Flink 中的时间和窗口_flink timescale

一、时间语义

1. Flink 中的时间语义

  对于一台机器而言，“时间”自然就是指系统时间。但我们知道，Flink 是一个分布式处理系统。分布式架构最大的特点，就是节点彼此独立、互不影响，这带来了更高的吞吐量和容错性；但有利必有弊，最大的问题也来源于此。
  在分布式系统中，节点“各自为政”，是没有统一时钟的，数据和控制信息都通过网络进行传输。比如现在有一个任务是窗口聚合，我们希望将每个小时的数据收集起来进行统计处理。而对于并行的窗口子任务，它们所在节点不同，系统时间也会有差异；当我们希望统计 8 点~9 点的数据时，对并行任务来说其实并不是“同时”的，收集到的数据也会有误差。
  那既然一个集群中有 JobManager 作为管理者，是不是让它统一向所有 TaskManager 发送同步时钟信号就行了呢？这也是不行的。因为网络传输会有延迟，而且这延迟是不确定的，所以 JobManager 发出的同步信号无法同时到达所有节点；想要拥有一个全局统一的时钟，在分布式系统里是做不到的。
  另一个麻烦的问题是，在流式处理的过程中，数据是在不同的节点间不停流动的，这同样也会有网络传输的延迟。这样一来，当上下游任务需要跨节点传输数据时，它们对于“时间” 的理解也会有所不同。例如，上游任务在 8 点 59 分 59 秒发出一条数据，到下游要做窗口计算时已经是 9 点零 1 秒了，那这条数据到底该不该被收到 8 点~9 点的窗口呢？
  所以，当我们希望对数据按照时间窗口来进行收集计算时，“时间”到底以谁为标准就非常重要了。

  我们重新梳理一下流式数据处理的过程。如图所示，在事件发生之后，生成的数据被收集起来，首先进入分布式消息队列，然后被 Flink 系统中的 Source 算子读取消费，进而向下游的转换算子（窗口算子）传递，最终由窗口算子进行计算处理。
  很明显，这里有两个非常重要的时间点：一个是数据产生的时间，我们把它叫作“事件时间”（Event Time）；另一个是数据真正被处理的时刻，叫作“处理时间”（Processing Time）。我们所定义的窗口操作，到底是以那种时间作为衡量标准，就是所谓的“时间语义”（Notions of Time）。由于分布式系统中网络传输的延迟和时钟漂移，处理时间相对事件发生的时间会有所滞后。

1.1 处理时间（Processing Time）

  处理时间的概念非常简单，就是指执行处理操作的机器的系统时间。
  如果我们以它作为衡量标准，那么数据属于哪个窗口就很明显了：只看窗口任务处理这条数据时，当前的系统时间。比如之前举的例子，数据 8 点 59 分 59 秒产生，而窗口计算时的时间是 9 点零 1 秒，那么这条数据就属于 9 点—10 点的窗口；如果数据传输非常快，9 点之前就到了窗口任务，那么它就属于 8 点—9 点的窗口了。每个并行的窗口子任务，就只按照自己的系统时钟划分窗口。假如我们在早上 8 点 10 分启动运行程序，那么接下来一直到 9 点以前处理的所有数据，都属于第一个窗口；9 点之后、10 点之前的所有数据就将属于第二个窗口。
  这种方法非常简单粗暴，不需要各个节点之间进行协调同步，也不需要考虑数据在流中的位置，简单来说就是“我的地盘听我的”。所以处理时间是最简单的时间语义。

1.2 事件时间（Event Time）

  事件时间，是指每个事件在对应的设备上发生的时间，也就是数据生成的时间。
数据一旦产生，这个时间自然就确定了，所以它可以作为一个属性嵌入到数据中。这其实就是这条数据记录的“时间戳”（Timestamp）。
  在事件时间语义下，我们对于时间的衡量，就不看任何机器的系统时间了，而是依赖于数据本身。打个比方，这相当于任务处理的时候自己本身是没有时钟的，所以只好来一个数据就问一下“现在几点了”；而数据本身也没有表，只有一个自带的“出厂时间”，于是任务就基于这个时间来确定自己的时钟。由于流处理中数据是源源不断产生的，一般来说，先产生的数据也会先被处理，所以当任务不停地接到数据时，它们的时间戳也基本上是不断增长的，就可以代表时间的推进。
  当然我们会发现，这里有个前提，就是“先产生的数据先被处理”，这要求我们可以保证数据到达的顺序。但是由于分布式系统中网络传输延迟的不确定性，实际应用中我们要面对的数据流往往是乱序的。在这种情况下，就不能简单地把数据自带的时间戳当作时钟了，而需要用另外的标志来表示事件时间进展，在 Flink 中把它叫作事件时间的“水位线”（Watermarks）。关于水位线的概念和用法，我们会稍后介绍。

1.3 两种时间语义的对比

  实际应用中，数据产生的时间和处理的时间可能是完全不同的。很长时间收集起来的数据， 处理或许只要一瞬间；也有可能数据量过大、处理能力不足，短时间堆了大量数据处理不完， 产生“背压”（back pressure）。
  通常来说，处理时间是我们计算效率的衡量标准，而事件时间会更符合我们的业务计算逻辑。所以更多时候我们使用事件时间；不过处理时间也不是一无是处。对于处理时间而言，由于没有任何附加考虑，数据一来就直接处理，因此这种方式可以让我们的流处理延迟降到最低， 效率达到最高。
但是我们前面提到过，在分布式环境中，处理时间其实是不确定的，各个并行任务时钟不统一；而且由于网络延迟，导致数据到达各个算子任务的时间有快有慢，对于窗口操作就可能收集不到正确的数据了，数据处理的顺序也会被打乱。这就会影响到计算结果的正确性。所以处理时间语义，一般用在对实时性要求极高、而对计算准确性要求不太高的场景。
  而在事件时间语义下，水位线成为了时钟，可以统一控制时间的进度。这就保证了我们总可以将数据划分到正确的窗口中，比如 8 点 59 分 59 秒产生的数据，无论网络传输的延迟是多少，它永远属于 8 点~9 点的窗口，不会错分。但我们知道数据还可能是乱序的，要想让窗口正确地收集到所有数据，就必须等这些错乱的数据都到齐，这就需要一定的等待时间。所以整体上看，事件时间语义是以一定延迟为代价，换来了处理结果的正确性。由于网络延迟一般只有毫秒级，所以即使是事件时间语义，同样可以完成低延迟实时流处理的任务。
  另外，除了事件时间和处理时间，Flink 还有一个“摄入时间”（Ingestion Time）的概念，它是指数据进入 Flink 数据流的时间，也就是 Source 算子读入数据的时间。摄入时间相当于是事件时间和处理时间的一个中和，它是把 Source 任务的处理时间，当作了数据的产生时间添加到数据里。这样一来，水位线（watermark）也就基于这个时间直接生成，不需要单独指定了。这种时间语义可以保证比较好的正确性，同时又不会引入太大的延迟。它的具体行为跟事件时间非常像，可以当作特殊的事件时间来处理。
  在 Flink 中，由于处理时间比较简单，早期版本默认的时间语义是处理时间；而考虑到事件时间在实际应用中更为广泛，从 1.12 版本开始，Flink 已经将事件时间作为了默认的时间语义。

二、水位线（Watermark）

1. 什么是水位线

  在事件时间语义下，我们不依赖系统时间，而是基于数据自带的时间戳去定义了一个时钟， 用来表示当前时间的进展。于是每个并行子任务都会有一个自己的逻辑时钟，它的前进是靠数据的时间戳来驱动的。
  但在分布式系统中，这种驱动方式又会有一些问题。因为数据本身在处理转换的过程中会变化，如果遇到窗口聚合这样的操作，其实是要攒一批数据才会输出一个结果，那么下游的数据就会变少，时间进度的控制就不够精细了。另外，数据向下游任务传递时，一般只能传输给一个子任务（除广播外），这样其他的并行子任务的时钟就无法推进了。例如一个时间戳为 9点整的数据到来，当前任务的时钟就已经是 9 点了；处理完当前数据要发送到下游，如果下游任务是一个窗口计算，并行度为 3，那么接收到这个数据的子任务，时钟也会进展到 9 点，9 点结束的窗口就可以关闭进行计算了；而另外两个并行子任务则时间没有变化，不能进行窗口计算。
  所以我们应该把时钟也以数据的形式传递出去，告诉下游任务当前时间的进展；而且这个时钟的传递不会因为窗口聚合之类的运算而停滞。一种简单的想法是，在数据流中加入一个时钟标记，记录当前的事件时间；这个标记可以直接广播到下游，当下游任务收到这个标记，就可以更新自己的时钟了。由于类似于水流中用来做标志的记号，在 Flink 中，这种用来衡量事件时间（Event Time）进展的标记，就被称作“水位线”（Watermark）。
  具体实现上，水位线可以看作一条特殊的数据记录，它是插入到数据流中的一个标记点， 主要内容就是一个时间戳，用来指示当前的事件时间。而它插入流中的位置，就应该是在某个数据到来之后；这样就可以从这个数据中提取时间戳，作为当前水位线的时间戳了。

  如图所示，每个事件产生的数据，都包含了一个时间戳，我们直接用一个整数表示。这里没有指定单位，可以理解为秒或者毫秒（方便起见，下面讲述统一认为是秒）。当产生于2 秒的数据到来之后，当前的事件时间就是 2 秒；在后面插入一个时间戳也为 2 秒的水位线，
  随着数据一起向下游流动。而当 5 秒产生的数据到来之后，同样在后面插入一个水位线，时间戳也为 5，当前的时钟就推进到了 5 秒。这样，如果出现下游有多个并行子任务的情形，我们只要将水位线广播出去，就可以通知到所有下游任务当前的时间进度了。
  水位线就像它的名字所表达的，是数据流中的一部分，随着数据一起流动，在不同任务之间传输。这看起来非常简单；接下来我们就进一步探讨一些复杂的状况。

1.1 有序流中的水位线

  在理想状态下，数据应该按照它们生成的先后顺序、排好队进入流中；也就是说，它们处理的过程会保持原先的顺序不变，遵守先来后到的原则。这样的话我们从每个数据中提取时间戳，就可以保证总是从小到大增长的，从而插入的水位线也会不断增长、事件时钟不断向前推进。
  实际应用中，如果当前数据量非常大，可能会有很多数据的时间戳是相同的，这时每来一条数据就提取时间戳、插入水位线就做了大量的无用功。而且即使时间戳不同，同时涌来的数据时间差会非常小（比如几毫秒），往往对处理计算也没什么影响。所以为了提高效率，一般会每隔一段时间生成一个水位线，这个水位线的时间戳，就是当前最新数据的时间戳，如图所示。所以这时的水位线，其实就是有序流中的一个周期性出现的时间标记。

  这里需要注意的是，水位线插入的“周期”，本身也是一个时间概念。在当前事件时间语义下，假如我们设定了每隔 100ms 生成一次水位线，那就是要等事件时钟推进 100ms 才能插入；但是事件时钟本身的进展，本身就是靠水位线来表示的——现在要插入一个水位线，可前提又是水位线要向前推进 100ms，这就陷入了死循环。所以对于水位线的周期性生成，周期时间是指处理时间（系统时间），而不是事件时间。

1.2 乱序流中的水位线

  有序流的处理非常简单，看起来水位线也并没有起到太大的作用。但这种情况只存在于理想状态下。我们知道在分布式系统中，数据在节点间传输，会因为网络传输延迟的不确定性， 导致顺序发生改变，这就是所谓的“乱序数据”。
  这里所说的“乱序”（out-of-order），是指数据的先后顺序不一致，主要就是基于数据的产生时间而言的。如图所示，一个 7 秒时产生的数据，生成时间自然要比 9 秒的数据早；但是经过数据缓存和传输之后，处理任务可能先收到了 9 秒的数据，之后 7 秒的数据才姗姗来迟。这时如果我们希望插入水位线，来指示当前的事件时间进展，又该怎么做呢？

最直观的想法自然是跟之前一样，我们还是靠数据来驱动，每来一个数据就提取它的时间戳、插入一个水位线。不过现在的情况是数据乱序，所以有可能新的时间戳比之前的还小，如果直接将这个时间的水位线再插入，我们的“时钟”就回退了——水位线就代表了时钟，时光不能倒流，所以水位线的时间戳也不能减小。
  解决思路也很简单：我们插入新的水位线时，要先判断一下时间戳是否比之前的大，否则就不再生成新的水位线，如图所示。也就是说，只有数据的时间戳比当前时钟大，才能推动时钟前进，这时才插入水位线。

  如果考虑到大量数据同时到来的处理效率，我们同样可以周期性地生成水位线。这时只需要保存一下之前所有数据中的最大时间戳，需要插入水位线时，就直接以它作为时间戳生成新的水位线，如图所示。

  这样做尽管可以定义出一个事件时钟，却也会带来一个非常大的问题：我们无法正确处理“迟到”的数据。在上面的例子中，当 9 秒产生的数据到来之后，我们就直接将时钟推进到了9 秒；如果有一个窗口结束时间就是 9 秒（比如，要统计 0~9 秒的所有数据），那么这时窗口就应该关闭、将收集到的所有数据计算输出结果了。但事实上，由于数据是乱序的，还可能有时间戳为 7 秒、8 秒的数据在 9 秒的数据之后才到来，这就是“迟到数据”（late data）。它们本来也应该属于 0~9 秒这个窗口，但此时窗口已经关闭，于是这些数据就被遗漏了，这会导致统计结果不正确。

  为了让窗口能够正确收集到迟到的数据，我们也可以等上 2 秒；也就是用当前已有数据的最大时间戳减去 2 秒，就是要插入的水位线的时间戳，如图 6-10 所示。这样的话，9 秒的数据到来之后，事件时钟不会直接推进到 9 秒，而是进展到了 7 秒；必须等到11 秒的数据到来之后，事件时钟才会进展到 9 秒，这时迟到数据也都已收集齐，0~9 秒的窗口就可以正确计算结果了。

  如果仔细观察就会看到，这种“等 2 秒”的策略其实并不能处理所有的乱序数据。比如
22 秒的数据到来之后，插入的水位线时间戳为 20，也就是当前时钟已经推进到了 20 秒；对于
10~20 秒的窗口，这时就该关闭了。但是之后又会有 17 秒的迟到数据到来，它本来应该属于10~20 秒窗口，现在却被遗漏丢弃了。那又该怎么办呢？
  既然现在等 2 秒还是等不到 17 秒产生的迟到数据，那自然我们可以试着多等几秒，也就是把时钟调得更慢一些。最终的目的，就是要让窗口能够把所有迟到数据都收进来，得到正确的计算结果。对应到水位线上，其实就是要保证，当前时间已经进展到了这个时间戳，在这之后不可能再有迟到数据来了。
下面是一个示例，我们可以使用周期性的方式生成正确的水位线。

  如图所示，第一个水位线时间戳为 7，它表示当前事件时间是 7 秒，7 秒之前的数据都已经到齐，之后再也不会有了；同样，第二个、第三个水位线时间戳分别为 12 和 20，表示11 秒、20 秒之前的数据都已经到齐，如果有对应的窗口就可以直接关闭了，统计的结果一定是正确的。这里由于水位线是周期性生成的，所以插入的位置不一定是在时间戳最大的数据后面。
  另外需要注意的是，这里一个窗口所收集的数据，并不是之前所有已经到达的数据。因为数据属于哪个窗口，是由数据本身的时间戳决定的，一个窗口只会收集真正属于它的那些数据。也就是说，上图中尽管水位线 W(20)之前有时间戳为 22 的数据到来，10~20 秒的窗口中也不会收集这个数据，进行计算依然可以得到正确的结果。关于窗口的原理，我们会在后面继续展开讲解。

1.3 水位线的特性

  现在我们可以知道，水位线就代表了当前的事件时间时钟，而且可以在数据的时间戳基础上加一些延迟来保证不丢数据，这一点对于乱序流的正确处理非常重要。
我们可以总结一下水位线的特性：

• 水位线是插入到数据流中的一个标记，可以认为是一个特殊的数据
• 水位线主要的内容是一个时间戳，用来表示当前事件时间的进展
• 水位线是基于数据的时间戳生成的
• 水位线的时间戳必须单调递增，以确保任务的事件时间时钟一直向前推进
• 水位线可以通过设置延迟，来保证正确处理乱序数据
• 一个水位线 Watermark(t)，表示在当前流中事件时间已经达到了时间戳 t, 这代表 t 之前的所有数据都到齐了，之后流中不会出现时间戳 t’ ≤ t 的数据

  水位线是 Flink 流处理中保证结果正确性的核心机制，它往往会跟窗口一起配合，完成对乱序数据的正确处理。关于这部分内容，我们会稍后进一步展开讲解。

2. 如何生成水位线

2.1 生成水位线的总体原则

  Flink 中的水位线，其实是流处理中对低延迟和结果正确性的一个权衡机制，而且把控制的权力交给了程序员，我们可以在代码中定义水位线的生成策略。

2.2 水位线生成策略（Watermark Strategies）

  在 Flink 的 DataStream API 中 ， 有 一 个 单 独 用 于 生 成 水 位 线 的 方法：.assignTimestampsAndWatermarks()，它主要用来为流中的数据分配时间戳，并生成水位线来指示事件时间：

public SingleOutputStreamOperator<T> assignTimestampsAndWatermarks(WatermarkStrategy<T> watermarkStrategy)
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具体使用时，直接用DataStream 调用该方法即可，与普通的 transform 方法完全一样。

DataStream<Event> stream = env.addSource(new ClickSource());
 DataStream<Event> withTimestampsAndWatermarks =
stream.assignTimestampsAndWatermarks(<watermark strategy>);
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  这里可能有疑惑：不是说数据里已经有时间戳了吗，为什么这里还要“分配”呢？这是因为原始的时间戳只是写入日志数据的一个字段，如果不提取出来并明确把它分配给数据， Flink 是无法知道数据真正产生的时间的。当然，有些时候数据源本身就提供了时间戳信息， 比如读取Kafka 时，我们就可以从 Kafka 数据中直接获取时间戳，而不需要单独提取字段分配了。

  .assignTimestampsAndWatermarks()方法需要传入一个 WatermarkStrategy 作为参数，这就是 所 谓 的 “** 水 位 线 生 成 策 略** ” 。 WatermarkStrategy 中 包 含 了 一 个 “ 时间戳分配器”TimestampAssigner 和一个“水位线生成器”WatermarkGenerator。

public interface WatermarkStrategy<T> extends TimestampAssignerSupplier<T>,WatermarkGeneratorSupplier<T>{

    @Override TimestampAssigner<T>
    createTimestampAssigner(TimestampAssignerSupplier.Context context);

    @Override WatermarkGenerator<T>
    createWatermarkGenerator(WatermarkGeneratorSupplier.Context context);
    }
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• TimestampAssigner：主要负责从流中数据元素的某个字段中提取时间戳，并分配给元素。时间戳的分配是生成水位线的基础。
• WatermarkGenerator： 主要负责按照既定的方式， 基于时间戳生成水位线。在WatermarkGenerator 接口中，主要又有两个方法：onEvent()和 onPeriodicEmit()。
• onEvent：每个事件（数据）到来都会调用的方法，它的参数有当前事件、时间戳， 以及允许发出水位线的一个 WatermarkOutput，可以基于事件做各种操作
• onPeriodicEmit：周期性调用的方法，可以由 WatermarkOutput 发出水位线。周期时间为处理时间，可以调用环境配置的.setAutoWatermarkInterval()方法来设置，默认为200ms。

2.3 Flink 内置水位线生成器

  WatermarkStrategy 这个接口是一个生成水位线策略的抽象，让我们可以灵活地实现自己的需求；但看起来有些复杂，如果想要自己实现应该还是比较麻烦的。好在 Flink 充分考虑到了我们的痛苦，提供了内置的水位线生成器（WatermarkGenerator），不仅开箱即用简化了编程，而且也为我们自定义水位线策略提供了模板。
  这两个生成器可以通过调用 WatermarkStrategy 的静态辅助方法来创建。它们都是周期性生成水位线的，分别对应着处理有序流和乱序流的场景。

（1） 有序流
  对于有序流，主要特点就是时间戳单调增长（Monotonously Increasing Timestamps），所以永远不会出现迟到数据的问题。这是周期性生成水位线的最简单的场景， 直接调用WatermarkStrategy.forMonotonousTimestamps()方法就可以实现。简单来说，就是直接拿当前最大的时间戳作为水位线就可以了。

stream.assignTimestampsAndWatermarks( WatermarkStrategy.<Event>forMonotonousTimestamps()
    .withTimestampAssigner(new SerializableTimestampAssigner<Event>(){
            @Override
            public long extractTimestamp(Event element, long recordTimestamp){
                return element.timestamp;
            }
        })
);
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  上面代码中我们调用.withTimestampAssigner()方法，将数据中的 timestamp 字段提取出来， 作为时间戳分配给数据元素；然后用内置的有序流水位线生成器构造出了生成策略。这样，提取出的数据时间戳，就是我们处理计算的事件时间。
&mesp; 这里需要注意的是，时间戳和水位线的单位，必须都是毫秒。

（2） 乱序流
  由于乱序流中需要等待迟到数据到齐，所以必须设置一个固定量的延迟时间（ Fixed Amount of Lateness）。这时生成水位线的时间戳，就是当前数据流中最大的时间戳减去延迟的结果，相当于把表调慢，当前时钟会滞后于数据的最大时间戳。调用 WatermarkStrategy. forBoundedOutOfOrderness()方法就可以实现。这个方法需要传入一个 maxOutOfOrderness 参数，表示“最大乱序程度”，它表示数据流中乱序数据时间戳的最大差值；如果我们能确定乱序程度，那么设置对应时间长度的延迟，就可以等到所有的乱序数据了。

// 将数据源改为socket文本流，并转换成Event类型
env.socketTextStream("localhost", 7777)
       .map(new MapFunction<String, Event>() {
           @Override
           public Event map(String value) throws Exception {
               String[] fields = value.split(",");
               return new Event(fields[0].trim(), fields[1].trim(), Long.valueOf(fields[2].trim()));
           }
       })
       // 插入水位线的逻辑
       .assignTimestampsAndWatermarks(
               // 针对乱序流插入水位线，延迟时间设置为5s
               WatermarkStrategy.<Event>forBoundedOutOfOrderness(Duration.ofSeconds(5))
                       .withTimestampAssigner(new SerializableTimestampAssigner<Event>() {
                           // 抽取时间戳的逻辑
                           @Override
                           public long extractTimestamp(Event element, long recordTimestamp) {
                               return element.timestamp;
                           }
                       })
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  上面代码中，我们同样提取了 timestamp 字段作为时间戳，并且以 5 秒的延迟时间创建了
处理乱序流的水位线生成器。
  事实上，有序流的水位线生成器本质上和乱序流是一样的，相当于延迟设为 0 的乱序流水位线生成器，两者完全等同：

WatermarkStrategy.forMonotonousTimestamps()
WatermarkStrategy.forBoundedOutOfOrderness(Duration.ofSeconds(0))
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  这里需要注意的是，乱序流中生成的水位线真正的时间戳，其实是 当前最大时间戳 – 延迟时间 – 1，这里的单位是毫秒。为什么要减 1 毫秒呢？我们可以回想一下水位线的特点：时间戳为 t 的水位线，表示时间戳≤t 的数据全部到齐，不会再来了。如果考虑有序流，也就是延迟时间为 0 的情况，那么时间戳为 7 秒的数据到来时，之后其实是还有可能继续来 7 秒的数据的；所以生成的水位线不是 7 秒，而是 6 秒 999 毫秒，7 秒的数据还可以继续来。这一点可以在BoundedOutOfOrdernessWatermarks 的源码中明显地看到：

public void onPeriodicEmit(WatermarkOutput output) {
	output.emitWatermark(new Watermark(maxTimestamp - outOfOrdernessMillis - 1));
}
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2.4 自定义水位线策略

  一般来说，Flink 内置的水位线生成器就可以满足应用需求了。不过有时我们的业务逻辑可能非常复杂，这时对水位线生成的逻辑也有更高的要求，我们就必须自定义实现水位线策略WatermarkStrategy 了。
  在 WatermarkStrategy 中，时间戳分配器 TimestampAssigner 都是大同小异的，指定字段提取时间戳就可以了；而不同策略的关键就在于 WatermarkGenerator 的实现。整体说来，Flink 有两种不同的生成水位线的方式：一种是周期性的（Periodic），另一种是断点式的（Punctuated）。还记得 WatermarkGenerator 接口中的两个方法吗？——onEvent()和 onPeriodicEmit()，前者是在每个事件到来时调用，而后者由框架周期性调用。周期性调用的方法中发出水位线，自然就是周期性生成水位线；而在事件触发的方法中发出水位线，自然就是断点式生成了。两种方式的不同就集中体现在这两个方法的实现上。

（1）周期性水位线生成器（Periodic Generator）
  周期性生成器一般是通过 onEvent()观察判断输入的事件，而在 onPeriodicEmit()里发出水位线。
下面是一段自定义周期性生成水位线的代码：

import com.atguigu.chapter05.ClickSource;
import com.atguigu.chapter05.Event;
import org.apache.flink.api.common.eventtime.*;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;

// 自定义水位线的产生
public class CustomWatermarkTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        env.setParallelism(1);

        env
                .addSource(new ClickSource())
                .assignTimestampsAndWatermarks(new CustomWatermarkStrategy())
                .print();

        env.execute();
    }

    public static class CustomWatermarkStrategy implements WatermarkStrategy<Event> {
        @Override
        public TimestampAssigner<Event> createTimestampAssigner(TimestampAssignerSupplier.Context context) {
            return new SerializableTimestampAssigner<Event>() {
                @Override
                public long extractTimestamp(Event element, long recordTimestamp) {
                    return element.timestamp; // 告诉程序数据源里的时间戳是哪一个字段
                }
            };
        }

        @Override
        public WatermarkGenerator<Event> createWatermarkGenerator(WatermarkGeneratorSupplier.Context context) {
            return new CustomPeriodicGenerator();
        }
    }

    public static class CustomPeriodicGenerator implements WatermarkGenerator<Event> {
        private Long delayTime = 5000L; // 延迟时间
        private Long maxTs = Long.MIN_VALUE + delayTime + 1L; // 观察到的最大时间戳

        @Override
        public void onEvent(Event event, long eventTimestamp, WatermarkOutput output) {
            // 每来一条数据就调用一次
            maxTs = Math.max(event.timestamp, maxTs); // 更新最大时间戳
        }

        @Override
        public void onPeriodicEmit(WatermarkOutput output) {
            // 发射水位线，默认200ms调用一次
            output.emitWatermark(new Watermark(maxTs - delayTime - 1L));
        }
    }
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  我们在 onPeriodicEmit()里调用 output.emitWatermark()，就可以发出水位线了；这个方法由系统框架周期性地调用，默认200ms一次。所以水位线的时间戳是依赖当前已有数据的最大时间戳的（这里的实现与内置生成器类似，也是减去延迟时间再减 1），但具体什么时候生成与数据无关。

（2）断点式水位线生成器（Punctuated Generator）
  断点式生成器会不停地检测 onEvent()中的事件，当发现带有水位线信息的特殊事件时， 就立即发出水位线。一般来说，断点式生成器不会通过 onPeriodicEmit()发出水位线。
自定义的断点式水位线生成器代码如下：

public class CustomPunctuatedGenerator implements WatermarkGenerator<Event> {
    @Override
    public void onEvent(Event r, long eventTimestamp, WatermarkOutput output) {
        // 只有在遇到特定的 itemId 时，才发出水位线
        if (r.user.equals("Mary")) {
            output.emitWatermark(new Watermark(r.timestamp - 1));
        }
    }

    @Override
    public void onPeriodicEmit(WatermarkOutput output) {
        // 不需要做任何事情，因为我们在 onEvent 方法中发射了水位线
    }
}
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  我们在 onEvent()中判断当前事件的 user 字段，只有遇到“Mary”这个特殊的值时，才调用output.emitWatermark()发出水位线。这个过程是完全依靠事件来触发的，所以水位线的生成一定在某个数据到来之后。

2.5 在自定义数据源中发送水位线

  我们也可以在自定义的数据源中抽取事件时间，然后发送水位线。这里要注意的是，在自定义数据源中发送了水位线以后，就不能再在程序中使用 assignTimestampsAndWatermarks 方法 来 生 成 水 位 线 了 。 在自定义数据源中生成水位线和在程序中使用assignTimestampsAndWatermarks 方法生成水位线二者只能取其一。示例程序如下：

import com.atguigu.chapter05.Event;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
import org.apache.flink.streaming.api.functions.source.SourceFunction;
import org.apache.flink.streaming.api.watermark.Watermark;


import java.util.Calendar;
import java.util.Random;

public class EmitWatermarkInSourceFunction {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        env.setParallelism(1);

        env.addSource(new ClickSourceWithWatermark()).print();

        env.execute();
    }

    // 泛型是数据源中的类型
    public static class ClickSourceWithWatermark implements SourceFunction<Event> {
        private boolean running = true;
        @Override
        public void run(SourceContext<Event> sourceContext) throws Exception {
            Random random = new Random();
            String[] userArr = {"Mary", "Bob", "Alice"};
            String[] urlArr  = {"./home", "./cart", "./prod?id=1"};
            while (running) {
                long currTs = Calendar.getInstance().getTimeInMillis(); // 毫秒时间戳
                String username = userArr[random.nextInt(userArr.length)];
                String url      = urlArr[random.nextInt(urlArr.length)];
                Event event = new Event(username, url, currTs);
                // 使用collectWithTimestamp方法将数据发送出去，并指明数据中的时间戳的字段
                sourceContext.collectWithTimestamp(event, event.timestamp);
                // 发送水位线
                sourceContext.emitWatermark(new Watermark(event.timestamp - 1L));
                Thread.sleep(1000L);
            }
        }

        @Override
        public void cancel() {
            running = false;
        }
    }
}
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  在自定义水位线中生成水位线相比 assignTimestampsAndWatermarks 方法更加灵活，可以任意的产生周期性的、非周期性的水位线，以及水位线的大小也完全由我们自定义。所以非常适合用来编写 Flink 的测试程序，测试 Flink 的各种各样的特性。

3. 水位线的传递

  我们知道水位线是数据流中插入的一个标记，用来表示事件时间的进展，它会随着数据一起在任务间传递。如果只是直通式（forward）的传输，那很简单，数据和水位线都是按照本身的顺序依次传递、依次处理的；一旦水位线到达了算子任务, 那么这个任务就会将它内部的时钟设为这个水位线的时间戳。
  在这里，“任务的时钟”其实仍然是各自为政的，并没有统一的时钟。实际应用中往往上下游都有多个并行子任务，为了统一推进事件时间的进展，我们要求上游任务处理完水位线、时钟改变之后，要把当前的水位线再次发出，广播给所有的下游子任务。这样，后续任务就不需要依赖原始数据中的时间戳（经过转化处理后，数据可能已经改变了），也可以知道当前事件时间了。
  可是还有另外一个问题，那就是在“重分区”（redistributing）的传输模式下，一个任务有可能会收到来自不同分区上游子任务的数据。而不同分区的子任务时钟并不同步，所以同一时刻发给下游任务的水位线可能并不相同。这时下游任务又该听谁的呢？
  这就要回到水位线定义的本质了：它表示的是“当前时间之前的数据，都已经到齐了”。这是一种保证，告诉下游任务“只要你接到这个水位线，就代表之后我不会再给你发更早的数据了，你可以放心做统计计算而不会遗漏数据”。所以如果一个任务收到了来自上游并行任务的不同的水位线，说明上游各个分区处理得有快有慢，进度各不相同比如上游有两个并行子任务都发来了水位线，一个是 5 秒，一个是 7 秒；这代表第一个并行任务已经处理完 5 秒之前的所有数据，而第二个并行任务处理到了 7 秒。那这时自己的时钟怎么确定呢？当然也要以“这之前的数据全部到齐”为标准。如果我们以较大的水位线 7 秒作为当前时间，那就表示“7 秒前的数据都已经处理完”，这显然不是事实——第一个上游分区才处理到 5 秒，5~7 秒的数据还会不停地发来；而如果以最小的水位线 5 秒作为当前时钟就不会有这个问题了，因为确实所有上游分区都已经处理完，不会再发 5 秒前的数据了。这让我们想到“木桶原理”：所有的上游并行任务就像围成木桶的一块块木板，它们中最短的那一块，决定了我们桶中的水位。

  我们可以用一个具体的例子，将水位线在任务间传递的过程完整梳理一遍。如图 6-12 所示，当前任务的上游，有四个并行子任务，所以会接收到来自四个分区的水位线；而下游有三个并行子任务，所以会向三个分区发出水位线。具体过程如下：
（1） 上游并行子任务发来不同的水位线，当前任务会为每一个分区设置一个“分区水位线”
（Partition Watermark），这是一个分区时钟；而当前任务自己的时钟，就是所有分区时钟里最小的那个。
（2） 当有一个新的水位线（第一分区的 4）从上游传来时，当前任务会首先更新对应的分区时钟；然后再次判断所有分区时钟中的最小值，如果比之前大，说明事件时间有了进展，当前任务的时钟也就可以更新了。这里要注意，更新后的任务时钟，并不一定是新来的那个分区水位线，比如这里改变的是第一分区的时钟，但最小的分区时钟是第三分区的 3，于是当前任务时钟就推进到了 3。当时钟有进展时，当前任务就会将自己的时钟以水位线的形式，广播给下游所有子任务。
（3） 再次收到新的水位线（第二分区的 7）后，执行同样的处理流程。首先将第二个分区时钟更新为 7，然后比较所有分区时钟；发现最小值没有变化，那么当前任务的时钟也不变，也不会向下游任务发出水位线。
（4） 同样道理，当又一次收到新的水位线（第三分区的 6）之后，第三个分区时钟更新为6，同时所有分区时钟最小值变成了第一分区的 4，所以当前任务的时钟推进到 4，并发出时间戳为 4 的水位线，广播到下游各个分区任务。
  水位线在上下游任务之间的传递，非常巧妙地避免了分布式系统中没有统一时钟的问题， 每个任务都以“处理完之前所有数据”为标准来确定自己的时钟，就可以保证窗口处理的结果总是正确的。对于有多条流合并之后进行处理的场景，水位线传递的规则是类似的。关于 Flink 中的多流转换，我们会在后续章节中介绍。

三、窗口

1. 窗口的概念

  Flink 是一种流式计算引擎，主要是来处理无界数据流的，数据源源不断、无穷无尽。想要更加方便高效地处理无界流，一种方式就是将无限数据切割成有限的“数据块”进行处理，这就是所谓的“窗口”（Window）。
  在 Flink 中, 窗口就是用来处理无界流的核心。我们很容易把窗口想象成一个固定位置的“框”，数据源源不断地流过来，到某个时间点窗口该关闭了，就停止收集数据、触发计算并输出结果。例如，我们定义一个时间窗口，每 10 秒统计一次数据，那么就相当于把窗口放在那里，从 0 秒开始收集数据；到 10 秒时，处理当前窗口内所有数据，输出一个结果，然后清空窗口继续收集数据；到 20 秒时，再对窗口内所有数据进行计算处理，输出结果；依次类推。

  这里注意为了明确数据划分到哪一个窗口，定义窗口都是包含起始时间、不包含结束时间的，用数学符号表示就是一个左闭右开的区间，例如 0~10 秒的窗口可以表示为[0, 10),这里单位为秒。
  在 Flink 中，窗口其实并不是一个“框”，流进来的数据被框住了就只能进这一个窗口。相比之下，我们应该把窗口理解成一个“桶”，如图所示。在 Flink 中，窗口可以把流切割成有限大小的多个“存储桶”（bucket)；每个数据都会分发到对应的桶中，当到达窗口结束时间时，就对每个桶中收集的数据进行计算处理。

  Flink 中窗口并不是静态准备好的，而是动态创建——当有落在这个窗口区间范围的数据达到时，才创建对应的窗口。另外，这里我们认为到达窗口结束时间时， 窗口就触发计算并关闭，事实上“触发计算”和“窗口关闭”两个行为也可以分开，这部分内容我们会在后面详述。

2. 窗口的分类

2.1 按照驱动类型分类

  窗口本身是截取有界数据的一种方式，所以窗口一个非常重要的信息其实就是“怎样截取数据”。换句话说，就是以什么标准来开始和结束数据的截取，我们把它叫作窗口的“驱动类型”。
  我们最容易想到的就是按照时间段去截取数据，这种窗口就叫作“时间窗口”（ Time Window）。这在实际应用中最常见，之前所举的例子也都是时间窗口。除了由时间驱动之外，窗口其实也可以由数据驱动，也就是说按照固定的个数，来截取一段数据集，这种窗口叫作“计数窗口”（Count Window），如图所示。

（1）时间窗口（Time Window）
  时间窗口以时间点来定义窗口的开始（start）和结束（end），所以截取出的就是某一时间段的数据。到达结束时间时，窗口不再收集数据，触发计算输出结果，并将窗口关闭销毁。所以可以说基本思路就是“定点发车”。
  用结束时间减去开始时间，得到这段时间的长度，就是窗口的大小（window size）。这里的时间可以是不同的语义，所以我们可以定义处理时间窗口和事件时间窗口。
  Flink 中有一个专门的类来表示时间窗口，名称就叫作 TimeWindow。这个类只有两个私有属性：start 和 end，表示窗口的开始和结束的时间戳，单位为毫秒。

private final long start;
private final long end;
1
2

  我们可以调用公有的getStart()和 getEnd()方法直接获取这两个时间戳。另外，TimeWindow还提供了一个 maxTimestamp()方法，用来获取窗口中能够包含数据的最大时间戳。

public long maxTimestamp() { 
	return end - 1;
}
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2
3

  很明显，窗口中的数据，最大允许的时间戳就是 end - 1，这也就代表了我们定义的窗口时间范围都是左闭右开的区间[start，end)。
  为什么不把窗口区间定义成左开右闭、包含上结束时间呢？这样maxTimestamp 跟 end 一致，不就可以省去一个方法的定义吗？
  这主要是为了方便判断窗口什么时候关闭。对于事件时间语义，窗口的关闭需要水位线推进到窗口的结束时间；而我们知道，水位线 Watermark(t)代表的含义是“时间戳小于等于 t 的数据都已到齐，不会再来了”。为了简化分析，我们先不考虑乱序流设置的延迟时间。那么当新到一个时间戳为 t 的数据时，当前水位线的时间推进到了 t – 1（还记得乱序流里生成水位线的减一操作吗？）。所以当时间戳为 end 的数据到来时，水位线推进到了 end - 1；如果我们把窗口定义为不包含 end，那么当前的水位线刚好就是 maxTimestamp，表示窗口能够包含的数据都已经到齐，我们就可以直接关闭窗口了。所以有了这样的定义，我们就不需要再去考虑那烦人的“减一”了，直接看到时间戳为 end 的数据，就关闭对应的窗口。如果为乱序流设置了水位线延迟时间 delay，也只需要等到时间戳为 end + delay 的数据，就可以关窗了。
（2）计数窗口（Count Window）
  计数窗口基于元素的个数来截取数据，到达固定的个数时就触发计算并关闭窗口。这相当于座位有限、“人满就发车”，是否发车与时间无关。每个窗口截取数据的个数，就是窗口的大小。
  计数窗口相比时间窗口就更加简单，我们只需指定窗口大小，就可以把数据分配到对应的窗口中了。在 Flink 内部也并没有对应的类来表示计数窗口，底层是通过“全局窗口”（Global Window）来实现的。关于全局窗口，我们稍后讲解。

2.2 按照窗口分配数据的规则分类

  时间窗口和计数窗口，只是对窗口的一个大致划分；在具体应用时，还需要定义更加精细的规则，来控制数据应该划分到哪个窗口中去。不同的分配数据的方式，就可以有不同的功能应用。
  根据分配数据的规则，窗口的具体实现可以分为 4 类：滚动窗口（Tumbling Window）、滑动窗口（Sliding Window）、会话窗口（Session Window），以及全局窗口（Global Window）。下面我们来做具体介绍。

（1）滚动窗口（Tumbling Windows）

  滚动窗口有固定的大小，是一种对数据进行“均匀切片”的划分方式。窗口之间没有重叠， 也不会有间隔，是“首尾相接”的状态。如果我们把多个窗口的创建，看作一个窗口的运动， 那就好像它在不停地向前“翻滚”一样。这是最简单的窗口形式，我们之前所举的例子都是滚动窗口。也正是因为滚动窗口是“无缝衔接”，所以每个数据都会被分配到一个窗口，而且只会属于一个窗口。
  滚动窗口可以基于时间定义，也可以基于数据个数定义；需要的参数只有一个，就是窗口的大小（window size）。比如我们可以定义一个长度为 1 小时的滚动时间窗口，那么每个小时就会进行一次统计；或者定义一个长度为 10 的滚动计数窗口，就会每 10 个数进行一次统计。

  如图所示，小圆点表示流中的数据，我们对数据按照 userId 做了分区。当固定了窗口大小之后，所有分区的窗口划分都是一致的；窗口没有重叠，每个数据只属于一个窗口。
  滚动窗口应用非常广泛，它可以对每个时间段做聚合统计，很多BI 分析指标都可以用它来实现。

（2）滑动窗口（Sliding Windows）

  与滚动窗口类似，滑动窗口的大小也是固定的。区别在于，窗口之间并不是首尾相接的， 而是可以“错开”一定的位置。如果看作一个窗口的运动，那么就像是向前小步“滑动”一样。
  既然是向前滑动，那么每一步滑多远，就也是可以控制的。所以定义滑动窗口的参数有两个：除去窗口大小（window size）之外，还有一个“滑动步长”（window slide），它其实就代表了窗口计算的频率。滑动的距离代表了下个窗口开始的时间间隔，而窗口大小是固定的，所以也就是两个窗口结束时间的间隔；窗口在结束时间触发计算输出结果，那么滑动步长就代表了计算频率。例如，我们定义一个长度为 1 小时、滑动步长为 5 分钟的滑动窗口，那么就会统计 1 小时内的数据，每 5 分钟统计一次。同样，滑动窗口可以基于时间定义，也可以基于数据个数定义。

  我们可以看到，当滑动步长小于窗口大小时，滑动窗口就会出现重叠，这时数据也可能会被同时分配到多个窗口中。而具体的个数，就由窗口大小和滑动步长的比值（size/slide）来决定。如图所示，滑动步长刚好是窗口大小的一半，那么每个数据都会被分配到 2 个窗口里。比如我们定义的窗口长度为 1 小时、滑动步长为 30 分钟，那么对于 8 点 55 分的数据，应该同时属于[8 点, 9 点)和[8 点半, 9 点半)两个窗口；而对于 8 点 10 分的数据，则同时属于[8点, 9 点)和[7 点半, 8 点半)两个窗口。
  所以，滑动窗口其实是固定大小窗口的更广义的一种形式；换句话说，滚动窗口也可以看作是一种特殊的滑动窗口——窗口大小等于滑动步长（size = slide）。当然，我们也可以定义滑动步长大于窗口大小，这样的话就会出现窗口不重叠、但会有间隔的情况；这时有些数据不属于任何一个窗口，就会出现遗漏统计。所以一般情况下，我们会让滑动步长小于窗口大小， 并尽量设置为整数倍的关系。
  在一些场景中，可能需要统计最近一段时间内的指标，而结果的输出频率要求又很高，甚至要求实时更新，比如股票价格的 24 小时涨跌幅统计，或者基于一段时间内行为检测的异常报警。这时滑动窗口无疑就是很好的实现方式。

（3）会话窗口（Session Windows）

  会话窗口顾名思义，是基于“会话”（session）来来对数据进行分组的。这里的会话类似 Web 应用中 session 的概念，不过并不表示两端的通讯过程，而是借用会话超时失效的机制来描述窗口。简单来说，就是数据来了之后就开启一个会话窗口，如果接下来还有数据陆续到来， 那么就一直保持会话；如果一段时间一直没收到数据，那就认为会话超时失效，窗口自动关闭。这就好像我们打电话一样，如果时不时总能说点什么，那说明还没聊完；如果陷入了尴尬的沉默，半天都没话说，那自然就可以挂电话了。
  与滑动窗口和滚动窗口不同，会话窗口只能基于时间来定义，而没有“会话计数窗口”的概念。这很好理解，“会话”终止的标志就是“隔一段时间没有数据来”，如果不依赖时间而改成个数，就成了“隔几个数据没有数据来”，这完全是自相矛盾的说法。
  而同样是基于这个判断标准，这“一段时间”到底是多少就很重要了，必须明确指定。对于会话窗口而言，最重要的参数就是这段时间的长度（size），它表示会话的超时时间，也就是两个会话窗口之间的最小距离。如果相邻两个数据到来的时间间隔（Gap）小于指定的大小（size），那说明还在保持会话，它们就属于同一个窗口；如果 gap 大于 size，那么新来的数据就应该属于新的会话窗口，而前一个窗口就应该关闭了。在具体实现上，我们可以设置静态固定的大小（size），也可以通过一个自定义的提取器（gap extractor）动态提取最小间隔 gap 的值。
  考虑到事件时间语义下的乱序流，这里又会有一些麻烦。相邻两个数据的时间间隔 gap 大于指定的 size，我们认为它们属于两个会话窗口，前一个窗口就关闭；可在数据乱序的情况下，可能会有迟到数据，它的时间戳刚好是在之前的两个数据之间的。这样一来，之前我们判断的间隔中就不是“一直没有数据”，而缩小后的间隔有可能会比 size 还要小——这代表三个数据本来应该属于同一个会话窗口。
  所以在 Flink 底层，对会话窗口的处理会比较特殊：每来一个新的数据，都会创建一个新的会话窗口；然后判断已有窗口之间的距离，如果小于给定的 size，就对它们进行合并（merge） 操作。在Window 算子中，对会话窗口会有单独的处理逻辑。

（4）全局窗口（Global Windows）

  还有一类比较通用的窗口，就是“全局窗口”。这种窗口全局有效，会把相同 key 的所有数据都分配到同一个窗口中；说直白一点，就跟没分窗口一样。无界流的数据永无止尽，所以这种窗口也没有结束的时候，默认是不会做触发计算的。如果希望它能对数据进行计算处理， 还需要自定义“触发器”（Trigger）。

3. 窗口API 概览

3.1 按键分区（Keyed）和非按键分区（Non-Keyed）

  在定义窗口操作之前，首先需要确定，到底是基于按键分区（Keyed）的数据流 KeyedStream来开窗，还是直接在没有按键分区的 DataStream 上开窗。也就是说，在调用窗口算子之前， 是否有 keyBy 操作。
（1）按键分区窗口（Keyed Windows）
  经过按键分区keyBy 操作后，数据流会按照key 被分为多条逻辑流（logical streams），这就是 KeyedStream。基于 KeyedStream 进行窗口操作时, 窗口计算会在多个并行子任务上同时执行。相同 key 的数据会被发送到同一个并行子任务，而窗口操作会基于每个 key 进行单独的处理。所以可以认为，每个 key 上都定义了一组窗口，各自独立地进行统计计算。
  在代码实现上，我们需要先对 DataStream 调用.keyBy() 进行按键分区， 然后再调用.window()定义窗口。

stream.keyBy(...)
	.window(...)
1
2

（2）非按键分区（Non-Keyed Windows）
  如果没有进行 keyBy，那么原始的 DataStream 就不会分成多条逻辑流。这时窗口逻辑只能在一个任务（task）上执行，就相当于并行度变成了 1。所以在实际应用中一般不推荐使用这种方式。
  在代码中，直接基于 DataStream 调用.windowAll()定义窗口。

这里需要注意的是，对于非按键分区的窗口操作，手动调大窗口算子的并行度也是无效的，windowAll 本身就是一个非并行的操作。

3.2 代码中窗口 API 的调用

  有了前置的基础，接下来我们就可以真正在代码中实现一个窗口操作了。简单来说，窗口操作主要有两个部分：窗口分配器（Window Assigners）和窗口函数（Window Functions）。

stream.keyBy(<key selector>)
	.window(<window assigner>)
	.aggregate(<window function>)
1
2
3

  其中.window()方法需要传入一个窗口分配器，它指明了窗口的类型；而后面的.aggregate() 方法传入一个窗口函数作为参数，它用来定义窗口具体的处理逻辑。窗口分配器有各种形式， 而窗口函数的调用方法也不只.aggregate()一种，我们接下来就详细展开讲解。
  另外，在实际应用中，一般都需要并行执行任务，非按键分区很少用到，所以我们之后都以按键分区窗口为例；如果想要实现非按键分区窗口，只要前面不做 keyBy，后面调用.window()时直接换成.windowAll()就可以了。

4. 窗口分配器（Window Assigners）

  定义窗口分配器（Window Assigners）是构建窗口算子的第一步，它的作用就是定义数据应该被“分配”到哪个窗口。窗口分配数据的规则，其实就对应着不同的窗口类型。所以可以说，窗口分配器其实就是在指定窗口的类型。
  窗口分配器最通用的定义方式，就是调用.window() 方法。这个方法需要传入一个WindowAssigner 作为参数，返回 WindowedStream。如果是非按键分区窗口，那么直接调用.windowAll()方法，同样传入一个WindowAssigner，返回的是 AllWindowedStream。
  窗口按照驱动类型可以分成时间窗口和计数窗口，而按照具体的分配规则，又有滚动窗口、滑动窗口、会话窗口、全局窗口四种。除去需要自定义的全局窗口外，其他常用的类型 Flink 中都给出了内置的分配器实现，我们可以方便地调用实现各种需求。

4.1 时间窗口

  时间窗口是最常用的窗口类型，又可以细分为滚动、滑动和会话三种。
  在较早的版本中，可以直接调用.timeWindow()来定义时间窗口；这种方式非常简洁，但使用事件时间语义时需要另外声明，程序员往往因为忘记这点而导致运行结果错误。所以在1.12 版本之后，这种方式已经被弃用了，标准的声明方式就是直接调用.window()，在里面传入对应时间语义下的窗口分配器。这样一来，我们不需要专门定义时间语义，默认就是事件时间；如果想用处理时间，那么在这里传入处理时间的窗口分配器就可以了。下面我们列出了每种情况的代码实现。

（1）滚动处理时间窗口

  窗口分配器由类TumblingProcessingTimeWindows 提供，需要调用它的静态方法.of()。

stream.keyBy(...)
.window(TumblingProcessingTimeWindows.of(Time.seconds(5)))
.aggregate(...)
1
2
3

  这里.of()方法需要传入一个 Time 类型的参数 size，表示滚动窗口的大小，我们这里创建了一个长度为 5 秒的滚动窗口。
  另外，.of()还有一个重载方法，可以传入两个 Time 类型的参数：size 和 offset。第一个参数当然还是窗口大小，第二个参数则表示窗口起始点的偏移量。这里需要多做一些解释：对于我们之前的定义，滚动窗口其实只有一个 size 是不能唯一确定的。比如我们定义 1 天的滚动窗口，从每天的 0 点开始计时是可以的，统计的就是一个自然日的所有数据；而如果从每天的凌晨 2 点开始计时其实也完全没问题，只不过统计的数据变成了每天 2 点到第二天 2 点。这个起始点的选取，其实对窗口本身的类型没有影响；而为了方便应用，默认的起始点时间戳是窗口大小的整倍数。也就是说，如果我们定义 1 天的窗口，默认就从 0 点开始；如果定义 1 小时的窗口，默认就从整点开始。而如果我们非要不从这个默认值开始，那就可以通过设置偏移量offset 来调整。
  这个功能好像没什么用，非要弄个偏移量不是给自己找别扭吗？这其实是有实际用途的。我们知道，不同国家分布在不同的时区。标准时间戳其实就是1970 年 1 月 1 日 0 时 0 分 0 秒 0 毫秒开始计算的一个毫秒数，而这个时间是以 UTC 时间，也就是 0 时区（伦敦时间）为标准的。我们所在的时区是东八区，也就是 UTC+8，跟 UTC 有 8 小时的时差。我们定义 1 天滚动窗口时，如果用默认的起始点，那么得到就是伦敦时间每天 0点开启窗口，这时是北京时间早上 8 点。那怎样得到北京时间每天 0 点开启的滚动窗口呢？只要设置-8 小时的偏移量就可以了：

.window(TumblingProcessingTimeWindows.of(Time.days(1), Time.hours(-8)))  
1

（2）滑动处理时间窗口

窗口分配器由类 SlidingProcessingTimeWindows 提供，同样需要调用它的静态方法.of()。

stream.keyBy(...)
	.window(SlidingProcessingTimeWindows.of(Time.seconds(10), Time.seconds(5)))
	.aggregate(...)
1
2
3

  这里.of()方法需要传入两个 Time 类型的参数：size 和 slide，前者表示滑动窗口的大小， 后者表示滑动窗口的滑动步长。我们这里创建了一个长度为 10 秒、滑动步长为 5 秒的滑动窗口。
  滑动窗口同样可以追加第三个参数，用于指定窗口起始点的偏移量，用法与滚动窗口完全一致。

（3）处理时间会话窗口

  窗口分配器由类 ProcessingTimeSessionWindows 提供，需要调用它的静态方法.withGap() 或者.withDynamicGap()。

stream.keyBy(...)
	.window(ProcessingTimeSessionWindows.withGap(Time.seconds(10)))
	.aggregate(...)
1
2
3

  这里.withGap()方法需要传入一个 Time 类型的参数 size，表示会话的超时时间，也就是最小间隔 session gap。我们这里创建了静态会话超时时间为 10 秒的会话窗口。

.window(ProcessingTimeSessionWindows.withDynamicGap(new SessionWindowTimeGapExtractor<Tuple2<String, Long>>() {
        @Override
        public long extract(Tuple2<String, Long> element) {
            // 提取 session gap 值返回, 单位毫秒
            return element.f0.length() * 1000;
        }
    }))
1
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3
4
5
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7

  这里.withDynamicGap()方法需要传入一个 SessionWindowTimeGapExtractor 作为参数，用来定义 session gap 的动态提取逻辑。在这里，我们提取了数据元素的第一个字段，用它的长度乘以 1000 作为会话超时的间隔。

（4）滚动事件时间窗口

窗口分配器由类TumblingEventTimeWindows 提供，用法与滚动处理事件窗口完全一致。

stream.keyBy(...)
.window(TumblingEventTimeWindows.of(Time.seconds(5)))
.aggregate(...)
1
2
3

这里.of()方法也可以传入第二个参数 offset，用于设置窗口起始点的偏移量。

（5）滑动事件时间窗口

窗口分配器由类SlidingEventTimeWindows提供，用法与滑动处理事件窗口完全一致。

stream.keyBy(...)
.window(SlidingEventTimeWindows.of(Time.seconds(10), Time.seconds(5)))
.aggregate(...)
1
2
3

（6）事件时间会话窗口

窗口分配器由类EventTimeSessionWindows 提供，用法与处理事件会话窗口完全一致。

stream.keyBy(...)
.window(EventTimeSessionWindows.withGap(Time.seconds(10)))
.aggregate(...)
1
2
3

4.2 计数窗口

  计数窗口概念非常简单，本身底层是基于全局窗口（Global Window）实现的。Flink 为我们提供了非常方便的接口：直接调用.countWindow()方法。根据分配规则的不同，又可以分为滚动计数窗口和滑动计数窗口两类，下面我们就来看它们的具体实现。

（1）滚动计数窗口

滚动计数窗口只需要传入一个长整型的参数 size，表示窗口的大小。

stream.keyBy(...)
.countWindow(10)
1
2

  我们定义了一个长度为 10 的滚动计数窗口，当窗口中元素数量达到 10 的时候，就会触发计算执行并关闭窗口。

（2）滑动计数窗口

与滚动计数窗口类似，不过需要在.countWindow()调用时传入两个参数：size 和 slide，前者表示窗口大小，后者表示滑动步长。

stream.keyBy(...)
.countWindow(10，3)
1
2

我们定义了一个长度为 10、滑动步长为 3 的滑动计数窗口。每个窗口统计 10 个数据，每隔 3 个数据就统计输出一次结果。

4.3 全局窗口

  全局窗口是计数窗口的底层实现，一般在需要自定义窗口时使用。它的定义同样是直接调用.window()，分配器由GlobalWindows 类提供。

stream.keyBy(...)
.window(GlobalWindows.create());
1
2

需要注意使用全局窗口，必须自行定义触发器才能实现窗口计算，否则起不到任何作用。

5. 窗口函数（Window Functions）

  定义了窗口分配器，我们只是知道了数据属于哪个窗口，可以将数据收集起来了；至于收集起来到底要做什么，其实还完全没有头绪。所以在窗口分配器之后，必须再接上一个定义窗口如何进行计算的操作，这就是所谓的“窗口函数”（window functions）。
  经窗口分配器处理之后，数据可以分配到对应的窗口中，而数据流经过转换得到的数据类型是 WindowedStream。这个类型并不是 DataStream，所以并不能直接进行其他转换，而必须进一步调用窗口函数，对收集到的数据进行处理计算之后，才能最终再次得到 DataStream。

  窗口函数定义了要对窗口中收集的数据做的计算操作，根据处理的方式可以分为两类：增量聚合函数和全窗口函数。

5.1 增量聚合函数（incremental aggregation functions）

  窗口将数据收集起来，最基本的处理操作当然就是进行聚合。窗口对无限流的切分，可以看作得到了一个有界数据集。如果我们等到所有数据都收集齐，在窗口到了结束时间要输出结果的一瞬间再去进行聚合，显然就不够高效了——这相当于真的在用批处理的思路来做实时流处理。
  为了提高实时性，我们可以再次将流处理的思路发扬光大：就像 DataStream 的简单聚合一样，每来一条数据就立即进行计算，中间只要保持一个简单的聚合状态就可以了；区别只是在于不立即输出结果，而是要等到窗口结束时间。等到窗口到了结束时间需要输出计算结果的时候，我们只需要拿出之前聚合的状态直接输出，这无疑就大大提高了程序运行的效率和实时性。
  典型的增量聚合函数有两个：ReduceFunction 和AggregateFunction。

（1）归约函数（ReduceFunction）

  最基本的聚合方式就是归约（reduce）。我们在基本转换的聚合算子中介绍过 reduce 的用法，窗口的归约聚合也非常类似，就是将窗口中收集到的数据两两进行归约。当我们进行流处理时，就是要保存一个状态；每来一个新的数据，就和之前的聚合状态做归约，这样就实现了增量式的聚合。
  窗口函数中也提供了 ReduceFunction：只要基于 WindowedStream 调用.reduce()方法，然后传入 ReduceFunction 作为参数，就可以指定以归约两个元素的方式去对窗口中数据进行聚合了。这里的 ReduceFunction 其实与简单聚合时用到的 ReduceFunction 是同一个函数类接口， 所以使用方式也是完全一样的。
  我们回忆一下，ReduceFunction 中需要重写一个 reduce 方法，它的两个参数代表输入的两个元素，而归约最终输出结果的数据类型，与输入的数据类型必须保持一致。也就是说，中间聚合的状态和输出的结果，都和输入的数据类型是一样的。
下面是使用ReduceFunction 进行增量聚合的代码示例。

import com.atguigu.chapter05.ClickSource;
import com.atguigu.chapter05.Event;
import org.apache.flink.api.common.eventtime.SerializableTimestampAssigner;
import org.apache.flink.api.common.eventtime.WatermarkStrategy;
import org.apache.flink.api.common.functions.MapFunction;
import org.apache.flink.api.common.functions.ReduceFunction;
import org.apache.flink.api.java.tuple.Tuple2;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.SingleOutputStreamOperator;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
import org.apache.flink.streaming.api.windowing.assigners.TumblingEventTimeWindows;
import org.apache.flink.streaming.api.windowing.assigners.TumblingProcessingTimeWindows;
import org.apache.flink.streaming.api.windowing.time.Time;

import java.time.Duration;

public class WindowReduceTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        env.setParallelism(1);


        // 从自定义数据源读取数据，并提取时间戳、生成水位线
        SingleOutputStreamOperator<Event> stream = env.addSource(new ClickSource())
                .assignTimestampsAndWatermarks(WatermarkStrategy.<Event>forBoundedOutOfOrderness(Duration.ZERO)
                        .withTimestampAssigner(new SerializableTimestampAssigner<Event>() {
                            @Override
                            public long extractTimestamp(Event element, long recordTimestamp) {
                                return element.timestamp;
                            }
                        }));          stream.map(new MapFunction<Event, Tuple2<String, Long>>() {
                    @Override
                    public Tuple2<String, Long> map(Event value) throws Exception {
                        // 将数据转换成二元组，方便计算
                        return Tuple2.of(value.user, 1L);
                    }
                })
                .keyBy(r -> r.f0)
                // 设置滚动事件时间窗口
                .window(TumblingEventTimeWindows.of(Time.seconds(5)))
                .reduce(new ReduceFunction<Tuple2<String, Long>>() {
                    @Override
                    public Tuple2<String, Long> reduce(Tuple2<String, Long> value1, Tuple2<String, Long> value2) throws Exception {
                        // 定义累加规则，窗口闭合时，向下游发送累加结果
                        return Tuple2.of(value1.f0, value1.f1 + value2.f1);
                    }
                })
                .print();

        env.execute();
    }
}
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运行结果形式如下：

(Alice,2)
(Mary,2)
...
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  代码中我们对每个用户的行为数据进行了开窗统计。与 word count 逻辑类似，首先将数据转换成(user, count)的二元组形式（类型为 Tuple2<String, Long>），每条数据对应的初始 count值都是 1；然后按照用户 id 分组，在处理时间下开滚动窗口，统计每 5 秒内的用户行为数量。对于窗口的计算，我们用 ReduceFunction 对 count 值做了增量聚合：窗口中会将当前的总 count 值保存成一个归约状态，每来一条数据，就会调用内部的 reduce 方法，将新数据中的 count 值叠加到状态上，并得到新的状态保存起来。等到了 5 秒窗口的结束时间，就把归约好的状态直接输出。
  这里需要注意，我们经过窗口聚合转换输出的数据，数据类型依然是二元组 Tuple2<String, Long>。

（2）聚合函数（AggregateFunction）

  ReduceFunction 可以解决大多数归约聚合的问题，但是这个接口有一个限制，就是聚合状态的类型、输出结果的类型都必须和输入数据类型一样。这就迫使我们必须在聚合前，先将数据转换（map）成预期结果类型；而在有些情况下，还需要对状态进行进一步处理才能得到输出结果，这时它们的类型可能不同，使用 ReduceFunction 就会非常麻烦。
  例如，如果我们希望计算一组数据的平均值，应该怎样做聚合呢？很明显，这时我们需要计算两个状态量：数据的总和（sum），以及数据的个数（count），而最终输出结果是两者的商（sum/count）。如果用 ReduceFunction，那么我们应该先把数据转换成二元组(sum, count)的形式，然后进行归约聚合，最后再将元组的两个元素相除转换得到最后的平均值。本来应该只是一个任务，可我们却需要map-reduce-map 三步操作，这显然不够高效。
  于是自然可以想到，如果取消类型一致的限制，让输入数据、中间状态、输出结果三者类型都可以不同，不就可以一步直接搞定了吗？
  Flink 的 Window API 中的 aggregate 就提供了这样的操作。直接基于 WindowedStream 调用.aggregate() 方法， 就可以定义更加灵活的窗口聚合操作。这个方法需要传入一个AggregateFunction 的实现类作为参数。AggregateFunction 在源码中的定义如下：

public interface AggregateFunction<IN, ACC, OUT> extends Function, Serializable{
    ACC createAccumulator();
    ACC add(IN value, ACC accumulator);
    OUT getResult(ACC accumulator);
    ACC merge(ACC a, ACC b);
}
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  AggregateFunction 可以看作是 ReduceFunction 的通用版本，这里有三种类型：输入类型
（IN）、累加器类型（ACC）和输出类型（OUT）。输入类型 IN 就是输入流中元素的数据类型；累加器类型 ACC 则是我们进行聚合的中间状态类型；而输出类型当然就是最终计算结果的类型了。

接口中有四个方法：

• createAccumulator()：创建一个累加器，这就是为聚合创建了一个初始状态，每个聚合任务只会调用一次。
• add()：将输入的元素添加到累加器中。这就是基于聚合状态，对新来的数据进行进一步聚合的过程。方法传入两个参数：当前新到的数据 value，和当前的累加器accumulator；返回一个新的累加器值，也就是对聚合状态进行更新。每条数据到来之后都会调用这个方法。
• getResult()：从累加器中提取聚合的输出结果。也就是说，我们可以定义多个状态， 然后再基于这些聚合的状态计算出一个结果进行输出。比如之前我们提到的计算平均值，就可以把 sum 和 count 作为状态放入累加器，而在调用这个方法时相除得到最终结果。这个方法只在窗口要输出结果时调用。
• merge()：合并两个累加器，并将合并后的状态作为一个累加器返回。这个方法只在需要合并窗口的场景下才会被调用；最常见的合并窗口（Merging Window）的场景就是会话窗口（Session Windows）。

  所以可以看到，**AggregateFunction 的工作原理是：**首先调用 createAccumulator()为任务初始化一个状态(累加器)；而后每来一个数据就调用一次 add()方法，对数据进行聚合，得到的结果保存在状态中；等到了窗口需要输出时，再调用 getResult()方法得到计算结果。很明显， 与 ReduceFunction 相同，AggregateFunction 也是增量式的聚合；而由于输入、中间状态、输出的类型可以不同，使得应用更加灵活方便。
  下面来看一个具体例子。我们知道，在电商网站中，PV（页面浏览量）和 UV（独立访客数）是非常重要的两个流量指标。一般来说，PV 统计的是所有的点击量；而对用户 id 进行去重之后，得到的就是 UV。所以有时我们会用 PV/UV 这个比值，来表示“人均重复访问量”，也就是平均每个用户会访问多少次页面，这在一定程度上代表了用户的粘度。

import com.atguigu.chapter05.ClickSource;
import com.atguigu.chapter05.Event;
import org.apache.flink.api.common.eventtime.SerializableTimestampAssigner;
import org.apache.flink.api.common.eventtime.WatermarkStrategy;
import org.apache.flink.api.common.functions.AggregateFunction;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.SingleOutputStreamOperator;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
import org.apache.flink.streaming.api.functions.windowing.ProcessWindowFunction;
import org.apache.flink.streaming.api.windowing.assigners.SlidingEventTimeWindows;
import org.apache.flink.streaming.api.windowing.time.Time;
import org.apache.flink.streaming.api.windowing.windows.TimeWindow;
import org.apache.flink.util.Collector;


public class UrlViewCountExample {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        env.setParallelism(1);

        SingleOutputStreamOperator<Event> stream = env.addSource(new ClickSource())
                .assignTimestampsAndWatermarks(WatermarkStrategy.<Event>forMonotonousTimestamps()
                        .withTimestampAssigner(new SerializableTimestampAssigner<Event>() {
                            @Override
                            public long extractTimestamp(Event element, long recordTimestamp) {
                                return element.timestamp;
                            }
                        }));

        // 需要按照url分组，开滑动窗口统计
        stream.keyBy(data -> data.url)
                .window(SlidingEventTimeWindows.of(Time.seconds(10), Time.seconds(5)))
                // 同时传入增量聚合函数和全窗口函数
                .aggregate(new UrlViewCountAgg(), new UrlViewCountResult())
                .print();

        env.execute();
    }

    // 自定义增量聚合函数，来一条数据就加一
    public static class UrlViewCountAgg implements AggregateFunction<Event, Long, Long> {
        @Override
        public Long createAccumulator() {
            return 0L;
        }

        @Override
        public Long add(Event value, Long accumulator) {
            return accumulator + 1;
        }

        @Override
        public Long getResult(Long accumulator) {
            return accumulator;
        }

        @Override
        public Long merge(Long a, Long b) {
            return null;
        }
    }

    // 自定义窗口处理函数，只需要包装窗口信息
    public static class UrlViewCountResult extends ProcessWindowFunction<Long, UrlViewCount, String, TimeWindow> {

        @Override
        public void process(String url, Context context, Iterable<Long> elements, Collector<UrlViewCount> out) throws Exception {
            // 结合窗口信息，包装输出内容
            Long start = context.window().getStart();
            Long end = context.window().getEnd();
            // 迭代器中只有一个元素，就是增量聚合函数的计算结果
            out.collect(new UrlViewCount(url, elements.iterator().next(), start, end));
        }
    }
}
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  代码中我们创建了事件时间滑动窗口，统计 10 秒钟的“人均 PV”，每 2 秒统计一次。由于聚合的状态还需要做处理计算，因此窗口聚合时使用了更加灵活的 AggregateFunction。为了统计 UV，我们用一个 HashSet 保存所有出现过的用户 id，实现自动去重；而 PV 的统计则类似一个计数器，每来一个数据加一就可以了。所以这里的状态，定义为包含一个 HashSet 和一个 count 值的二元组（Tuple2<HashSet, Long>），每来一条数据，就将 user 存入HashSet，同时 count 加 1。这里的 count 就是 PV，而 HashSet 中元素的个数（size）就是 UV；所以最终窗口的输出结果，就是它们的比值。

这里没有涉及会话窗口，所以 merge()方法可以不做任何操作。

  另外，Flink 也为窗口的聚合提供了一系列预定义的简单聚合方法， 可以直接基于WindowedStream 调用。主要包括.sum()/max()/maxBy()/min()/minBy()，与 KeyedStream 的简单聚合非常相似。它们的底层，其实都是通过AggregateFunction 来实现的。
  通过 ReduceFunction 和 AggregateFunction 我们可以发现，增量聚合函数其实就是在用流处理的思路来处理有界数据集，核心是保持一个聚合状态，当数据到来时不停地更新状态。这就是 Flink 所谓的“有状态的流处理”，通过这种方式可以极大地提高程序运行的效率，所以在实际应用中最为常见。

5.2 全窗口函数（full window functions）

  窗口操作中的另一大类就是全窗口函数。与增量聚合函数不同，全窗口函数需要先收集窗口中的数据，并在内部缓存起来，等到窗口要输出结果的时候再取出数据进行计算。
  很明显，这就是典型的批处理思路了——先攒数据，等一批都到齐了再正式启动处理流程。这样做毫无疑问是低效的：因为窗口全部的计算任务都积压在了要输出结果的那一瞬间，而在之前收集数据的漫长过程中却无所事事。这就好比平时不用功，到考试之前通宵抱佛脚，肯定不如把工夫花在日常积累上。
  那为什么还需要有全窗口函数呢？这是因为有些场景下，我们要做的计算必须基于全部的数据才有效，这时做增量聚合就没什么意义了；另外，输出的结果有可能要包含上下文中的一些信息（比如窗口的起始时间），这是增量聚合函数做不到的。所以，我们还需要有更丰富的窗口计算方式，这就可以用全窗口函数来实现。
  在 Flink 中，全窗口函数也有两种：WindowFunction 和 ProcessWindowFunction。

（1）窗口函数（WindowFunction）

  WindowFunction 字面上就是“窗口函数”，它其实是老版本的通用窗口函数接口。我们可以基于WindowedStream 调用.apply()方法，传入一个 WindowFunction 的实现类。

stream
.keyBy(<key selector>)
.window(<window assigner>)
.apply(new MyWindowFunction());
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  这个类中可以获取到包含窗口所有数据的可迭代集合（ Iterable），还可以拿到窗口（Window）本身的信息。WindowFunction 接口在源码中实现如下：

public interface WindowFunction<IN, OUT, KEY, W extends Window> extends Function, Serializable {
void apply(KEY key, W window, Iterable<IN> input, Collector<OUT> out) throws Exception;
}
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  当窗口到达结束时间需要触发计算时，就会调用这里的 apply 方法。我们可以从 input 集合中取出窗口收集的数据，结合 key 和 window 信息，通过收集器（Collector）输出结果。这里 Collector 的用法，与 FlatMapFunction 中相同。
  不过我们也看到了，WindowFunction 能提供的上下文信息较少，也没有更高级的功能。事实上，它的作用可以被 ProcessWindowFunction 全覆盖，所以之后可能会逐渐弃用。一般在实际应用，直接使用 ProcessWindowFunction 就可以了。

（2）处理窗口函数（ProcessWindowFunction）

  ProcessWindowFunction 是Window API 中最底层的通用窗口函数接口。之所以说它“最底层”，是因为除了可以拿到窗口中的所有数据之外，ProcessWindowFunction 还可以获取到一个“上下文对象”（Context）。这个上下文对象非常强大，不仅能够获取窗口信息，还可以访问当前的时间和状态信息。这里的时间就包括了处理时间（processing time）和事件时间水位线（event time watermark）。这就使得 ProcessWindowFunction 更加灵活、功能更加丰富。事实上， ProcessWindowFunction 是 Flink 底层API——处理函数（process function）中的一员，关于处理函数我们会在后续章节展开讲解。
  当然 这些好处是以牺牲性能和资源为代价的。 作为一个全窗口函数 ，ProcessWindowFunction 同样需要将所有数据缓存下来、等到窗口触发计算时才使用。它其实就是一个增强版的WindowFunction。
  具体使用跟 WindowFunction 非常类似，我们可以基于 WindowedStream 调用.process()方法，传入一个 ProcessWindowFunction 的实现类。下面是一个电商网站统计每小时 UV 的例子：

import com.atguigu.chapter05.ClickSource;
import com.atguigu.chapter05.Event;
import org.apache.flink.api.common.eventtime.SerializableTimestampAssigner;
import org.apache.flink.api.common.eventtime.WatermarkStrategy;

import org.apache.flink.streaming.api.datastream.SingleOutputStreamOperator;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
import org.apache.flink.streaming.api.functions.windowing.ProcessWindowFunction;
import org.apache.flink.streaming.api.windowing.assigners.TumblingEventTimeWindows;
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.sql.Timestamp;
import java.time.Duration;
import java.util.HashSet;



public class UvCountByWindowExample {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        env.setParallelism(1);

        SingleOutputStreamOperator<Event> stream = env.addSource(new ClickSource())
                .assignTimestampsAndWatermarks(WatermarkStrategy.<Event>forBoundedOutOfOrderness(Duration.ZERO)
                        .withTimestampAssigner(new SerializableTimestampAssigner<Event>() {
                            @Override
                            public long extractTimestamp(Event element, long recordTimestamp) {
                                return element.timestamp;
                            }
                        }));

        // 将数据全部发往同一分区，按窗口统计UV
        stream.keyBy(data -> true)
                .window(TumblingEventTimeWindows.of(Time.seconds(10)))
                .process(new UvCountByWindow())
                .print();

        env.execute();
    }

    // 自定义窗口处理函数
    public static class UvCountByWindow extends ProcessWindowFunction<Event, String, Boolean, TimeWindow>{
        @Override
        public void process(Boolean aBoolean, Context context, Iterable<Event> elements, Collector<String> out) throws Exception {
            HashSet<String> userSet = new HashSet<>();
            // 遍历所有数据，放到Set里去重
            for (Event event: elements){
                userSet.add(event.user);
            }
            // 结合窗口信息，包装输出内容
            Long start = context.window().getStart();
            Long end = context.window().getEnd();
            out.collect("窗口: " + new Timestamp(start) + " ~ " + new Timestamp(end)
                    + " 的独立访客数量是：" + userSet.size());
        }
    }
}
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5.3 增量聚合和全窗口函数的结合使用

  增量聚合函数处理计算会更高效。举一个最简单的例子，对一组数据求和。大量的数据连
续不断到来，全窗口函数只是把它们收集缓存起来，并没有处理；到了窗口要关闭、输出结果的时候，再遍历所有数据依次叠加，得到最终结果。而如果我们采用增量聚合的方式，那么只需要保存一个当前和的状态，每个数据到来时就会做一次加法，更新状态；到了要输出结果的时候，只要将当前状态直接拿出来就可以了。增量聚合相当于把计算量“均摊”到了窗口收集数据的过程中，自然就会比全窗口聚合更加高效、输出更加实时。
  而全窗口函数的优势在于提供了更多的信息，可以认为是更加“通用”的窗口操作。它只负责收集数据、提供上下文相关信息，把所有的原材料都准备好，至于拿来做什么我们完全可以任意发挥。这就使得窗口计算更加灵活，功能更加强大。
  所以在实际应用中，我们往往希望兼具这两者的优点，把它们结合在一起使用。Flink 的Window API 就给我们实现了这样的用法。
  我们之前在调用 WindowedStream 的.reduce()和.aggregate()方法时，只是简单地直接传入了一个 ReduceFunction 或 AggregateFunction 进行增量聚合。除此之外，其实还可以传入第二个参数：一个全窗口函数，可以是WindowFunction 或者 ProcessWindowFunction。
  这样调用的处理机制是：基于第一个参数（增量聚合函数）来处理窗口数据，每来一个数据就做一次聚合；等到窗口需要触发计算时，则调用第二个参数（全窗口函数）的处理逻辑输出结果。需要注意的是，这里的全窗口函数就不再缓存所有数据了，而是直接将增量聚合函数的结果拿来当作了Iterable 类型的输入。一般情况下，这时的可迭代集合中就只有一个元素了。
  下面我们举一个具体的实例来说明。在网站的各种统计指标中，一个很重要的统计指标就是热门的链接；想要得到热门的 url，前提是得到每个链接的“热门度”。一般情况下，可以用url 的浏览量（点击量）表示热门度。我们这里统计 10 秒钟的 url 浏览量，每 5 秒钟更新一次； 另外为了更加清晰地展示，还应该把窗口的起始结束时间一起输出。我们可以定义滑动窗口， 并结合增量聚合函数和全窗口函数来得到统计结果。

import com.atguigu.chapter05.ClickSource;
import com.atguigu.chapter05.Event;
import org.apache.flink.api.common.eventtime.SerializableTimestampAssigner;
import org.apache.flink.api.common.eventtime.WatermarkStrategy;
import org.apache.flink.api.common.functions.AggregateFunction;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.SingleOutputStreamOperator;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
import org.apache.flink.streaming.api.functions.windowing.ProcessWindowFunction;
import org.apache.flink.streaming.api.windowing.assigners.SlidingEventTimeWindows;
import org.apache.flink.streaming.api.windowing.time.Time;
import org.apache.flink.streaming.api.windowing.windows.TimeWindow;
import org.apache.flink.util.Collector;


public class UrlViewCountExample {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        env.setParallelism(1);

        SingleOutputStreamOperator<Event> stream = env.addSource(new ClickSource())
                .assignTimestampsAndWatermarks(WatermarkStrategy.<Event>forMonotonousTimestamps()
                        .withTimestampAssigner(new SerializableTimestampAssigner<Event>() {
                            @Override
                            public long extractTimestamp(Event element, long recordTimestamp) {
                                return element.timestamp;
                            }
                        }));

        // 需要按照url分组，开滑动窗口统计
        stream.keyBy(data -> data.url)
                .window(SlidingEventTimeWindows.of(Time.seconds(10), Time.seconds(5)))
                // 同时传入增量聚合函数和全窗口函数
                .aggregate(new UrlViewCountAgg(), new UrlViewCountResult())
                .print();

        env.execute();
    }

    // 自定义增量聚合函数，来一条数据就加一
    public static class UrlViewCountAgg implements AggregateFunction<Event, Long, Long> {
        @Override
        public Long createAccumulator() {
            return 0L;
        }

        @Override
        public Long add(Event value, Long accumulator) {
            return accumulator + 1;
        }

        @Override
        public Long getResult(Long accumulator) {
            return accumulator;
        }

        @Override
        public Long merge(Long a, Long b) {
            return null;
        }
    }

    // 自定义窗口处理函数，只需要包装窗口信息
    public static class UrlViewCountResult extends ProcessWindowFunction<Long, UrlViewCount, String, TimeWindow> {

        @Override
        public void process(String url, Context context, Iterable<Long> elements, Collector<UrlViewCount> out) throws Exception {
            // 结合窗口信息，包装输出内容
            Long start = context.window().getStart();
            Long end = context.window().getEnd();
            // 迭代器中只有一个元素，就是增量聚合函数的计算结果
            out.collect(new UrlViewCount(url, elements.iterator().next(), start, end));
        }
    }
}
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  代码中用一个 AggregateFunction 来实现增量聚合，每来一个数据就计数加一；得到的结果交给 ProcessWindowFunction，结合窗口信息包装成我们想要的 UrlViewCount，最终输出统计结果。

注：ProcessWindowFunction 是处理函数中的一种，后面我们会详细讲解。这里只用它来将增量聚合函数的输出结果包裹一层窗口信息。

  窗口处理的主体还是增量聚合，而引入全窗口函数又可以获取到更多的信息包装输出，这样的结合兼具了两种窗口函数的优势，在保证处理性能和实时性的同时支持了更加丰富的应用场景。

6. 测试水位线和窗口的使用

  之前讲过，当水位线到达窗口结束时间时，窗口就会闭合不再接收迟到的数据，因为根据水位线的定义，所有小于等于水位线的数据都已经到达，所以显然 Flink 会认为窗口中的数据都到达了（尽管可能存在迟到数据，也就是时间戳小于当前水位线的数据）。我们可以在之前生成水位线代码WatermarkTest 的基础上，增加窗口应用做一下测试：

import com.atguigu.chapter05.Event;
import org.apache.flink.api.common.eventtime.SerializableTimestampAssigner;
import org.apache.flink.api.common.eventtime.WatermarkStrategy;
import org.apache.flink.api.common.functions.MapFunction;;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
import org.apache.flink.streaming.api.functions.windowing.ProcessWindowFunction;
import org.apache.flink.streaming.api.windowing.assigners.TumblingEventTimeWindows;
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.time.Duration;



public class WatermarkTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        env.setParallelism(1);

        // 将数据源改为socket文本流，并转换成Event类型
        env.socketTextStream("localhost", 7777)
                .map(new MapFunction<String, Event>() {
                    @Override
                    public Event map(String value) throws Exception {
                        String[] fields = value.split(",");
                        return new Event(fields[0].trim(), fields[1].trim(), Long.valueOf(fields[2].trim()));
                    }
                })
                // 插入水位线的逻辑
                .assignTimestampsAndWatermarks(
                        // 针对乱序流插入水位线，延迟时间设置为5s
                        WatermarkStrategy.<Event>forBoundedOutOfOrderness(Duration.ofSeconds(5))
                                .withTimestampAssigner(new SerializableTimestampAssigner<Event>() {
                                    // 抽取时间戳的逻辑
                                    @Override
                                    public long extractTimestamp(Event element, long recordTimestamp) {
                                        return element.timestamp;
                                    }
                                })
                )
                // 根据user分组，开窗统计
                .keyBy(data -> data.user)
                .window(TumblingEventTimeWindows.of(Time.seconds(10)))
                .process(new WatermarkTestResult())
                .print();

        env.execute();
    }

    // 自定义处理窗口函数，输出当前的水位线和窗口信息
    public static class WatermarkTestResult extends ProcessWindowFunction<Event, String, String, TimeWindow>{
        @Override
        public void process(String s, Context context, Iterable<Event> elements, Collector<String> out) throws Exception {
            Long start = context.window().getStart();
            Long end = context.window().getEnd();
            Long currentWatermark = context.currentWatermark();
            Long count = elements.spliterator().getExactSizeIfKnown();
            out.collect("窗口" + start + " ~ " + end + "中共有" + count + "个元素，窗口闭合计算时，水位线处于：" + currentWatermark);
        }
    }
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  我们这里设置的最大延迟时间是 5 秒，所以当我们在终端启动 nc 程序，也就是 nc –lk 7777
然后输入如下数据时：

Alice,	./home, 1000	
Alice,	./cart, 2000	
Alice,	./prod?id=100,	10000
Alice,	./prod?id=200,	8000
Alice,	./prod?id=300,	15000
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我们会看到如下结果：

窗口 0 ~ 10000 中共有 3 个元素，窗口闭合计算时，水位线处于：9999
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  我们就会发现，当最后输入[Alice, ./prod?id=300, 15000]时，流中会周期性地（默认 200 毫秒）插入一个时间戳为 15000L – 5 * 1000L – 1L = 9999 毫秒的水位线，已经到达了窗口[0,10000)的结束时间，所以会触发窗口的闭合计算。而后面再输入一条[Alice, ./prod?id=200, 9000]时，将不会有任何结果；因为这是一条迟到数据，它所属于的窗口已经触发计算然后销毁了（窗口默认被销毁），所以无法再进入到窗口中，自然也就无法更新计算结果了。窗口中的迟到数据默认会被丢弃，这会导致计算结果不够准确。Flink 提供了有效处理迟到数据的手段，后面讲。

7. 其他 API

对于一个窗口算子而言，窗口分配器和窗口函数是必不可少的。除此之外，Flink 还提供了其他一些可选的API，让我们可以更加灵活地控制窗口行为。

详细可看参考资料，此处不做详细整理

7.1 触发器（Trigger）

  触发器主要是用来控制窗口什么时候触发计算。所谓的“触发计算”，本质上就是执行窗口函数，所以可以认为是计算得到结果并输出的过程。
  基于WindowedStream 调用.trigger()方法，就可以传入一个自定义的窗口触发器（Trigger）。

7.2 移除器（Evictor）

移除器主要用来定义移除某些数据的逻辑。基于 WindowedStream 调用.evictor()方法，就可以传入一个自定义的移除器（Evictor）。Evictor 是一个接口，不同的窗口类型都有各自预实现的移除器。

7.3 允许延迟（Allowed Lateness）

  为了解决迟到数据的问题，Flink 提供了一个特殊的接口，可以为窗口算子设置一个“允许的最大延迟”（Allowed Lateness）。也就是说，我们可以设定允许延迟一段时间，在这段时间内，窗口不会销毁，继续到来的数据依然可以进入窗口中并触发计算。直到水位线推进到了 窗口结束时间 + 延迟时间，才真正将窗口的内容清空，正式关闭窗口。
  基于WindowedStream 调用.allowedLateness()方法，传入一个 Time 类型的延迟时间，就可以表示允许这段时间内的延迟数据。

stream.keyBy(...)
.window(TumblingEventTimeWindows.of(Time.hours(1)))
.allowedLateness(Time.minutes(1))
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7.4 将迟到的数据放入侧输出流（重要）

  我们自然会想到，即使可以设置窗口的延迟时间，终归还是有限的，后续的数据还是会被丢弃。如果不想丢弃任何一个数据，又该怎么做呢？
  Flink 还提供了另外一种方式处理迟到数据。我们可以将未收入窗口的迟到数据，放入“侧输出流”（side output）进行另外的处理。所谓的侧输出流，相当于是数据流的一个“分支”，这个流中单独放置那些错过了该上的车、本该被丢弃的数据。
  基于 WindowedStream 调用.sideOutputLateData() 方法，就可以实现这个功能。方法需要传入一个“输出标签”（OutputTag），用来标记分支的迟到数据流。因为保存的就是流中的原始数据，所以OutputTag 的类型与流中数据类型相同。

DataStream<Event> stream = env.addSource(...);


OutputTag<Event> outputTag = new OutputTag<Event>("late") {};


stream.keyBy(...)
.window(TumblingEventTimeWindows.of(Time.hours(1)))
.sideOutputLateData(outputTag)

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  将迟到数据放入侧输出流之后，还应该可以将它提取出来。基于窗口处理完成之后的DataStream，调用.getSideOutput()方法，传入对应的输出标签，就可以获取到迟到数据所在的流了。

SingleOutputStreamOperator<AggResult> winAggStream = stream.keyBy(...)
.window(TumblingEventTimeWindows.of(Time.hours(1)))
.sideOutputLateData(outputTag)
.aggregate(new MyAggregateFunction())
DataStream<Event> lateStream = winAggStream.getSideOutput(outputTag);
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  这里注意，getSideOutput()是 SingleOutputStreamOperator 的方法，获取到的侧输出流数据类型应该和 OutputTag 指定的类型一致，与窗口聚合之后流中的数据类型可以不同。

8. 窗口的生命周期

  熟悉了窗口 API 的使用，我们再回头梳理一下窗口本身的生命周期，这也是对窗口所有操作的一个总结。

1. 窗口的创建

窗口的类型和基本信息由窗口分配器（window assigners）指定，但窗口不会预先创建好， 而是由数据驱动创建。当第一个应该属于这个窗口的数据元素到达时，就会创建对应的窗口。

2. 窗口计算的触发

除了窗口分配器，每个窗口还会有自己的窗口函数（window functions）和触发器（trigger）。窗口函数可以分为增量聚合函数和全窗口函数，主要定义了窗口中计算的逻辑；而触发器则是指定调用窗口函数的条件。
对于不同的窗口类型，触发计算的条件也会不同。例如，一个滚动事件时间窗口，应该在水位线到达窗口结束时间的时候触发计算，属于“定点发车”；而一个计数窗口，会在窗口中元素数量达到定义大小时触发计算，属于“人满就发车”。所以 Flink 预定义的窗口类型都有对应内置的触发器。
对于事件时间窗口而言，除去到达结束时间的“定点发车”，还有另一种情形。当我们设置了允许延迟，那么如果水位线超过了窗口结束时间、但还没有到达设定的最大延迟时间，这期间内到达的迟到数据也会触发窗口计算。这类似于没有准时赶上班车的人又追上了车，这时车要再次停靠、开门，将新的数据整合统计进来。

3. 窗口的销毁

一般情况下，当时间达到了结束点，就会直接触发计算输出结果、进而清除状态销毁窗口。这时窗口的销毁可以认为和触发计算是同一时刻。这里需要注意， Flink 中只对时间窗口
（TimeWindow）有销毁机制；由于计数窗口（CountWindow）是基于全局窗口（GlobalWindw） 实现的，而全局窗口不会清除状态，所以就不会被销毁。
在特殊的场景下，窗口的销毁和触发计算会有所不同。事件时间语义下，如果设置了允许延迟，那么在水位线到达窗口结束时间时，仍然不会销毁窗口；窗口真正被完全删除的时间点， 是窗口的结束时间加上用户指定的允许延迟时间。

  Window API 首先按照时候按键分区分成两类。keyBy 之后的 KeyedStream，可以调用.window()方法声明按键分区窗口（Keyed Windows）；而如果不做 keyBy，DataStream 也可以直接调用.windowAll()声明非按键分区窗口。之后的方法调用就完全一样了。
  接下来首先是通过.window()/.windowAll()方法定义窗口分配器，得到 WindowedStream； 然 后 通 过 各 种 转 换 方 法 （ reduce/aggregate/apply/process ） 给 出 窗 口 函 数(ReduceFunction/AggregateFunction/ProcessWindowFunction)，定义窗口的具体计算处理逻辑， 转换之后重新得到DataStream。这两者必不可少，是窗口算子（WindowOperator）最重要的组成部分。
  此外，在这两者之间，还可以基于 WindowedStream 调用.trigger()自定义触发器、调用.evictor()定义移除器、调用.allowedLateness()指定允许延迟时间、调用.sideOutputLateData() 将迟到数据写入侧输出流，这些都是可选的API，一般不需要实现。而如果定义了侧输出流， 可以基于窗口聚合之后的DataStream 调用.getSideOutput()获取侧输出流。

四、迟到数据的处理

共有三种：设置水位线延迟时间、允许窗口处理迟到数据、将迟到数据放入窗口侧输出流

详细可看参考资料

参考资料

Word版：https://download.csdn.net/download/mengxianglong123/85035166
PDF版：https://download.csdn.net/download/mengxianglong123/85035172

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