Apache Flink 进阶(三):Checkpoint 原理解析与应用实践

简介: 大家好,今天我将跟大家分享一下 Flink 里面的 Checkpoint,共分为四个部分。首先讲一下 Checkpoint 与 state 的关系,然后介绍什么是 state,第三部分介绍如何在 Flink 中使用state,第四部分则介绍 Checkpoint 的执行机制。

作者:唐云(茶干)

大家好,今天我将跟大家分享一下 Flink 里面的 Checkpoint,共分为四个部分。首先讲一下 Checkpoint 与 state 的关系,然后介绍什么是 state,第三部分介绍如何在 Flink 中使用state,第四部分则介绍 Checkpoint 的执行机制。

Checkpoint 与 state 的关系

Checkpoint 是从 source 触发到下游所有节点完成的一次全局操作。下图可以有一个对 Checkpoint 的直观感受,红框里面可以看到一共触发了 569K 次 Checkpoint,然后全部都成功完成,没有 fail 的。

1.png

state 其实就是 Checkpoint 所做的主要持久化备份的主要数据,看下图的具体数据统计,其 state 也就 9kb 大小 。

2.png

什么是 state

我们接下来看什么是 state。先看一个非常经典的 word count 代码,这段代码会去监控本地的 9000 端口的数据并对网络端口输入进行词频统计,我们本地行动 netcat,然后在终端输入 hello world,执行程序会输出什么?

3.png

答案很明显,(hello, 1)(word,1)

那么问题来了,如果再次在终端输入 hello world,程序会输入什么?

答案其实也很明显,(hello, 2)(world, 2)。为什么 Flink 知道之前已经处理过一次 hello world,这就是 state 发挥作用了,这里是被称为 keyed state 存储了之前需要统计的数据,所以帮助 Flink 知道 hello 和 world 分别出现过一次。

回顾一下刚才这段 word count 代码。keyby 接口的调用会创建 keyed stream 对 key 进行划分,这是使用 keyed state 的前提。在此之后,sum 方法会调用内置的 StreamGroupedReduce 实现。

4.png

什么是 keyed state

对于 keyed state,有两个特点:

  • 只能应用于 KeyedStream 的函数与操作中,例如 Keyed UDF, window state
  • keyed state 是已经分区/划分好的,每一个 key 只能属于某一个 keyed state

对于如何理解已经分区的概念,我们需要看一下 keyby 的语义,大家可以看到下图左边有三个并发,右边也是三个并发,左边的词进来之后,通过 keyby 会进行相应的分发。例如对于 hello word,hello 这个词通过 hash 运算永远只会到右下方并发的 task 上面去。

5.png

什么是operator state

  • 又称为 non-keyed state,每一个 operator state 都仅与一个 operator 的实例绑定。
  • 常见的 operator state 是 source state,例如记录当前 source 的 offset

再看一段使用 operator state 的 word count 代码:

6.png

这里的fromElements会调用FromElementsFunction的类,其中就使用了类型为 list state 的 operator state。根据 state 类型做一个分类如下图:

7.png

除了从这种分类的角度,还有一种分类的角度是从 Flink 是否直接接管:

  • Managed State:由 Flink 管理的 state,刚才举例的所有 state 均是 managed state
  • Raw State:Flink 仅提供 stream 可以进行存储数据,对 Flink 而言 raw state 只是一些 bytes

在实际生产中,都只推荐使用 managed state,本文将围绕该话题进行讨论。

如何在 Flink 中使用 state

下图就前文 word count 的 sum 所使用的StreamGroupedReduce类为例讲解了如何在代码中使用 keyed state:

8.png

下图则对 word count 示例中的FromElementsFunction类进行详解并分享如何在代码中使用 operator state:

9.png

Checkpoint 的执行机制

在介绍 Checkpoint 的执行机制前,我们需要了解一下 state 的存储,因为 state 是 Checkpoint 进行持久化备份的主要角色。

Statebackend 的分类

下图阐释了目前 Flink 内置的三类 state backend,其中MemoryStateBackendFsStateBackend在运行时都是存储在 java heap 中的,只有在执行 Checkpoint 时,FsStateBackend才会将数据以文件格式持久化到远程存储上。而RocksDBStateBackend则借用了 RocksDB(内存磁盘混合的 LSM DB)对 state 进行存储。

10.png

对于HeapKeyedStateBackend,有两种实现:

  • 支持异步 Checkpoint(默认):存储格式 CopyOnWriteStateMap
  • 仅支持同步 Checkpoint:存储格式 NestedStateMap

特别在 MemoryStateBackend 内使用HeapKeyedStateBackend时,Checkpoint 序列化数据阶段默认有最大 5 MB数据的限制

对于RocksDBKeyedStateBackend,每个 state 都存储在一个单独的 column family 内,其中 keyGroup,Key 和 Namespace 进行序列化存储在 DB 作为 key。

11.png

Checkpoint 执行机制详解

本小节将对 Checkpoint 的执行流程逐步拆解进行讲解,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。

  1. 第一步,Checkpoint Coordinator 向所有 source 节点 trigger Checkpoint;。

12.png

  1. 第二步,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。

13.png

  1. 第三步,当 task 完成 state 备份后,会将备份数据的地址(state handle)通知给 Checkpoint coordinator。

14.png

  1. 第四步,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,这里特地展示了 RocksDB incremental 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)。

15.png

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

16.png

  1. 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。

17.png

Checkpoint 的 EXACTLY_ONCE 语义

为了实现 EXACTLY ONCE 语义,Flink 通过一个 input buffer 将在对齐阶段收到的数据缓存起来,等对齐完成之后再进行处理。而对于 AT LEAST ONCE 语义,无需缓存收集到的数据,会对后续直接处理,所以导致 restore 时,数据可能会被多次处理。下图是官网文档里面就 Checkpoint align 的示意图:

18.png

需要特别注意的是,Flink 的 Checkpoint 机制只能保证 Flink 的计算过程可以做到 EXACTLY ONCE,端到端的 EXACTLY ONCE 需要 source 和 sink 支持。

Savepoint 与 Checkpoint 的区别

作业恢复时,二者均可以使用,主要区别如下:

Savepoint Externalized Checkpoint
用户通过命令触发,由用户管理其创建与删除 Checkpoint 完成时,在用户给定的外部持久化存储保存
标准化格式存储,允许作业升级或者配置变更 当作业 FAILED(或者CANCELED)时,外部存储的 Checkpoint 会保留下来
用户在恢复时需要提供用于恢复作业状态的 savepoint 路径 用户在恢复时需要提供用于恢复的作业状态的 Checkpoint 路径

▼ Apache Flink 社区推荐 ▼

Apache Flink 及大数据领域顶级盛会 Flink Forward Asia 2019 重磅开启,目前正在征集议题,限量早鸟票优惠ing。了解 Flink Forward Asia 2019 的更多信息,请查看:

https://developer.aliyun.com/special/ffa2019

首届 Apache Flink 极客挑战赛重磅开启,聚焦机器学习与性能优化两大热门领域,40万奖金等你拿,加入挑战请点击:

https://tianchi.aliyun.com/markets/tianchi/flink2019

相关实践学习
基于Hologres+Flink搭建GitHub实时数据大屏
通过使用Flink、Hologres构建实时数仓,并通过Hologres对接BI分析工具(以DataV为例),实现海量数据实时分析.
实时计算 Flink 实战课程
如何使用实时计算 Flink 搞定数据处理难题?实时计算 Flink 极客训练营产品、技术专家齐上阵,从开源 Flink功能介绍到实时计算 Flink 优势详解,现场实操,5天即可上手! 欢迎开通实时计算 Flink 版: https://cn.aliyun.com/product/bigdata/sc Flink Forward Asia 介绍: Flink Forward 是由 Apache 官方授权,Apache Flink Community China 支持的会议,通过参会不仅可以了解到 Flink 社区的最新动态和发展计划,还可以了解到国内外一线大厂围绕 Flink 生态的生产实践经验,是 Flink 开发者和使用者不可错过的盛会。 去年经过品牌升级后的 Flink Forward Asia 吸引了超过2000人线下参与,一举成为国内最大的 Apache 顶级项目会议。结合2020年的特殊情况,Flink Forward Asia 2020 将在12月26日以线上峰会的形式与大家见面。
相关文章
|
3月前
|
人工智能 数据处理 API
阿里云、Ververica、Confluent 与 LinkedIn 携手推进流式创新,共筑基于 Apache Flink Agents 的智能体 AI 未来
Apache Flink Agents 是由阿里云、Ververica、Confluent 与 LinkedIn 联合推出的开源子项目,旨在基于 Flink 构建可扩展、事件驱动的生产级 AI 智能体框架,实现数据与智能的实时融合。
595 6
阿里云、Ververica、Confluent 与 LinkedIn 携手推进流式创新,共筑基于 Apache Flink Agents 的智能体 AI 未来
|
存储 Cloud Native 数据处理
从嵌入式状态管理到云原生架构:Apache Flink 的演进与下一代增量计算范式
本文整理自阿里云资深技术专家、Apache Flink PMC 成员梅源在 Flink Forward Asia 新加坡 2025上的分享,深入解析 Flink 状态管理系统的发展历程,从核心设计到 Flink 2.0 存算分离架构,并展望未来基于流批一体的通用增量计算方向。
390 0
从嵌入式状态管理到云原生架构:Apache Flink 的演进与下一代增量计算范式
|
5月前
|
SQL 人工智能 数据挖掘
Apache Flink:从实时数据分析到实时AI
Apache Flink 是实时数据处理领域的核心技术,历经十年发展,已从学术项目成长为实时计算的事实标准。它在现代数据架构中发挥着关键作用,支持实时数据分析、湖仓集成及实时 AI 应用。随着 Flink 2.0 的发布,其在流式湖仓、AI 驱动决策等方面展现出强大潜力,正推动企业迈向智能化、实时化的新阶段。
664 9
Apache Flink:从实时数据分析到实时AI
|
5月前
|
SQL 人工智能 API
Apache Flink 2.1.0: 面向实时 Data + AI 全面升级,开启智能流处理新纪元
Apache Flink 2.1.0 正式发布,标志着实时数据处理引擎向统一 Data + AI 平台迈进。新版本强化了实时 AI 能力,支持通过 Flink SQL 和 Table API 创建及调用 AI 模型,新增 Model DDL、ML_PREDICT 表值函数等功能,实现端到端的实时 AI 工作流。同时增强了 Flink SQL 的流处理能力,引入 Process Table Functions(PTFs)、Variant 数据类型,优化流式 Join 及状态管理,显著提升作业稳定性与资源利用率。
621 0
|
4月前
|
人工智能 运维 Java
Flink Agents:基于Apache Flink的事件驱动AI智能体框架
本文基于Apache Flink PMC成员宋辛童在Community Over Code Asia 2025的演讲,深入解析Flink Agents项目的技术背景、架构设计与应用场景。该项目聚焦事件驱动型AI智能体,结合Flink的实时处理能力,推动AI在工业场景中的工程化落地,涵盖智能运维、直播分析等典型应用,展现其在AI发展第四层次——智能体AI中的重要意义。
1529 27
Flink Agents:基于Apache Flink的事件驱动AI智能体框架
|
5月前
|
存储 人工智能 数据处理
对话王峰:Apache Flink 在 AI 时代的“剑锋”所向
Flink 2.0 架构升级实现存算分离,迈向彻底云原生化,支持更大规模状态管理、提升资源效率、增强容灾能力。通过流批一体与 AI 场景融合,推动实时计算向智能化演进。生态项目如 Paimon、Fluss 和 Flink CDC 构建湖流一体架构,实现分钟级时效性与低成本平衡。未来,Flink 将深化 AI Agents 框架,引领事件驱动的智能数据处理新方向。
593 6
|
5月前
|
消息中间件 存储 Kafka
Apache Flink错误处理实战手册:2年生产环境调试经验总结
本文由 Ververica 客户成功经理 Naci Simsek 撰写,基于其在多个行业 Flink 项目中的实战经验,总结了 Apache Flink 生产环境中常见的三大典型问题及其解决方案。内容涵盖 Kafka 连接器迁移导致的状态管理问题、任务槽负载不均问题以及 Kryo 序列化引发的性能陷阱,旨在帮助企业开发者避免常见误区,提升实时流处理系统的稳定性与性能。
509 0
Apache Flink错误处理实战手册:2年生产环境调试经验总结
|
10月前
|
Java 网络安全 Apache
SshClient应用指南:使用org.apache.sshd库在服务器中执行命令。
总结起来,Apache SSHD库是一个强大的工具,甚至可以用于创建你自己的SSH Server。当你需要在服务器中执行命令时,这无疑是非常有用的。希望这个指南能对你有所帮助,并祝你在使用Apache SSHD库中有一个愉快的旅程!
683 29
|
10月前
|
传感器 人工智能 监控
反向寻车系统怎么做?基本原理与系统组成解析
本文通过反向寻车系统的核心组成部分与技术分析,阐述反向寻车系统的工作原理,适用于适用于商场停车场、医院停车场及火车站停车场等。如需获取智慧停车场反向寻车技术方案前往文章最下方获取,如有项目合作及技术交流欢迎私信作者。
815 2