1. 介绍

实时流处理是有状态流处理的扩展,其中时间在计算里扮演某些角色。这通常出现在进行时间序列分析、基于特定时间段进行聚合(通常称为窗口),或者进行事件处理时,事件发生时间很重要等情况下。


2. 时间概念 - 事件时间(Event time)和处理时间(Processing time)

在 Flink 中,时间是一个重要的概念,涉及到两个主要的概念:事件时间(Event Time)和处理时间(Processing Time)。

事件时间是指数据流中事件实际发生的时间。这个时间通常由数据本身的时间戳(timestamp)来确定。事件时间窗口(Event Time Window)基于事件时间,根据事件的时间戳来划分数据流。在使用事件时间进行计算时,Flink 根据事件时间进行处理,处理过程中考虑数据的迟到(out-of-order)情况,保证数据的正确性和准确性。事件时间处理通常需要在数据源中记录和传递时间戳。

处理时间是指处理数据的时间。该时间通常由 Flink 系统自身的时间来确定。处理时间窗口(Processing Time Window)基于处理时间,根据 Flink 系统时间来划分数据流。在使用处理时间进行计算时,Flink 根据处理时间进行处理,而不考虑数据的迟到情况。处理时间通常是 Flink 默认的时间处理方式,因为它可以很好地支持流数据的低延迟处理。

在 Flink 中,可以根据应用程序的需求选择事件时间或处理时间进行计算。事件时间通常用于需要根据事件实际发生时间进行处理的场景,例如基于时间窗口的聚合和时间序列分析等;处理时间则通常用于需要低延迟处理的场景,例如实时监控和报警等。


3. 事件时间和水位线(Watermark)

在 Flink 中,Event Time 是指数据事件实际发生的时间,而 Watermark 是用于处理 Event Time 的机制之一。

在数据流处理中,由于数据的迟到(Out-of-Order)和乱序(Skew)等原因,Event Time 处理需要使用一些机制来解决这些问题。Flink 中提供的 Watermark 机制就是一种解决方案。Watermark 是一种特殊的记录,用于表示数据事件时间戳已经达到一定的阈值,即 Watermark 时间戳。Watermark 随着数据流的推进而不断推进,用于告诉系统当前处理的数据事件时间戳的进度,同时也可以用来触发一些窗口操作。

在 Flink 的 Event Time 处理中,Watermark 扮演很重要的角色。Watermark 的时间戳表示的是当前处理的数据流中,所有事件时间戳小于该时间戳的数据都已经到达,因此,可以认为该时间戳之前的数据已经全部到达,可以进行一些基于时间的操作,例如触发窗口计算、清空状态等。当数据流中的 Watermark 时间戳不再更新时,即表示数据流已经处理完毕。

在 Flink 中,Watermark 通常由数据源或者自定义的 Watermark Generator 生成。在数据源中,可以通过设置时间戳和 Watermark 来实现 Event Time 处理;而在自定义的 Watermark Generator 中,可以根据数据流中的事件时间戳来生成 Watermark。


4. 并行流中的水位线

数据源可能有多个并行的流(Parallel Streams),每个流都有自己的事件时间戳(Event Time)。在这种情况下,Watermark 机制需要进行一些特殊处理,以确保所有流的事件时间戳都被考虑到。

在多个并行流的情况下,Flink 为每个流生成不同的 Watermark。数据流中的每个事件都被分配到其中一个流中,每个流根据自己的事件时间戳生成 Watermark。在多个流之间,Flink 使用合并策略合并不同流的 Watermark,以便于确定所有流中的事件时间戳的进度。

Flink 提供不同的 Watermark 合并策略,如最小值合并、乘积合并、加权平均合并等。在使用 Watermark 时,需要根据实际情况选择合适的合并策略,以确保所有流的事件时间戳都被充分考虑到。

另外,在多个并行流的情况下,需要注意数据流的并发度(Parallelism)和 Watermark 的生成逻辑。如果数据流的并发度过高,可能导致 Watermark 的生成过于频繁,从而影响程序的性能。因此,在实际应用中,需要根据数据规模和系统资源等因素,选择合适的并发度和 Watermark 生成逻辑。


5. 延迟(Lateness)

在 Flink Timely Stream Processing 中,Lateness 指的是数据延迟到达的情况。因为数据在传输过程中可能出现网络延迟、数据丢失或乱序等原因,导致数据到达时间晚于其事件实际发生时间,这就是 Lateness。

在 Flink 中,可以通过设置 Watermark 的阈值来控制数据延迟的处理。当数据的 Event Time 超过 Watermark 的阈值时,Flink 认为该数据已经延迟到达,但仍然会将其纳入计算范围内。这种处理方式被称为允许数据延迟处理(Allowing Late Data Processing)。

在允许数据延迟处理的情况下,Flink 将延迟到达的数据放入 Lateness 容器中,并且在后续的计算中统一处理。可以通过设置 Lateness 容器的大小和清空策略来控制 Lateness 数据的处理。当 Lateness 容器满或者超过一定时间后,Flink 将其中的数据清空,并且将它们纳入最终的计算结果中。

除允许数据延迟处理外,Flink 还提供其它处理延迟数据的方式,如丢弃延迟数据(Dropping Late Data)和延迟数据补偿(Late Data Compensation)等。这些处理方式通常需要根据实际应用场景来选择,以达到最优的性能和结果。


6. 窗口(Windowing)

在 Flink Timely Stream Processing 中,Windowing 是指根据时间或者其它条件,将数据流划分为多个窗口,并且对每个窗口内的数据进行处理的过程。Windowing 是流数据处理中非常重要的概念,可以用于处理流数据中的时序信息和聚合计算等场景。

Flink 中提供多种类型的窗口,包括基于时间的窗口、基于计数的窗口、基于会话的窗口等。其中,最常用的是基于时间的窗口,可以根据 Event Time 或者 Processing Time 来划分窗口。基于时间的窗口通常可以分为滚动窗口(Tumbling Window)和滑动窗口(Sliding Window)两种类型。

滚动窗口是指不重叠的、固定大小的窗口,每个窗口内包含的数据是连续的、不重复的。例如,每秒钟处理一次数据,每次处理的数据是一秒钟内的数据。滑动窗口是指大小固定、可重叠的窗口,每个窗口内的数据可以包含在其它窗口内。例如,每秒钟处理一次数据,每次处理的数据是一秒钟内的数据,但是相邻的两次处理之间的数据有重叠。

在 Flink 中,可以通过定义窗口大小、滑动步长、窗口类型等参数,来创建不同类型的窗口。在窗口中,可以对窗口内的数据进行聚合计算、过滤、排序等操作,以得到最终的结果。