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實時計算 Flink SQL 核心功能解密

Flink SQL 是于2017年7月開始面向集團開放流計算服務的。雖然是一個非常年輕的產品，但是到雙11期間已經支撐了數千個作業(yè)，在雙11期間，Blink 作業(yè)的處理峰值達到了5+億每秒，而其中僅 Flink SQL 作業(yè)的處理總峰值就達到了3億/秒。Flink SQL 在這么短的時間內支撐了如此多的業(yè)務，與其穩(wěn)定的內核、完善的功能、強大的生態(tài)是分不開的。

本文會帶著大家一起來揭開 Flink SQL 核心功能的面紗（API上我們將盡可能的和Flink社區(qū)保持一致，這樣才能夠更好的融入開源的生態(tài)，所以我們將API叫做Flink SQL，而不是Blink SQL。事實上flink社區(qū)的SQL絕大部分是我們阿里的工程師貢獻的：3個 Flink Committer，10+ Contributor，貢獻 80% 的SQL 功能，近200個 commit，近十萬行的代碼）。

為什么是 SQL？

Blink 將 SQL 定位為其最核心的 API。為什么是 SQL 而不是 DataStream API 呢？因為 SQL 具有以下幾個優(yōu)點：

聲明式。用戶只需要表達我想要什么，至于怎么計算那是系統(tǒng)的事情，用戶不用關心。

自動調優(yōu)。查詢優(yōu)化器可以為用戶的 SQL 生成最有的執(zhí)行計劃。用戶不需要了解它，就能自動享受優(yōu)化器帶來的性能提升。

易于理解。很多不同行業(yè)不同領域的人都懂 SQL，SQL 的學習門檻很低，用 SQL 作為跨團隊的開發(fā)語言可以很大地提高效率。

穩(wěn)定。SQL 是一個擁有幾十年歷史的語言，是一個非常穩(wěn)定的語言，很少有變動。所以當我們升級引擎的版本時，甚至替換成另一個引擎，都可以做到兼容地、平滑地升級。

流與批的統(tǒng)一。Blink 底層 runtime 本身就是一個流與批統(tǒng)一的引擎。而 SQL 可以做到 API 層的流與批統(tǒng)一。

我們認為這 5 點對于用戶的易用性是非常重要的，而以上 5 點卻是 DataStream API 所不具備的。所以 Blink 將 SQL 定位為最核心的 API，而不是 DataStream API。

關于流與批的統(tǒng)一是現在業(yè)界非常火熱的一個話題，Flink SQL 的流與批統(tǒng)一總結起來就一句話：One Query, One Result。在很多場景，我們既需要批處理，又需要流處理。比如，使用批處理一天跑一個全量，同時使用流處理來做實時的增量更新。在以前經常需要維護兩套引擎，寫兩個 Job，兩個 Job 之間還要維護邏輯的一致性，這增加了很多的工作量。如果使用 SQL 的話，我們可以讓一份 SQL 代碼既跑在批模式下，又跑在流模式下，這樣用戶只需要維護一份 SQL 代碼，這是?One Query。而?One Result?是說，同一份 SQL 代碼，在流模式下和批模式下跑出來的結果是一樣的，也就是保證了流式 SQL 的語義正確性。

我們注意到 SQL 是為傳統(tǒng)批處理設計的，不是為流處理設計的。比如說傳統(tǒng) SQL處理的數據是有限的，而且SQL查詢只返回一個結果并結束。但是流上的查詢，處理的數據是無限的，不斷產生結果且不會結束。所以說傳統(tǒng) SQL 標準中很多定義無法直接映射到流計算中。那么如何在流上定義 SQL 呢？這里需要引出 Flink SQL 的核心概念：流與表的二象性。

Flink SQL 核心概念

動態(tài)表 & 流表二象性

傳統(tǒng)的 SQL 是定義在表上的，為了能在流上定義 SQL，我們也需要有一個表的概念。這里就需要引入一個非常重要的概念：動態(tài)表（Dynamic Table）。所謂動態(tài)表，就是數據會隨著時間變化的表，可以想象成就是數據庫中一張被不斷更新的表。我們發(fā)現流與表有非常緊密的關系，流可以看做動態(tài)表，動態(tài)表可以看做流。我們稱之為流表二象性（duality）。

如上圖所示，一個流可以看做對表的一系列更新操作（changelog），將流從頭開始重放就可以構造成一個動態(tài)表。而動態(tài)表的每次更新操作都會記錄下 changelog，通過抽取出動態(tài)表的 changelog 可以很輕松地得到原始的數據流（類似的思想也被應用于數據庫同步中，如集團的DRC產品）。因此流可以轉換成動態(tài)表，動態(tài)表又能轉成流，他們之間的轉換不會丟失任何信息，且保留了一致的 schema。流是動態(tài)表的另一種表現形式，動態(tài)表也是流的另一種表現形式，所以說流與表是一種二象性的關系。

連續(xù)查詢

上文說到動態(tài)表是流的另一種表現形式，有了動態(tài)表后，我們就可以在流上定義 SQL 了。流式 SQL 可以想象成連續(xù)查詢（Continuous Query）。傳統(tǒng)的查詢是只運行一次 SQL，產生一個結果就結束了。連續(xù)查詢會一直運行在那里，當每個數據到來，都會持續(xù)增量地更新計算結果，從而產生另一個動態(tài)表。而這個結果動態(tài)表（也就是流）會作為另一個 SQL（連續(xù)查詢）的輸入接著計算，從而串起整個數據流圖。

Flink SQL 核心功能

從 2016 年到 2017 年，Flink SQL 從無到有，迅速發(fā)展，解決多個 Stream SQL 領域的難點痛點，快速支持業(yè)務的需求。終于在今年的雙11，Flink SQL 支撐了大量的雙11業(yè)務，這與其豐富的上下游系統(tǒng)、完善的功能是離不開的，包括雙流 JOIN，維表 JOIN，TopN，Window，多路輸出等等。

打通集團上下游系統(tǒng)

Flink SQL 接入了集團內常見的十多種上下游系統(tǒng)，包括了11種結果表插件、5種源表插件、4種維表插件。只需要聲明對接系統(tǒng)的類型，就能完成上下游系統(tǒng)的連接，將你從阿里云存儲五花八門的 SDK 中解放出來。詳見《Flink SQL 功能解密系列 —— 阿里云流計算/Blink支持的connectors》

高級功能

• 雙流 JOIN

  雙流 JOIN 功能是將兩條流進行關聯(lián)，用來補齊流上的字段。雙流 JOIN 又分為無限流的雙流 JOIN 和帶窗口的雙流 JOIN。

• 維表 JOIN

  維表 JOIN 功能是流與表的關聯(lián)，也是用來為數據流補齊字段，只是補齊的維度字段是在外部存儲的維表中的。我們?yōu)榫S表 JOIN 做了諸如 Async、cache、multi-join-merge 等優(yōu)化，使得維表 JOIN 的性能非常優(yōu)異。具體原理分析和最佳實踐可以閱讀《Flink SQL 功能解密系列 —— 維表 JOIN 與異步優(yōu)化》

• TopN

  TopN 是統(tǒng)計報表和大屏非常常見的功能，主要用來實時計算排行榜。除了全局 TopN 功能外，我們還提供了分組 TopN 的功能。流上的 TopN 有非常多的挑戰(zhàn)。具體原理分析和實踐推薦閱讀《Flink SQL 功能解密系列 —— 流式 TopN 的挑戰(zhàn)與實現》

• Window

  Flink SQL 簡單易用的一大特色就是支持開箱即用的 Window 功能。支持滾動窗口（Tumble）、滑動窗口（Hop）、會話窗口（Session）以及傳統(tǒng)數據庫中的OVER窗口。具體使用方式可以閱讀《Window 文檔》

• 多路輸入、多路輸出

  Flink SQL 利用分段優(yōu)化支持了多路輸出，并且多路輸出的共享節(jié)點做到了資源的復用，使得不會計算多次。基于多路輸入、多路輸出的功能，可以將 Flink SQL 作為一個非常簡單易用的畫數據流的工具，可以很容易地構造出一個有流合并、流拆分的復雜 DAG 作業(yè)。

• MiniBatch 優(yōu)化

  除此之外，我們還在 SQL 上做了很多的優(yōu)化。其中 MiniBatch 就是核心優(yōu)化之一。對于有狀態(tài)的算子來說，每個進入算子的元素都需要對狀態(tài)做序列化/反序列化的操作，頻繁的狀態(tài)序列化/反序列化操作占了性能開銷的大半。MiniBatch 的核心思想是，對進入算子的元素進行攢批，一批數據只需要對狀態(tài)序列化/反序列化一次即可，極大地提升了性能。詳細的原理實現推薦閱讀《Flink SQL 功能解密系列 —— 解決熱點問題的大殺器 MiniBatch》

• Retraction 撤回機制

  撤回機制是 Flink SQL 中一個非常重要的基石，它解決了 early-fire 導致的結果正確性問題（所有的 GroupBy 都是 early-fire 的）。而利用好撤回機制有時候能夠很巧妙地幫助業(yè)務解決一些特殊需求。詳細的業(yè)務應用分析推薦閱讀《Flink SQL 功能解密系列 —— 流計算“撤回(Retraction)”案例分析》

業(yè)務支持情況

借助于阿里云一站式開發(fā)平臺，用戶可以高效地開發(fā) Flink SQL 作業(yè)，是業(yè)務上線與業(yè)務遷移的加速器。目前 Flink SQL 在集團內部已經服務于 雙11回血紅包、聚劃算、飛豬、菜鳥、盒馬、云零售、反作弊等數十個業(yè)務場景，二十多個 BU，并成功經歷雙11大促的考驗。在雙11當天，Flink SQL 的作業(yè)更是創(chuàng)下了每秒2.9億條的處理高峰。為各個業(yè)務取得了非常好的效果提供了非常堅實的保障。

轉載于:https://my.oschina.net/u/2935389/blog/3022980

總結

以上是生活随笔為你收集整理的实时计算 Flink SQL 核心功能解密的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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