【源码解析】Flink 是如何处理迟到数据

相信会看到这篇文章的都对Flink的时间类型（事件时间、处理时间、摄入时间）和Watermark有些了解，当然不了解可以先看下官网的介绍：https://ci.apache.org/projects/flink/flink-docs-master/dev/event_time.html

这里就会有这样一个问题：FLink 是怎么基于事件时间和Watermark处理迟到数据的呢？

在回答这个问题之前，建议大家可以看下下面的Google 的三篇论文，关于流处理的模型：

https://www.vldb.org/pvldb/vol8/p1792-Akidau.pdf 《The Dataflow Model: A Practical Approach to Balancing Correctness, Latency, and Cost in Massive-Scale, Unbounded, Out-of-Order Data Processing》

high-level的现代数据处理概念指引:

https://www.oreilly.com/ideas/the-world-beyond-batch-streaming-101

https://www.oreilly.com/ideas/the-world-beyond-batch-streaming-102

---------------------------进入正题--------------------------------

现在进入正题：FLink 是怎么基于事件时间和Watermark处理迟到数据的呢？

这个问题可以分成两个部分：

　　1. 基于事件时间创建Timestamp 和Watermark（后面会详细介绍）

　　2. 处理迟到数据

1. 基于事件时间创建Timestamp 和Watermark

为了方便查看，这里使用 assignTimestampsAndWatermarks(assigner: AssignerWithPeriodicWatermarks[T]): DataStream[T]  重载方法基于每个事件生成水印代码如下：

val input = env.addSource(source)
      .map(json => {
        // json : {"id" : 0, "createTime" : "2019-08-24 11:13:14.942", "amt" : "9.8"}
        val id = json.get("id").asText()
        val createTime = json.get("createTime").asText()
        val amt = json.get("amt").asText()
        LateDataEvent("key", id, createTime, amt)
      })
      // assign watermarks every event
      .assignTimestampsAndWatermarks(new AssignerWithPunctuatedWatermarks[LateDataEvent]() {
      // check extractTimestamp emitted watermark is non-null and large than previously
      override def checkAndGetNextWatermark(lastElement: LateDataEvent, extractedTimestamp: Long): Watermark = {
        new Watermark(extractedTimestamp)
      }
      // generate next watermark
      override def extractTimestamp(element: LateDataEvent, previousElementTimestamp: Long): Long = {
        val eventTime = sdf.parse(element.createTime).getTime
        eventTime
      }
    })

```

扩展：数据在算子中是以StreamRecord 对象作为流转抽象结构如下：

public final class StreamRecord<T> extends StreamElement {

    /** The actual value held by this record.  具体数据*/
    private T value;

    /** The timestamp of the record.  该数据对应的时间戳 */
    private long timestamp;

}

StreamElement 也是 Watermark 和 StreamStatus的父类，简单来说就是Flink 承载消息的基类（这里可以指定，Watermark 是和事件一个级别的抽象，而Timestamp 是Watermark和事件的成员变量，代表Watermark和事件的时间）

```

assignTimestampsAndWatermarks 是基于事件的数据（extractTimestamp 方法中返回的Timestamp），替换StreamRecord 对象中的Timestamp和发出新的Watermark（如果当前事件的Timestamp 生成的Watermark大于上一次的Watermark）

下面我们来debug这部分源码：

首先在extractTimestamp  方法中添加断点查看Timestamp 和Watermark的生成：

TimestampsAndPunctuatedWatermarksOperator.processElement（使用的类取决于assignTimestampsAndWatermarks 方法的参数） 中处理事件的Timestamp和对应的Watermark

StreamRecord对象的创建在 StreamSourceContexts.processAndCollectWithTimestamp 中，使用的Timestamp 是数据在kafka的时间，在KafkaFetcher.emitRecord方法中从consumerRecord中获取：

KafkaFetcher.emitRecord   发出从kafka中消费到的数据：

protected void emitRecord(
        T record,
        KafkaTopicPartitionState<TopicPartition> partition,
        long offset,
        ConsumerRecord<?, ?> consumerRecord) throws Exception {

        emitRecordWithTimestamp(record, partition, offset, consumerRecord.timestamp());
    }

StreamSourceContexts.processAndCollectWithTimestamp 创建StreamRecord 对象

protected void processAndCollectWithTimestamp(T element, long timestamp) {
            output.collect(reuse.replace(element, timestamp)); // 放入真正的事件时间戳
        }

下面我们来看 TimestampsAndPunctuatedWatermarksOperator.processElement 的源码

@Override
    public void processElement(StreamRecord<T> element) throws Exception {
        // 获取这条数据
        final T value = element.getValue();
        // userFunction 就是代码里面创建的匿名类 AssignerWithPunctuatedWatermarks
        // 调用extractTimestamp，获取新的Timestamp
        // element.hasTimestamp 有的话就用，没有就给默认值long类型 的最小值
        final long newTimestamp = userFunction.extractTimestamp(value,
                element.hasTimestamp() ? element.getTimestamp() : Long.MIN_VALUE);
        // 使用新的Timestamp 替换StreamRecord 旧的Timestamp
        output.collect(element.replace(element.getValue(), newTimestamp));
        // 获取下一个Watermark，调用实现的 checkAndGetNextWatermark 方法
        final Watermark nextWatermark = userFunction.checkAndGetNextWatermark(value, newTimestamp);
        // 如果新的Watermark 大于上一个Watermark 就发出新的
        if (nextWatermark != null && nextWatermark.getTimestamp() > currentWatermark) {
            currentWatermark = nextWatermark.getTimestamp();
            output.emitWatermark(nextWatermark);
        }
    }

至此Timestamp和Watermark的创建（或者说生成）就好了

2. Flink 处理迟到数据

　　为了演示这个功能，在上面的程序中添加了window算子和迟到数据侧边输出的方法 sideOutputLateData，为了方便查看，这里再添加一次全部代码

val source = new FlinkKafkaConsumer[ObjectNode]("late_data", new JsonNodeDeserializationSchema(), Common.getProp)
    // 侧边输出的tag
    val late = new OutputTag[LateDataEvent]("late")

    val input = env.addSource(source)
      .map(json => {
        // json : {"id" : 0, "createTime" : "2019-08-24 11:13:14.942", "amt" : "9.8"}
        val id = json.get("id").asText()
        val createTime = json.get("createTime").asText()
        val amt = json.get("amt").asText()
        LateDataEvent("key", id, createTime, amt)
      })
      // assign watermarks every event
      .assignTimestampsAndWatermarks(new AssignerWithPunctuatedWatermarks[LateDataEvent]() {
      // check extractTimestamp emitted watermark is non-null and large than previously
      override def checkAndGetNextWatermark(lastElement: LateDataEvent, extractedTimestamp: Long): Watermark = {
        new Watermark(extractedTimestamp)
      }
      // generate next watermark
      override def extractTimestamp(element: LateDataEvent, previousElementTimestamp: Long): Long = {
        val eventTime = sdf.parse(element.createTime).getTime
        eventTime
      }
    })
      // after keyBy will have window number of different key
      .keyBy("key")
      .window(TumblingEventTimeWindows.of(Time.minutes(1)))
      // get lateData
      .sideOutputLateData(late)
      .process(new ProcessWindowFunction[LateDataEvent, LateDataEvent, Tuple, TimeWindow] {
        // just for debug window process late data
        override def process(key: Tuple, context: Context, elements: Iterable[LateDataEvent], out: Collector[LateDataEvent]): Unit = {
          // print window start timestamp & end timestamp & current watermark time
          println("window:" + context.window.getStart + "-" + context.window.getEnd + ", currentWatermark : " + context.currentWatermark)
          val it = elements.toIterator
          while (it.hasNext) {
            val current = it.next()
            out.collect(current)
          }
        }
      })
    // print late data
    input.getSideOutput(late).print("late:")
    input.print("apply:")
    env.execute("LateDataProcess")

代码逻辑很简单，主要是为了加入window算子，process算子是为了方便debug到window算子中

下面开始debug源码：

在process 方法中添加断点：

这次直接从window算子接收上游发过来的数据开始看起：

StreamInputProcessor.processInput方法负责将接收到的事件（数据、Watermark、StreamStatus、LatencyMarker），反序列化为 StreamElement（上文已经说得了，是事件抽象的基类），判断具体是那种消息，分别进行处理

public boolean processInput() throws Exception {

        while (true) {
            if (currentRecordDeserializer != null) {
                DeserializationResult result = currentRecordDeserializer.getNextRecord(deserializationDelegate);

                if (result.isBufferConsumed()) {
                    currentRecordDeserializer.getCurrentBuffer().recycleBuffer();
                    currentRecordDeserializer = null;
                }

                if (result.isFullRecord()) {
                    StreamElement recordOrMark = deserializationDelegate.getInstance();

                    if (recordOrMark.isWatermark()) {
                        // handle watermark
                        statusWatermarkValve.inputWatermark(recordOrMark.asWatermark(), currentChannel);
                        continue;
                    } else if (recordOrMark.isStreamStatus()) {
                        // handle stream status
                        statusWatermarkValve.inputStreamStatus(recordOrMark.asStreamStatus(), currentChannel);
                        continue;
                    } else if (recordOrMark.isLatencyMarker()) {
                        // handle latency marker
                        synchronized (lock) {
                            streamOperator.processLatencyMarker(recordOrMark.asLatencyMarker());
                        }
                        continue;
                    } else {
                        // now we can do the actual processing
                        StreamRecord<IN> record = recordOrMark.asRecord();
                        synchronized (lock) {
                            numRecordsIn.inc();
                            streamOperator.setKeyContextElement1(record);
                            streamOperator.processElement(record);
                        }
                        return true;
                    }
                }
            }

        }
    

注：代码比较长，挑选了跟这次主题相关的部分

Watermark：

数据：

这里我们主要看数据的处理逻辑：

// now we can do the actual processing
StreamRecord<IN> record = recordOrMark.asRecord();
synchronized (lock) {
    // metric 的Counter，统计有多少条数据进来
    numRecordsIn.inc();
    // 选择当前的key（类似与数据分区，每个key一个，里面存储自己的states）
    streamOperator.setKeyContextElement1(record);
    // 真正在进到WindowOperator 中处理数据了
    streamOperator.processElement(record);
}

就到了 WindowOperator.processElement 方法（主要判断逻辑都在这里）

// 判断windowAssigner 是不是MergingWindowAssigner
if (windowAssigner instanceof MergingWindowAssigner) 

区分开会话窗口和滑动、跳动窗口的处理逻辑，会话窗口的各个key的窗口是不对齐的

直接到 else部分：

} else {
    for (W window: elementWindows) {

        // drop if the window is already late 判断窗口数据是否迟到
        // 是，就直接跳过这条数据，重新处理下一条数据
        if (isWindowLate(window)) {
            continue;
        }

PS: 写了这么久，终于到迟到数据处理的地方了 -_-

下面看下 isWindowLate 部分的处理逻辑：

/**
 * Returns {@code true} if the watermark is after the end timestamp plus the allowed lateness
 * of the given window.
 */
protected boolean isWindowLate(W window) {
    // 只有事件时间下，并且 窗口元素的最大时间 + 允许迟到时间 <= 当前Watermark 的时候为true（即当前窗口元素迟到了）
    return (windowAssigner.isEventTime() && (cleanupTime(window) <= internalTimerService.currentWatermark()));
}        

/**
 * Returns the cleanup time for a window, which is
 * {@code window.maxTimestamp + allowedLateness}. In
 * case this leads to a value greater than {@link Long#MAX_VALUE}
 * then a cleanup time of {@link Long#MAX_VALUE} is
 * returned.
 * 返回窗口的cleanup 时间， 窗口的最大时间 + 允许延迟的时间
 * @param window the window whose cleanup time we are computing.
 */
private long cleanupTime(W window) {
    if (windowAssigner.isEventTime()) {
        long cleanupTime = window.maxTimestamp() + allowedLateness;
        return cleanupTime >= window.maxTimestamp() ? cleanupTime : Long.MAX_VALUE;
    } else {
        return window.maxTimestamp();
    }
}

看一条正常到达的数据：

{"id" : 891, "createTime" : "2019-08-24 17:51:44.152", "amt" : "5.6"}

891 这条数据的事件时间是：2019-08-24 17:51:44.152 ，1 分钟的整分窗口，这条数据对应的窗口就是： [2019-08-24 17:51:00.000, 2019-08-24 17:52:000) ，对应的时间戳是 ： [1566640260000, 1566640320000) ，当前的Watermark 是 ： 1566640294102，窗口数据的最大时间戳大于 当前的Watermark， 不是迟到数据，不跳过。

现在在来看一条迟到的数据：

{"id" : 892, "createTime" : "2019-08-24 17:51:54.152", "amt" : "3.6"}

892 这条数据的事件时间是：2019-08-24 17:51:54.152 ，1 分钟的整分窗口，这条数据对应的窗口就是： [2019-08-24 17:51:00.000, 2019-08-24 17:52:000) ，对应的时间戳是 ： [1566640260000, 1566640320000) ，当前的Watermark 是 ： 1566652224102 ，窗口数据的最大时间戳小于 当前的Watermark， 数据是迟到数据，跳过。

上面就是窗口对迟到数据的处理源码dubug了，到这里就已经讲完Flink 处理迟到数据的两个部分：

　　1. 基于事件时间创建Timestamp 和Watermark（后面会详细介绍）

　　2. 窗口处理迟到数据

注： 这里加上“窗口”，明确是window 算子做的这些事情

下面在来看下窗口迟到输出的SideOutput ，源码在：WindowOperator.processElement 方法的最后一段：

// side output input event if 事件时间
// element not handled by any window 没有window处理过这条数据，上面isSkippedElement 默认值为true，如果上面判断为迟到数据，isSkippedElement就会为false
// late arriving tag has been set
// windowAssigner is event time and current timestamp + allowed lateness no less than element timestamp
if (isSkippedElement && isElementLate(element)) {
    // 设置了 lateDataOutputTag 即window 算子后面的  .sideOutputLateData(late)
    if (lateDataOutputTag != null){
        sideOutput(element);
    } else {
        this.numLateRecordsDropped.inc();
    }
}

/**
 * Decide if a record is currently late, based on current watermark and allowed lateness.
 * 事件时间，并且 元素的时间戳 + 允许延迟的时间 <= 当前watermark 是为true
 * @param element The element to check
 * @return The element for which should be considered when sideoutputs
 */
protected boolean isElementLate(StreamRecord<IN> element){
    return (windowAssigner.isEventTime()) &&
        (element.getTimestamp() + allowedLateness <= internalTimerService.currentWatermark());
}

/**
 * Write skipped late arriving element to SideOutput.
 *
 * @param element skipped late arriving element to side output
 */
protected void sideOutput(StreamRecord<IN> element){
    output.collect(lateDataOutputTag, element);
}

搞定

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