Operator State

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。
例如 Kafka Connector 中，每一个并行的 Kafka Consumer 都在 Operator State 中维护当前 Consumer 订阅的 partiton 和 offset。

三）Flink 实现类

在开发中，需要保存的状态也有不同的数据结构，那么 Flink 也提供了相应的类。
如上图所示：

• ValueState[T] 保存单一变量状态
• MapState[K, V] 同 java map，保存 kv 型状态
• ListState[T] 数组类型状态
• ReducingState[T] 单一状态，将原状态和新状态合并后再更新
• AggregatingState[IN, OUT] 同样是合并更新，只不过前后数据类型可以不一样

四、实践

实现一个简单的计数窗口。
输入数据是一个元组 Tuple2.of(1L, 3L)，把元组的第一个元素当作 key（在示例中都 key 都是 “1”），第二个元素当 value。
该函数将出现的次数以及总和存储在 ValueState 中。 一旦出现次数达到 2，则将平均值发送到下游，并清除状态重新开始。 请注意，我们会为每个不同的 key（元组中第一个元素）保存一个单独的值。

public class CountWindowAverage extends RichFlatMapFunction<Tuple2<Long, Long>, Tuple2<Long, Long>> {

    /**
     * The ValueState handle. The first field is the count, the second field a running sum.
     */
    private transient ValueState<Tuple2<Long, Long>> sum;

    @Override
    public void flatMap(Tuple2<Long, Long> input, Collector<Tuple2<Long, Long>> out) throws Exception {

        // access the state value
        Tuple2<Long, Long> currentSum = sum.value();

        // update the count
        currentSum.f0 += 1;

        // add the second field of the input value
        currentSum.f1 += input.f1;

        // update the state
        sum.update(currentSum);

        // if the count reaches 2, emit the average and clear the state
        if (currentSum.f0 >= 2) {
            out.collect(new Tuple2<>(input.f0, currentSum.f1 / currentSum.f0));
            sum.clear();
        }
    }

    @Override
    public void open(Configuration config) {
        ValueStateDescriptor<Tuple2<Long, Long>> descriptor =
                new ValueStateDescriptor<>(
                        "average", // the state name
                        TypeInformation.of(new TypeHint<Tuple2<Long, Long>>() {}), // type information
                        Tuple2.of(0L, 0L)); // default value of the state, if nothing was set
        sum = getRuntimeContext().getState(descriptor);
    }
}

// this can be used in a streaming program like this (assuming we have a StreamExecutionEnvironment env)
env.fromElements(Tuple2.of(1L, 3L), Tuple2.of(1L, 5L), Tuple2.of(1L, 7L), Tuple2.of(1L, 4L), Tuple2.of(1L, 2L))
        .keyBy(value -> value.f0)
        .flatMap(new CountWindowAverage())
        .print();

// the printed output will be (1,4) and (1,5)

四、小结

本节我们介绍了 Flink 状态，是用于流式计算中中间数据存储和故障恢复的。
Flink 状态分为 Raw State 和 Manage State，其中 Manage State 中又包含 Keyed State 和 Operator State。最重要的是 Keyed State 要重点理解和掌握。
在编程开发过程中，针对不同的数据结构，Flink 提供了对应的 State 类。并提供了一个 state demo 代码供学习。

参考文章：
七、Flink入门--状态管理_flink流式任务如何保证7*24小时运行-CSDN博客
Flink状态管理详解：Keyed State和Operator List State深度解析
爆肝 3 月，3w 字、15 章节详解 Flink 状态管理！（建议收藏）-腾讯云开发者社区-腾讯云（较详细）
Flink 笔记二 Flink的State--状态原理及原理剖析_flink key state是每个key对应一个state还是每个分区对应一个state-CSDN博客（源码剖析）
Flink 状态管理详解（State TTL、Operator state、Keyed state）-腾讯云开发者社区-腾讯云
Flink 源码阅读笔记（10）- State 管理