[尚硅谷 flink] 状态管理 笔记

10.1 状态概述

10.2 状态分类

1）托管状态（Managed State）和原始状态（Raw State）

Flink的状态有两种：托管状态（Managed State）和原始状态（Raw State）。托管状态就是由Flink统一管理的，状态的存储访问、故障恢复和重组等一系列问题都由Flink实现，我们只要调接口就可以；而原始状态则是自定义的，相当于就是开辟了一块内存，需要我们自己管理，实现状态的序列化和故障恢复。
通常我们采用Flink托管状态来实现需求。

2）算子状态（Operator State）和按键分区状态（Keyed State）

接下来我们的重点就是托管状态（Managed State）。
我们知道在Flink中，一个算子任务会按照并行度分为多个并行子任务执行，而不同的子任务会占据不同的任务槽（task slot）。由于不同的slot在计算资源上是物理隔离的，所以Flink能管理的状态在并行任务间是无法共享的，每个状态只能针对当前子任务的实例有效。
而很多有状态的操作（比如聚合、窗口）都是要先做keyBy进行按键分区的。按键分区之后，任务所进行的所有计算都应该只针对当前key有效，所以状态也应该按照key彼此隔离。在这种情况下，状态的访问方式又会有所不同。
基于这样的想法，我们又可以将托管状态分为两类：算子状态和按键分区状态。


另外，也可以通过富函数类（Rich Function）来自定义Keyed State，所以只要提供了富函数类接口的算子，也都可以使用Keyed State。所以即使是map、filter这样无状态的基本转换算子，我们也可以通过富函数类给它们“追加”Keyed State。比如RichMapFunction、RichFilterFunction。在富函数中，我们可以调用.getRuntimeContext()获取当前的运行时上下文（RuntimeContext)，进而获取到访问状态的句柄；这种富函数中自定义的状态也是Keyed State。从这个角度讲，Flink中所有的算子都可以是有状态的。
无论是Keyed State还是Operator State，它们都是在本地实例上维护的，也就是说每个并行子任务维护着对应的状态，算子的子任务之间状态不共享。

10.3 按键分区状态（Keyed State）

按键分区状态（Keyed State）顾名思义，是任务按照键（key）来访问和维护的状态。它的特点非常鲜明，就是以key为作用范围进行隔离。
需要注意，使用Keyed State必须基于KeyedStream。没有进行keyBy分区的DataStream，即使转换算子实现了对应的富函数类，也不能通过运行时上下文访问Keyed State。

1. 值状态（ValueState）

顾名思义，状态中只保存一个“值”（value）。ValueState本身是一个接口，源码中定义如下：

public interface ValueState<T> extends State {
    T value() throws IOException;
    void update(T value) throws IOException;
}
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这里的T是泛型，表示状态的数据内容可以是任何具体的数据类型。如果想要保存一个长整型值作为状态，那么类型就是ValueState<Long>。
我们可以在代码中读写值状态，实现对于状态的访问和更新。

• T value()：获取当前状态的值；
• update(T value)：对状态进行更新，传入的参数value就是要覆写的状态值。

在具体使用时，为了让运行时上下文清楚到底是哪个状态，我们还需要创建一个“状态描述器”（StateDescriptor）来提供状态的基本信息。例如源码中，ValueState的状态描述器构造方法如下：

public ValueStateDescriptor(String name, Class<T> typeClass) {
    super(name, typeClass, null);
}
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这里需要传入状态的名称和类型——这跟我们声明一个变量时做的事情完全一样。

**案例需求：**检测每种传感器的水位值，如果连续的两个水位值超过10，就输出报警。

public class ValueStateDemo {

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

        SingleOutputStreamOperator<WaterSensor> sensorDS = env
            .socketTextStream("localhost", 7777)
            .map(new WaterSensorMapFunction())
            .assignTimestampsAndWatermarks(
                WatermarkStrategy.<WaterSensor>forBoundedOutOfOrderness(Duration.ofSeconds(3))
                    .withTimestampAssigner((element,ts)-> element.getTs()*1000L)
            );
        /**
         * 检测每种传感器的水位值，如果连续的两个水位值超过10，就输出报警。
         */
        SingleOutputStreamOperator<String> process = sensorDS.keyBy(WaterSensor::getId)
            .process(new KeyedProcessFunction<String, WaterSensor, String>() {
                ValueState<Integer> lastVcState;

                @Override
                public void open(Configuration parameters) throws Exception {
                    super.open(parameters);
                    lastVcState = getRuntimeContext().getState(new ValueStateDescriptor<>("lastVcState", Types.INT));
                }

                @Override
                public void processElement(WaterSensor waterSensor, KeyedProcessFunction<String, WaterSensor, String>.Context context, Collector<String> out) throws Exception {
                    int last = lastVcState.value() == null ? 0 : lastVcState.value();
                    Integer vc = waterSensor.getVc();
                    if (last > 10 && vc > 10) {
                        out.collect("传感器=" + waterSensor.getId() + "==>当前水位值=" + vc + ",与上一条水位值=" + last + "都超过10！！！！");
                    }
                    lastVcState.update(vc);

                }
            });
        process.print();

        env.execute();
    }

}

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2. 列表状态（ListState）

将需要保存的数据，以列表（List）的形式组织起来。在ListState接口中同样有一个类型参数T，表示列表中数据的类型。ListState也提供了一系列的方法来操作状态，使用方式与一般的List非常相似。

• Iterable<T> get()：获取当前的列表状态，返回的是一个可迭代类型Iterable；
• update(List<T> values)：传入一个列表values，直接对状态进行覆盖；
• add(T value)：在状态列表中添加一个元素value；
• addAll(List<T> values)：向列表中添加多个元素，以列表values形式传入。

类似地，ListState的状态描述器就叫作ListStateDescriptor，用法跟ValueStateDescriptor完全一致。

3. Map状态（MapState）

把一些键值对（key-value）作为状态整体保存起来，可以认为就是一组key-value映射的列表。对应的MapState<UK, UV>接口中，就会有UK、UV两个泛型，分别表示保存的key和value的类型。同样，MapState提供了操作映射状态的方法，与Map的使用非常类似。

• UV get(UK key)：传入一个key作为参数，查询对应的value值；
• put(UK key, UV value)：传入一个键值对，更新key对应的value值；
• putAll(Map<UK, UV> map)：将传入的映射map中所有的键值对，全部添加到映射状态中；
• remove(UK key)：将指定key对应的键值对删除；
• boolean contains(UK key)：判断是否存在指定的key，返回一个boolean值。

另外，MapState也提供了获取整个映射相关信息的方法；

• Iterable<Map.Entry<UK, UV>> entries()：获取映射状态中所有的键值对；
• Iterable<UK> keys()：获取映射状态中所有的键（key），返回一个可迭代Iterable类型；
• Iterable<UV> values()：获取映射状态中所有的值（value），返回一个可迭代Iterable类型；
• boolean isEmpty()：判断映射是否为空，返回一个boolean值。

统计每种传感器每种水位值出现的次数。

4. 归约状态（ReducingState）

类似于值状态（Value），不过需要对添加进来的所有数据进行归约，将归约聚合之后的值作为状态保存下来。ReducingState<T>这个接口调用的方法类似于ListState，只不过它保存的只是一个聚合值，所以调用.add()方法时，不是在状态列表里添加元素，而是直接把新数据和之前的状态进行归约，并用得到的结果更新状态。
归约逻辑的定义，是在归约状态描述器（ReducingStateDescriptor）中，通过传入一个归约函数（ReduceFunction）来实现的。这里的归约函数，就是我们之前介绍reduce聚合算子时讲到的ReduceFunction，所以状态类型跟输入的数据类型是一样的。

public ReducingStateDescriptor(
String name, ReduceFunction<T> reduceFunction, Class<T> typeClass) {...}
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这里的描述器有三个参数，其中第二个参数就是定义了归约聚合逻辑的ReduceFunction，另外两个参数则是状态的名称和类型。

**案例：**计算每种传感器的水位和

.process(new KeyedProcessFunction<String， WaterSensor， Integer>() {
    private ReducingState<Integer> sumVcState;
    @Override
    public void open(Configuration parameters) throws Exception {
        sumVcState = this
          .getRuntimeContext()
          .getReducingState(new ReducingStateDescriptor<Integer>("sumVcState"，Integer::sum，Integer.class));
    }

    @Override
    public void processElement(WaterSensor value， Context ctx， Collector<Integer> out) throws Exception {
        sumVcState.add(value.getVc());
        out.collect(sumVcState.get());
    }
})
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5. 聚合状态（AggregatingState）

与归约状态非常类似，聚合状态也是一个值，用来保存添加进来的所有数据的聚合结果。与ReducingState不同的是，它的聚合逻辑是由在描述器中传入一个更加一般化的聚合函数（AggregateFunction）来定义的；这也就是之前我们讲过的AggregateFunction，里面通过一个累加器（Accumulator）来表示状态，所以聚合的状态类型可以跟添加进来的数据类型完全不同，使用更加灵活。
同样地，AggregatingState接口调用方法也与ReducingState相同，调用.add()方法添加元素时，会直接使用指定的AggregateFunction进行聚合并更新状态。

**案例需求：**计算每种传感器的平均水位

6. 状态生存时间（TTL）

在实际应用中，很多状态会随着时间的推移逐渐增长，如果不加以限制，最终就会导致存储空间的耗尽。一个优化的思路是直接在代码中调用.clear()方法去清除状态，但是有时候我们的逻辑要求不能直接清除。这时就需要配置一个状态的“生存时间”（time-to-live，TTL），当状态在内存中存在的时间超出这个值时，就将它清除。
具体实现上，如果用一个进程不停地扫描所有状态看是否过期，显然会占用大量资源做无用功。状态的失效其实不需要立即删除，所以我们可以给状态附加一个属性，也就是状态的“失效时间”。状态创建的时候，设置 失效时间 = 当前时间 + TTL；之后如果有对状态的访问和修改，我们可以再对失效时间进行更新；当设置的清除条件被触发时（比如，状态被访问的时候，或者每隔一段时间扫描一次失效状态），就可以判断状态是否失效、从而进行清除了。
配置状态的TTL时，需要创建一个StateTtlConfig配置对象，然后调用状态描述器的.enableTimeToLive()方法启动TTL功能。

StateTtlConfig ttlConfig = StateTtlConfig
    .newBuilder(Time.seconds(10))
    .setUpdateType(StateTtlConfig.UpdateType.OnCreateAndWrite)
    .setStateVisibility(StateTtlConfig.StateVisibility.NeverReturnExpired)
    .build();

ValueStateDescriptor<String> stateDescriptor = new ValueStateDescriptor<>("my state", String.class);

stateDescriptor.enableTimeToLive(ttlConfig);
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这里用到了几个配置项：

• .newBuilder()

状态TTL配置的构造器方法，必须调用，返回一个Builder之后再调用.build()方法就可以得到StateTtlConfig了。方法需要传入一个Time作为参数，这就是设定的状态生存时间。

• .setUpdateType()

设置更新类型。更新类型指定了什么时候更新状态失效时间，这里的OnCreateAndWrite表示只有创建状态和更改状态（写操作）时更新失效时间。另一种类型OnReadAndWrite则表示无论读写操作都会更新失效时间，也就是只要对状态进行了访问，就表明它是活跃的，从而延长生存时间。这个配置默认为OnCreateAndWrite。

• .setStateVisibility()

设置状态的可见性。所谓的“状态可见性”，是指因为清除操作并不是实时的，所以当状态过期之后还有可能继续存在，这时如果对它进行访问，能否正常读取到就是一个问题了。这里设置的NeverReturnExpired是默认行为，表示从不返回过期值，也就是只要过期就认为它已经被清除了，应用不能继续读取；这在处理会话或者隐私数据时比较重要。对应的另一种配置是ReturnExpireDefNotCleanedUp，就是如果过期状态还存在，就返回它的值。
除此之外，TTL配置还可以设置在保存检查点（checkpoint）时触发清除操作，或者配置增量的清理（incremental cleanup），还可以针对RocksDB状态后端使用压缩过滤器（compaction filter）进行后台清理。这里需要注意，目前的TTL设置只支持处理时间。

10.4 算子状态

算子状态（Operator State）就是一个算子并行实例上定义的状态，作用范围被限定为当前算子任务。算子状态跟数据的key无关，所以不同key的数据只要被分发到同一个并行子任务，就会访问到同一个Operator State。
算子状态的实际应用场景不如Keyed State多，一般用在Source或Sink等与外部系统连接的算子上，或者完全没有key定义的场景。比如Flink的Kafka连接器中，就用到了算子状态。
当算子的并行度发生变化时，算子状态也支持在并行的算子任务实例之间做重组分配。根据状态的类型不同，重组分配的方案也会不同。
算子状态也支持不同的结构类型，主要有三种：ListState、UnionListState和BroadcastState。

1. 列表状态（ListState）

与Keyed State中的ListState一样，将状态表示为一组数据的列表。
与Keyed State中的列表状态的区别是：在算子状态的上下文中，不会按键（key）分别处理状态，所以每一个并行子任务上只会保留一个“列表”（list），也就是当前并行子任务上所有状态项的集合。列表中的状态项就是可以重新分配的最细粒度，彼此之间完全独立。
当算子并行度进行缩放调整时，算子的列表状态中的所有元素项会被统一收集起来，相当于把多个分区的列表合并成了一个“大列表”，然后再均匀地分配给所有并行任务。这种“均匀分配”的具体方法就是“轮询”（round-robin），与之前介绍的rebanlance数据传输方式类似，是通过逐一“发牌”的方式将状态项平均分配的。这种方式也叫作“平均分割重组”（even-split redistribution）。
算子状态中不会存在“键组”（key group）这样的结构，所以为了方便重组分配，就把它直接定义成了“列表”（list）。这也就解释了，为什么算子状态中没有最简单的值状态（ValueState）。

实战案例：计算map算子中计算的数据条数

/**
 * 实战案例：在map算子中计算的数据条数
 */
public class OperatorListDemo {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        env.setParallelism(2);
        env.socketTextStream("localhost", 7777)
            .map(new MyMapCounterFunction())
            .print();


        env.execute();
    }

    private static class MyMapCounterFunction implements MapFunction<String, Long> , CheckpointedFunction {
        private Long count = 0L;

        private ListState<Long> state;

        @Override
        public Long map(String s) throws Exception {
            return ++count;
        }

        @Override
        public void snapshotState(FunctionSnapshotContext functionSnapshotContext) throws Exception {
            System.out.println("snapshotState....");
            state.clear();
            state.add(count);
        }

        @Override
        public void initializeState(FunctionInitializationContext context) throws Exception {
            System.out.println("initializeState...");
            state = context.getOperatorStateStore()
                .getListState(new ListStateDescriptor<Long>("state", Types.LONG));
            if (!context.isRestored()) {
                System.out.println("恢复失败");
                return;
            }
            for (Long l : state.get()) {
                count += l;
            }
        }
    }
}

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2. 联合列表状态（UnionListState）

与ListState类似，联合列表状态也会将状态表示为一个列表。它与常规列表状态的区别在于，算子并行度进行缩放调整时对于状态的分配方式不同。
UnionListState的重点就在于“联合”（union）。在并行度调整时，**常规列表状态是轮询分配状态项，而联合列表状态的算子则会直接广播状态的完整列表。**这样，并行度缩放之后的并行子任务就获取到了联合后完整的“大列表”，可以自行选择要使用的状态项和要丢弃的状态项。这种分配也叫作“联合重组”（union redistribution）。如果列表中状态项数量太多，为资源和效率考虑一般不建议使用联合重组的方式。
使用方式同ListState，区别在如下标红部分：
state = context
.getOperatorStateStore()
.getUnionListState(new ListStateDescriptor(“union-state”, Types.LONG));

3. 广播状态（BroadcastState）

有时我们希望算子并行子任务都保持同一份“全局”状态，用来做统一的配置和规则设定。这时所有分区的所有数据都会访问到同一个状态，状态就像被“广播”到所有分区一样，这种特殊的算子状态，就叫作广播状态（BroadcastState）。
因为广播状态在每个并行子任务上的实例都一样，所以在并行度调整的时候就比较简单，只要复制一份到新的并行任务就可以实现扩展；而对于并行度缩小的情况，可以将多余的并行子任务连同状态直接砍掉——因为状态都是复制出来的，并不会丢失。

**案例实操：**水位超过指定的阈值发送告警，阈值可以动态修改。

public class OperatorBroadcastStateDemo {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        env.setParallelism(2);


        // 数据流
        SingleOutputStreamOperator<WaterSensor> sensorDS = env
            .socketTextStream("localhost", 7777)
            .map(new WaterSensorMapFunction());

        // 配置流（用来广播配置）
        DataStreamSource<String> configDS = env.socketTextStream("localhost", 8888);

        // TODO 1. 将 配置流 广播
        MapStateDescriptor<String, Integer> broadcastMapState = new MapStateDescriptor<>("broadcast-state", Types.STRING, Types.INT);
        BroadcastStream<String> configBS = configDS.broadcast(broadcastMapState);

        // TODO 2.把 数据流 和 广播后的配置流 connect
        BroadcastConnectedStream<WaterSensor, String> sensorBCS = sensorDS.connect(configBS);

        // TODO 3.调用 process
        sensorBCS
            .process(
                new BroadcastProcessFunction<WaterSensor, String, String>() {
                    /**
                     * 数据流的处理方法： 数据流 只能 读取 广播状态，不能修改
                     * @param value
                     * @param ctx
                     * @param out
                     * @throws Exception
                     */
                    @Override
                    public void processElement(WaterSensor value, ReadOnlyContext ctx, Collector<String> out) throws Exception {
                        // TODO 5.通过上下文获取广播状态，取出里面的值（只读，不能修改）
                        ReadOnlyBroadcastState<String, Integer> broadcastState = ctx.getBroadcastState(broadcastMapState);
                        Integer threshold = broadcastState.get("threshold");
                        // 判断广播状态里是否有数据，因为刚启动时，可能是数据流的第一条数据先来
                        threshold = (ObjectUtils.isEmpty(threshold) ? 0 : threshold);
                        if (value.getVc() > threshold) {
                            out.collect(value + ",水位超过指定的阈值：" + threshold + "!!!");
                        }

                    }

                    /**
                     * 广播后的配置流的处理方法:  只有广播流才能修改 广播状态
                     * @param value
                     * @param ctx
                     * @param out
                     * @throws Exception
                     */
                    @Override
                    public void processBroadcastElement(String value, Context ctx, Collector<String> out) throws Exception {
                        // TODO 4. 通过上下文获取广播状态，往里面写数据
                        BroadcastState<String, Integer> broadcastState = ctx.getBroadcastState(broadcastMapState);
                        broadcastState.put("threshold", Integer.valueOf(value));

                    }
                }

            )
            .print();

        env.execute();
    }
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10.5 状态后端

在Flink中，状态的存储、访问以及维护，都是由一个可插拔的组件决定的，这个组件就叫作状态后端（state backend）。状态后端主要负责管理本地状态的存储方式和位置。

1. 状态后端的分类（HashMapStateBackend/RocksDB）

状态后端是一个“开箱即用”的组件，可以在不改变应用程序逻辑的情况下独立配置。Flink中提供了两类不同的状态后端，一种是“哈希表状态后端”（HashMapStateBackend），另一种是“内嵌RocksDB状态后端”（EmbeddedRocksDBStateBackend）。如果没有特别配置，系统默认的状态后端是HashMapStateBackend。
（1）哈希表状态后端（HashMapStateBackend）
HashMapStateBackend是把状态存放在内存里。具体实现上，哈希表状态后端在内部会直接把状态当作对象（objects），保存在Taskmanager的JVM堆上。普通的状态，以及窗口中收集的数据和触发器，都会以键值对的形式存储起来，所以底层是一个哈希表（HashMap），这种状态后端也因此得名。
（2）内嵌RocksDB状态后端（EmbeddedRocksDBStateBackend）
RocksDB是一种内嵌的key-value存储介质，可以把数据持久化到本地硬盘。配置EmbeddedRocksDBStateBackend后，会将处理中的数据全部放入RocksDB数据库中，RocksDB默认存储在TaskManager的本地数据目录里。
RocksDB的状态数据被存储为序列化的字节数组，读写操作需要序列化/反序列化，因此状态的访问性能要差一些。另外，因为做了序列化，key的比较也会按照字节进行，而不是直接调用.hashCode()和.equals()方法。
EmbeddedRocksDBStateBackend始终执行的是异步快照，所以不会因为保存检查点而阻塞数据的处理；而且它还提供了增量式保存检查点的机制，这在很多情况下可以大大提升保存效率。

2. 如何选择正确的状态后端

HashMap和RocksDB两种状态后端最大的区别，就在于本地状态存放在哪里。
HashMapStateBackend是内存计算，读写速度非常快；但是，状态的大小会受到集群可用内存的限制，如果应用的状态随着时间不停地增长，就会耗尽内存资源。
而RocksDB是硬盘存储，所以可以根据可用的磁盘空间进行扩展，所以它非常适合于超级海量状态的存储。不过由于每个状态的读写都需要做序列化/反序列化，而且可能需要直接从磁盘读取数据，这就会导致性能的降低，平均读写性能要比HashMapStateBackend慢一个数量级。

3. 状态后端的配置

在不做配置的时候，应用程序使用的默认状态后端是由集群配置文件flink-conf.yaml中指定的，配置的键名称为state.backend。这个默认配置对集群上运行的所有作业都有效，我们可以通过更改配置值来改变默认的状态后端。另外，我们还可以在代码中为当前作业单独配置状态后端，这个配置会覆盖掉集群配置文件的默认值。
（1）配置默认的状态后端
在flink-conf.yaml中，可以使用state.backend来配置默认状态后端。
配置项的可能值为hashmap，这样配置的就是HashMapStateBackend；如果配置项的值是rocksdb，这样配置的就是EmbeddedRocksDBStateBackend。
下面是一个配置HashMapStateBackend的例子：

# 默认状态后端
state.backend: hashmap
# 存放检查点的文件路径
state.checkpoints.dir: hdfs://hadoop102:8020/flink/checkpoints
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这里的state.checkpoints.dir配置项，定义了检查点和元数据写入的目录。
（2）为每个作业（Per-job/Application）单独配置状态后端
通过执行环境设置，HashMapStateBackend。
StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
env.setStateBackend(new HashMapStateBackend());
通过执行环境设置，EmbeddedRocksDBStateBackend。
StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
env.setStateBackend(new EmbeddedRocksDBStateBackend());
需要注意，如果想在IDE中使用EmbeddedRocksDBStateBackend，需要为Flink项目添加依赖：

<dependency>
  <groupId>org.apache.flink</groupId>
  <artifactId>flink-statebackend-rocksdb</artifactId>
  <version>${flink.version}</version>
</dependency>
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而由于Flink发行版中默认就包含了RocksDB(服务器上解压的Flink)，所以只要我们的代码中没有使用RocksDB的相关内容，就不需要引入这个依赖。