Flink 消息聚合处理方案

微博机器学习平台使用 Flink 实时处理用户行为日志和生成标签，并且在生成标签后写入存储系统。为了降低存储系统的 IO 负载，有批量写入的需求，同时对数据延迟也需要进行一定的控制，因此需要一种有效的消息聚合处理方案。

在本篇文章中我们将详细介绍 Flink 中对消息进行聚合处理的方案，描述不同方案中可能遇到的问题和解决方法，并进行对比。

基于 flatMap 的解决方案

这是我们能够想到最直观的解决方案，即在自定义的 flatMap 方法中对消息进行聚合，伪代码如下：

对应的作业拓扑和运行状态如下：

该方案的优点如下：

逻辑简单直观，各并发间负载均匀。
flatMap 可以和上游算子 chain 到一起，减少网络传输开销。
使用 operator state 完成 checkpoint，支持正常和改并发恢复。

与此同时，由于使用 operator state，因此所有数据都保存在 JVM 堆上，当数据量较大时有 GC/OOM 风险。

使用 Count Window 的解决方案

对于大规模 state 数据，Flink 推荐使用 RocksDB backend，并且只支持在 KeyedStream 上使用。与此同时，KeyedStream 支持通过 Count Window 来实现消息聚合，因此 Count Window 成为第二个可选方案。

由于需要使用 KeyedStream，我们面临的第一个问题就是如何生成 key。一个比较自然的想法是直接使用随机数，伪代码示例如下：

对应的作业拓扑如下：

然而实际上线测试时出现了数据倾斜，不同并发间会出现负载不均，部分 task 接收不到数据从而 TPS 为 0:

在我们的场景下，除了有批量写入降低 IO 的需求，对数据延迟也需要控制，当 key set 太大时，每个 key 累积指定数据条数的时间将增加，会导致数据写入的延迟增大，因此我们需要控制 key set 的大小。经过分析，当 key set 较小时，Flink 默认的数据分发策略在并发间分布不均，从而导致了上述数据倾斜的问题。下面我们从源码级别对此进行说明。

首先， Flink 为了保证从 state 中恢复数据时产生最小的 IO，引入了 key group 的概念。Key group 数目等于最大并发数（max parallelism），取值范围是 128-32768。当做数据分发的时候，key 会按照规则被分发到 key group 里面，相关代码如下所示：

keyGroup->KeyGroupRangeAssignment.assignToKeyGroup(key,maxParallelism);

然后，key group 会按照规则被分发到每个 task 上，代码示例如下：

Task->String.valueOf(KeyGroupRangeAssignment.computeOperatorIndexForKeyGroup(maxParallelism, parallelism, keyGroup));

通过 debug 可以发现，当 key 的数量较小时，该分发策略会导致 key 在 task 之间分配不均匀，测试代码如下：

输出结果如下：

{0=4, 1=4, 2=1}
{0=651, 1=686, 2=710}

可以看到，当只有 10 个 key 时，并发间分布很不均匀；但当 key 的数量增加到 2048 时，就相对均匀了。

在了解了 key 的分发策略之后，我们可以相应的调整 key 的生成规则，来达到指定并发度和 key set 大小前提下的数据均匀，如下述代码所示：

我们利用 maxParallelism 和 parallelism 生成 key，并将其存储到一个大小为 parallelism 的 map 里，以 taskid 作为 map key ，每个 task 对应的 key list 作为 value，来保证每个 taskid 对应的 list 都存储了相同数量的 key。

最后，再将 map 打平，存储到一个数组里。在使用的时候，我们可以从该数组里随机取数来作为key，就能达到平均分配的目的了。

该方案的执行效果如下：

可以看到数据倾斜的问题得以解决，每个任务的负载都比较均匀。但需要注意的是由于引入了 key by，因此会有数据 shuffle，对比 flatmap 方案会有额外的网络开销。另外由于生成 key 的规则和实际并发度有关，因此该方案不支持改并发恢复，或者说如果修改并发，那么在 restore 的时候会发生数据错乱的问题，这一点需要尤为注意。

方案对比和总结

最后我们将两种解决方案的优缺点对比总结如下：

	key by + count window	flat map
是否可以从cp恢复	只要不修改并发就可以从 cp 恢复	是
计数方式	非累加，效率慢	累加，效率好
数据传输	shuffle（有网络传输）	chain 到一起（无网络传输）
内存开销	数据都在 state 中（rockdb/jvm heap)	jvm heap

在数据量不大且内存充足的情况下，建议使用 flatmap 方案；在数据量较大且可以保证不修改并发的情况下，建议使用 count window 方案并使用 RocksDB 进行 state数据存储；在数据量较大且需要修改并发的情况下，当前给出的两种方案都无法解决，需要寻求新的解决方案。

作者介绍：

曹富强、张颖，微博机器学习研发中心-系统工程师。现负责微博机器学习平台数据计算模块，主要涉及实时计算 Flink、Storm、Spark Streaming，离线计算 Hive、Spark 等。目前专注于 Flink 在微博机器学习场景的应用。

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