14、Flink教程 – Flink高级API（容错机制）-小郑聊编程

01 引言

在前面的博客，我们学习了Flink的一些高级API。

在前面的教程，我们已经学习了Flink的四大基石里面的State了，如下图，本文讲解下Checkpoint容错机制：

02 Checkpoint

2.1 Checkpoint VS State

State:

维护/存储的是某一个Operator的运行的状态/历史值，是维护在内存中；
一般指一个具体的Operator的状态(operator的状态表示一些算子在运行的过程中会产生的一些历史结果，如前面的maxBy底层会维护当前的最大值，也就是会维护一个keyedOperator，这个State里面存放就是maxBy这个Operator中的最大值)；
State数据默认保存在Java的堆内存中/TaskManage节点的内存中；
State可以被记录，在失败的情况下数据还可以恢复。

Checkpoint:

某一时刻，Flink中所有的Operator的当前State的全局快照，一般存在磁盘上；
表示了一个Flink Job在一个特定时刻的一份全局状态快照，即包含了所有Operator的状态；
可以理解为Checkpoint是把State数据定时持久化存储了；
比如KafkaConsumer算子中维护的Offset状态，当任务重新恢复的时候可以从Checkpoint中获取。

注意:

Flink中的Checkpoint底层使用了Chandy-Lamport algorithm分布式快照算法可以保证数据的在分布式环境下的一致性!
Chandy-Lamport algorithm算法的作者也是ZK中Paxos一致性算法的作者

Flink中使用Chandy-Lamport algorithm分布式快照算法取得了成功，后续Spark的StructuredStreaming也借鉴了该算法。

2.2 Checkpoint 执行流程

2.2.1 简单流程

流程描述：

step1 ： Flink的JobManager创建CheckpointCoordinator
step2 ： Coordinator向所有的SourceOperator发送Barrier栅栏(理解为执行Checkpoint的信号)
step3 ： SourceOperator接收到Barrier之后,暂停当前的操作(暂停的时间很短,因为后续的写快照是异步的),并制作State快照, 然后将自己的快照保存到指定的介质中(如HDFS), 一切ok之后向Coordinator汇报并将Barrier发送给下游的其他Operator
step4 ：其他的如TransformationOperator接收到Barrier,重复第2步,最后将Barrier发送给Sink
step5 ： Sink接收到Barrier之后重复第2步
step6 ： Coordinator接收到所有的Operator的执行ok的汇报结果,认为本次快照执行成功

注意:

在往介质(如HDFS)中写入快照数据的时候是异步的(为了提高效率)
分布式快照执行时的数据一致性由Chandy-Lamport algorithm分布式快照算法保证

2.2.2 复杂流程

下图左侧是Checkpoint Coordinator，是整个Checkpoint的发起者，中间是由两个 source，一个 sink组成的Flink作业，最右侧的是持久化存储，在大部分用户场景中对应 HDFS。

step1 ：Checkpoint Coordinator 向所有 source 节点 trigger Checkpoint。

step2 ：source 节点向下游广播 barrier，这个barrier就是实现 Chandy-Lamport分布式快照算法的核心，下游的task只有收到所有input的 barrier 才会执行相应的Checkpoint。

step3 ：当 task完成state 备份后，会将备份数据的地址（state handle）通知给Checkpoint coordinator

step4 ：下游的 sink节点收集齐上游两个 input 的 barrier 之后，会执行本地快照，(栅栏对齐)，这里还展示了RocksDB incremental Checkpoint(增量Checkpoint)的流程，首先RocksDB会全量刷数据到磁盘上（红色大三角表示），然后Flink框架会从中选择没有上传的文件进行持久化备份（紫色小三角）

step5 ：同样的，sink节点在完成自己的 Checkpoint之后，会将 state handle 返回通知 Coordinator

step6 ：最后，当 Checkpoint coordinator 收集齐所有task的state handle，就认为这一次的Checkpoint全局完成了，向持久化存储中再备份一个 Checkpoint meta 文件。

2.3 State状态后端/State存储介质

注意：前面学习了Checkpoint其实就是Flink中某一时刻，所有的Operator的全局快照，那么快照应该要有一个地方进行存储，而这个存储的地方叫做状态后端，Flink中的State状态后端有很多种，如下：

功能	MemStateBackend	FastStateBackend	RocksDBStateBackend
构造方法	MemoryStateBackend(int maxStateSize,boolean asynchronousSnapshots)	FsStateBackend(URI checkpointDataUri,boolean asynchronousSnapshots)	RocksDBStateBackend(URLI checkpointDataUri,boolean enableIncrementalCheckpointing)
存储方式	State(TaskManager内存)、Checkpoint（JobManager内存）	State(TaskManager内存)，Checkpoint(外部文件系统、本地或HDFS)	State(TaskManager上的KV数据库，实际使用内存+磁盘)，Checkpoint（外部文件系统，本地或HDFS）
容量限制	单个State maxStateSize（默认为5M），maxStateSize<akka.framesize（默认为10M）,总大小不超过JobManager内存	单个TaskManager上State总量不超过它的内存，总大小不超过配置的文件系统容量	单个TaskManger上的State总量不超过它的内存+磁盘，单个Key最大2G，总大小不超过配置的文件系统容量
推荐使用的场景	本地测试（几乎无状态的作业，比如：ETL，JobManager不容易挂，或者挂掉影响不大的情况），不推荐生产环境使用	常规使用状态的作业（例如：分钟级窗口聚合、join），需要开启HA的作业，可以在生产场景使用	超大状态的作业（例如：天级窗口聚合）、需要开启HA的作业，对状态读写性能要求不高的作业、可以在生产场景使用

2.3.1 MemStateBackend

内存存储，即 MemoryStateBackend，构造方法是设置最大的StateSize，选择是否做异步快照;
对于State状态存储在TaskManager节点也就是执行节点内存中的，因为内存有容量限制，所以单个 State maxStateSize默认 5 M，且需要注意 maxStateSize `<= akka.framesize 默认 10 M;
对于Checkpoint存储在JobManager内存中，因此总大小不超过JobManager 的内存;
推荐使用的场景为：本地测试、几乎无状态的作业，比如ETL、JobManager 不容易挂，或挂掉影响不大的情况;
不推荐在生产场景使用。

2.3.2 FastStateBackend

另一种就是在文件系统上的 FsStateBackend 构建方法是需要传一个文件路径和是否异步快照。
State 依然在 TaskManager内存中，但不会像 MemoryStateBackend 是 5 M 的设置上限
Checkpoint 存储在外部文件系统（本地或 HDFS），打破了总大小 Jobmanager内存的限制。
推荐使用的场景为：常规使用状态的作业、例如分钟级窗口聚合或 join、需要开启HA的作业。
如果使用HDFS，则初始化FsStateBackend时，需要传入以 “hdfs://”开头的路径(即: new FsStateBackend("hdfs:///hacluster/checkpoint"))，
如果使用本地文件，则需要传入以“file://”开头的路径(即:new FsStateBackend("file:///Data"))。
在分布式情况下，不推荐使用本地文件。因为如果某个算子在节点A上失败，在节点B上恢复，使用本地文件时，在B上无法读取节点 A上的数据，导致状态恢复失败。

2.3.3 RocksDBStateBackend

RocksDB 是一个 key/value的内存存储系统，和其他的 key/value 一样，先将状态放到内存中，如果内存快满时，则写入到磁盘中
但需要注意 RocksDB不支持同步的Checkpoint，构造方法中没有同步快照这个选项。
不过 RocksDB 支持增量的 Checkpoint，意味着并不需要把所有 sst文件上传到 Checkpoint 目录，仅需要上传新生成的sst文件即可。
它的Checkpoint存储在外部文件系统（本地或HDFS）
其容量限制只要单个 TaskManager上 State 总量不超过它的内存+磁盘，单 Key最大2G，总大小不超过配置的文件系统容量即可
推荐使用的场景为：超大状态的作业，例如天级窗口聚合、需要开启 HA 的作业、最好是对状态读写性能要求不高的作业。

2.4 Checkpoint配置方式

2.4.1 全局配置

修改flink-conf.yaml：

#这里可以配置
#jobmanager(即MemoryStateBackend), 
#filesystem(即FsStateBackend), 
#rocksdb(即RocksDBStateBackend)
state.backend: filesystem 
state.checkpoints.dir: hdfs://namenode:8020/flink/checkpoints

2.4.2 代码配置

java代码:

//1.MemoryStateBackend--开发中不用
env.setStateBackend(new MemoryStateBackend)

//2.FsStateBackend--开发中可以使用--适合一般状态--秒级/分钟级窗口...
env.setStateBackend(new FsStateBackend("hdfs路径或测试时的本地路径"))

//3.RocksDBStateBackend--开发中可以使用--适合超大状态--天级窗口...
env.setStateBackend(new RocksDBStateBackend(filebackend, true))

注意RocksDBStateBackend还需要引入依赖：

<dependency>
   <groupId>org.apache.flink</groupId>
   <artifactId>flink-statebackend-rocksdb_2.11</artifactId>
   <version>1.7.2</version>
</dependency>

2.5 示例代码

/**
 * 演示Checkpoint参数设置(也就是Checkpoint执行流程中的步骤0相关的参数设置)
 *
 * @author : YangLinWei
 * @createTime: 2022/3/8 9:48 上午
 */
public class CheckpointDemo01 {

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        //1.env
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        //===========Checkpoint参数设置====
        //===========类型1:必须参数=============
        //设置Checkpoint的时间间隔为1000ms做一次Checkpoint/其实就是每隔1000ms发一次Barrier!
        env.enableCheckpointing(1000);
        //设置State状态存储介质
        /*if(args.length > 0){
            env.setStateBackend(new FsStateBackend(args[0]));
        }else {
            env.setStateBackend(new FsStateBackend("file:///D:\\data\\ckp"));
        }*/
        if (SystemUtils.IS_OS_WINDOWS) {

            env.setStateBackend(new FsStateBackend("file:///D:\\data\\ckp"));
        } else {

            env.setStateBackend(new FsStateBackend("hdfs://node1:8020/flink-checkpoint/checkpoint"));
        }

        //===========类型2:建议参数===========
        //设置两个Checkpoint 之间最少等待时间,如设置Checkpoint之间最少是要等 500ms(为了避免每隔1000ms做一次Checkpoint的时候,前一次太慢和后一次重叠到一起去了)
        //如:高速公路上,每隔1s关口放行一辆车,但是规定了两车之前的最小车距为500m
        env.getCheckpointConfig().setMinPauseBetweenCheckpoints(500);//默认是0
        //设置如果在做Checkpoint过程中出现错误，是否让整体任务失败：true是  false不是
        //env.getCheckpointConfig().setFailOnCheckpointingErrors(false);//默认是true
        env.getCheckpointConfig().setTolerableCheckpointFailureNumber(10);//默认值为0，表示不容忍任何检查点失败
        //设置是否清理检查点,表示 Cancel 时是否需要保留当前的 Checkpoint，默认 Checkpoint会在作业被Cancel时被删除
        //ExternalizedCheckpointCleanup.DELETE_ON_CANCELLATION：true,当作业被取消时，删除外部的checkpoint(默认值)
        //ExternalizedCheckpointCleanup.RETAIN_ON_CANCELLATION：false,当作业被取消时，保留外部的checkpoint
        env.getCheckpointConfig().enableExternalizedCheckpoints(CheckpointConfig.ExternalizedCheckpointCleanup.RETAIN_ON_CANCELLATION);

        //===========类型3:直接使用默认的即可===============
        //设置checkpoint的执行模式为EXACTLY_ONCE(默认)
        env.getCheckpointConfig().setCheckpointingMode(CheckpointingMode.EXACTLY_ONCE);
        //设置checkpoint的超时时间,如果 Checkpoint在 60s内尚未完成说明该次Checkpoint失败,则丢弃。
        env.getCheckpointConfig().setCheckpointTimeout(60000);//默认10分钟
        //设置同一时间有多少个checkpoint可以同时执行
        env.getCheckpointConfig().setMaxConcurrentCheckpoints(1);//默认为1

        //2.Source
        DataStream<String> linesDS = env.socketTextStream("node1", 9999);

        //3.Transformation
        //3.1切割出每个单词并直接记为1
        DataStream<Tuple2<String, Integer>> wordAndOneDS = linesDS.flatMap(new FlatMapFunction<String, Tuple2<String, Integer>>() {

            @Override
            public void flatMap(String value, Collector<Tuple2<String, Integer>> out) throws Exception {

                //value就是每一行
                String[] words = value.split(" ");
                for (String word : words) {

                    out.collect(Tuple2.of(word, 1));
                }
            }
        });
        //3.2分组
        //注意:批处理的分组是groupBy,流处理的分组是keyBy
        KeyedStream<Tuple2<String, Integer>, String> groupedDS = wordAndOneDS.keyBy(t -> t.f0);
        //3.3聚合
        DataStream<Tuple2<String, Integer>> aggResult = groupedDS.sum(1);

        DataStream<String> result = (SingleOutputStreamOperator<String>) aggResult.map(new RichMapFunction<Tuple2<String, Integer>, String>() {

            @Override
            public String map(Tuple2<String, Integer> value) throws Exception {

                return value.f0 + ":::" + value.f1;
            }
        });

        //4.sink
        result.print();

        Properties props = new Properties();
        props.setProperty("bootstrap.servers", "node1:9092");
        FlinkKafkaProducer<String> kafkaSink = new FlinkKafkaProducer<>("flink_kafka", new SimpleStringSchema(), props);
        result.addSink(kafkaSink);

        //5.execute
        env.execute();

        // /export/server/kafka/bin/kafka-console-consumer.sh --bootstrap-server node1:9092 --topic flink_kafka
    }
}

03 状态恢复和重启策略

3.1 自动重启策略和恢复

3.1.1 重启策略配置方式

如果在配置文件中，可以在flink-conf.yml中可以进行配置，示例如下:

restart-strategy: fixed-delay
restart-strategy.fixed-delay.attempts: 3
restart-strategy.fixed-delay.delay: 10 s

还可以在代码中针对该任务进行配置，示例如下:

env.setRestartStrategy(RestartStrategies.fixedDelayRestart(
3, // 重启次数
Time.of(10, TimeUnit.SECONDS) // 延迟时间间隔
))

3.1.2 重启策略分类

3.1.2.1 默认重启策略

如果配置了Checkpoint,而没有配置重启策略,那么代码中出现了非致命错误时，程序会无限重启。

3.1.2.2 无重启策略

Job直接失败，不会尝试进行重启

配置文件的方式：

restart-strategy: none

代码配置的方式：

val env = ExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment()
env.setRestartStrategy(RestartStrategies.noRestart())

3.1.2.3 固定延迟重启策略

重启策略可以配置flink-conf.yaml的下面配置参数来启用，作为默认的重启策略:

 restart-strategy: fixed-delay
 restart-strategy.fixed-delay.attempts: 3
 restart-strategy.fixed-delay.delay: 10 s

也可以在程序中设置:

// 表示:如果job失败,重启3次, 每次间隔10
val env = ExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment()
env.setRestartStrategy(RestartStrategies.fixedDelayRestart(
  3, // 最多重启3次数
  Time.of(10, TimeUnit.SECONDS) // 重启时间间隔
))

3.1.2.4 失败率重启策略

失败率重启策略可以在flink-conf.yaml中设置下面的配置参数来启用:

restart-strategy:failure-rate
restart-strategy.failure-rate.max-failures-per-interval: 3
restart-strategy.failure-rate.failure-rate-interval: 5 min
restart-strategy.failure-rate.delay: 10 s

失败率重启策略也可以在程序中设置:

//表示:如果5分钟内job失败不超过三次,自动重启, 
//每次间隔10s (如果5分钟内程序失败超过3次,则程序退出)
val env = ExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment()
env.setRestartStrategy(RestartStrategies.failureRateRestart(
  3, // 每个测量时间间隔最大失败次数
  Time.of(5, TimeUnit.MINUTES), //失败率测量的时间间隔
  Time.of(10, TimeUnit.SECONDS) // 两次连续重启的时间间隔
))

3.1.2.5 示例代码

/**
 * 演示Checkpoint+重启策略
 *
 * @author : YangLinWei
 * @createTime: 2022/3/8 10:01 上午
 */
public class CheckpointDemo02 {

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        //1.env
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        //===========Checkpoint参数设置====
        //===========类型1:必须参数=============
        //设置Checkpoint的时间间隔为1000ms做一次Checkpoint/其实就是每隔1000ms发一次Barrier!
        env.enableCheckpointing(1000);
        //设置State状态存储介质
        /*if(args.length > 0){
            env.setStateBackend(new FsStateBackend(args[0]));
        }else {
            env.setStateBackend(new FsStateBackend("file:///D:/ckp"));
        }*/
        if (SystemUtils.IS_OS_WINDOWS) {

            env.setStateBackend(new FsStateBackend("file:///D:/ckp"));
        } else {

            env.setStateBackend(new FsStateBackend("hdfs://node1:8020/flink-checkpoint/checkpoint"));
        }
        //===========类型2:建议参数===========
        //设置两个Checkpoint 之间最少等待时间,如设置Checkpoint之间最少是要等 500ms(为了避免每隔1000ms做一次Checkpoint的时候,前一次太慢和后一次重叠到一起去了)
        //如:高速公路上,每隔1s关口放行一辆车,但是规定了两车之前的最小车距为500m
        env.getCheckpointConfig().setMinPauseBetweenCheckpoints(500);//默认是0
        //设置如果在做Checkpoint过程中出现错误，是否让整体任务失败：true是  false不是
        //env.getCheckpointConfig().setFailOnCheckpointingErrors(false);//默认是true
        env.getCheckpointConfig().setTolerableCheckpointFailureNumber(10);//默认值为0，表示不容忍任何检查点失败
        //设置是否清理检查点,表示 Cancel 时是否需要保留当前的 Checkpoint，默认 Checkpoint会在作业被Cancel时被删除
        //ExternalizedCheckpointCleanup.DELETE_ON_CANCELLATION：true,当作业被取消时，删除外部的checkpoint(默认值)
        //ExternalizedCheckpointCleanup.RETAIN_ON_CANCELLATION：false,当作业被取消时，保留外部的checkpoint
        env.getCheckpointConfig().enableExternalizedCheckpoints(CheckpointConfig.ExternalizedCheckpointCleanup.RETAIN_ON_CANCELLATION);

        //===========类型3:直接使用默认的即可===============
        //设置checkpoint的执行模式为EXACTLY_ONCE(默认)
        env.getCheckpointConfig().setCheckpointingMode(CheckpointingMode.EXACTLY_ONCE);
        //设置checkpoint的超时时间,如果 Checkpoint在 60s内尚未完成说明该次Checkpoint失败,则丢弃。
        env.getCheckpointConfig().setCheckpointTimeout(60000);//默认10分钟
        //设置同一时间有多少个checkpoint可以同时执行
        env.getCheckpointConfig().setMaxConcurrentCheckpoints(1);//默认为1

        //=============重启策略===========
        //-1.默认策略:配置了Checkpoint而没有配置重启策略默认使用无限重启
        //-2.配置无重启策略
        //env.setRestartStrategy(RestartStrategies.noRestart());
        //-3.固定延迟重启策略--开发中使用!
        //重启3次,每次间隔10s
        /*env.setRestartStrategy(RestartStrategies.fixedDelayRestart(
                3, //尝试重启3次
                Time.of(10, TimeUnit.SECONDS))//每次重启间隔10s
        );*/
        //-4.失败率重启--偶尔使用
        //5分钟内重启3次(第3次不包括,也就是最多重启2次),每次间隔10s
        /*env.setRestartStrategy(RestartStrategies.failureRateRestart(
                3, // 每个测量时间间隔最大失败次数
                Time.of(5, TimeUnit.MINUTES), //失败率测量的时间间隔
                Time.of(10, TimeUnit.SECONDS) // 每次重启的时间间隔
        ));*/

        //上面的能看懂就行,开发中使用下面的代码即可
        env.setRestartStrategy(RestartStrategies.fixedDelayRestart(3, Time.of(10, TimeUnit.SECONDS)));

        //2.Source
        DataStream<String> linesDS = env.socketTextStream("node1", 9999);

        //3.Transformation
        //3.1切割出每个单词并直接记为1
        SingleOutputStreamOperator<Tuple2<String, Integer>> wordAndOneDS = linesDS.flatMap(new FlatMapFunction<String, Tuple2<String, Integer>>() {

            @Override
            public void flatMap(String value, Collector<Tuple2<String, Integer>> out) throws Exception {

                //value就是每一行
                String[] words = value.split(" ");
                for (String word : words) {

                    if (word.equals("bug")) {

                        System.out.println("手动模拟的bug...");
                        throw new RuntimeException("手动模拟的bug...");
                    }
                    out.collect(Tuple2.of(word, 1));
                }
            }
        });
        //3.2分组
        //注意:批处理的分组是groupBy,流处理的分组是keyBy
        KeyedStream<Tuple2<String, Integer>, String> groupedDS = wordAndOneDS.keyBy(t -> t.f0);
        //3.3聚合
        SingleOutputStreamOperator<Tuple2<String, Integer>> result = groupedDS.sum(1);

        //4.sink
        result.print();

        //5.execute
        env.execute();
    }
}

3.2 手动重启并恢复

1、把程序打包；

2、启动Flink集群(本地单机版,集群版都可以)；

/export/server/flink/bin/start-cluster.sh

3、访问webUI；

4、使用FlinkWebUI提交；

5、取消任务；

6、重新启动任务并指定从哪恢复（例如：hdfs://node1:8020/flink-checkpoint/checkpoint/9e8ce00dcd557dc03a678732f1552c3a/chk-34）；

7、关闭/取消任务；

8、关闭集群；

/export/server/flink/bin/stop-cluster.sh

04 Savepoint

4.1 Savepoint介绍

保存点（Savepoint）：类似于以前玩游戏的时候,遇到难关了/遇到boss了，赶紧手动存个档，然后接着玩，如果失败了，赶紧从上次的存档中恢复,然后接着玩。

在实际开发中，可能会遇到这样的情况：如要对集群进行停机维护/扩容…

那么这时候需要执行一次Savepoint也就是执行一次手动的Checkpoint/也就是手动的发一个barrier栅栏,那么这样的话,程序的所有状态都会被执行快照并保存。

当维护/扩容完毕之后，可以从上一次Savepoint的目录中进行恢复!

4.2 Savepoint VS Checkpoint

功能	Checkpoint	Savepoint
触发管理方式	由Flink自动触发并管理	由用户手动触发并管理
主要用途	在Task发生异常时快速恢复（例如网络抖动导致的超时异常）	有计划地机型备份，使作业能停止后回复（例如修改代码，调整并发）
特点	轻量、自动从故障中恢复、在作业停止后默认清除	持久、以标准格式存储，允许代码或配置发生改变、手动触发从Savepoint的恢复
目标	任务失败的恢复/故障转移机制	手动备份/重启/回复任务
实现	轻量快速	注重可移植性，成本较高
生命周期	Flink自身控制	用户手动控制

4.3 Savepoint 案例演示

# 启动yarn session
/export/server/flink/bin/yarn-session.sh -n 2 -tm 800 -s 1 -d

# 运行job-会自动执行Checkpoint
/export/server/flink/bin/flink run --class cn.itcast.checkpoint.CheckpointDemo01 /root/ckp.jar

# 手动创建savepoint--相当于手动做了一次Checkpoint
/export/server/flink/bin/flink savepoint 702b872ef80f08854c946a544f2ee1a5 hdfs://node1:8020/flink-checkpoint/savepoint/

# 停止job
/export/server/flink/bin/flink cancel 702b872ef80f08854c946a544f2ee1a5

# 重新启动job,手动加载savepoint数据
/export/server/flink/bin/flink run -s hdfs://node1:8020/flink-checkpoint/savepoint/savepoint-702b87-0a11b997fa70 --class cn.itcast.checkpoint.CheckpointDemo01 /root/ckp.jar 

# 停止yarn session
yarn application -kill application_1607782486484_0014

05 文末

本文主要讲解了Flink高级API里面的容错机制，谢谢大家的阅读，本文完！

14、Flink教程 - Flink高级API（容错机制）