State Processor API

State Processor API #

Apache Flink 的 State Processor API 提供了批模式 (BATCH) 下使用 DataStream API 读取、写入、修改 savepoint 和 checkpoint 的强大能力。 由于 DataStream 和 Table API 是等价的，也可以使用 Table API 或 SQL 来分析和处理 savepoint 或 checkpoint 中的状态数据。

例如，可以获取一个正在运行的流应用程序的 savepoint，使用 State Processor API 在批模式下对该 savepoint 进行分析，以验证应用程序的行为是否正确； 还可以从任意存储中读取并预处理一批数据后将结果写入一个 savepoint，然后基于这个 savepoint 初始化流应用程序的状态； State Processor API 也可以用来修复不一致的状态条目。 State Processor API 为有状态应用程序的演化提供了新的方式。以前有状态应用程序不能够进行更改，否则会丢失所有状态。现在可以通过 State Processor API 修改状态的数据类型、调整操作符的最大并行度、拆分或合并操作符状态、重新分配操作符 UID 等。

请在应用程序中包含以下库以使用 State Processor API。

<dependency>
    <groupId>org.apache.flink</groupId>
    <artifactId>flink-state-processor-api</artifactId>
    <version>1.20.0</version>
</dependency>

从状态到数据集 #

State Processor API 将流应用程序的状态映射到若干个可以单独处理的数据集中，为了能使用 API，您需要先理解这种映射是如何工作的。

让我们先看看有状态的 Flink 作业是什么样子的。Flink 作业由算子 (Operator) 组成: 一个作业通常包括若干个 Source 算子，一些实际用于计算处理的算子以及若干个 Sink 算子。 每个算子由若干个子任务并行运行，一个算子中可以有不同类型的 State。一个算子可以有若干个 operator state，这些状态被组织成列表，每个子任务的 State 对应列表中的一个元素。 如果一个算子是 keyed stream 中的，则它可以有若干个 keyed state，用来存储从 record 中提取出的 key，keyed state 可以看作分布式键值映射。

下图展示了应用程序 MyApp 中的状态，它由三个名为 Src、Proc 和 Snk 的算子组成。Src 算子有一个 operator state (os1)，Proc 算子有一个 operator state (os2) 和两个 keyed state (ks1、ks2)，Snk 算子是无状态的。

Application: MyApp

MyApp 的 savepoint 或 checkpoint 包含了所有状态数据，可以用来恢复每个子任务的状态。当使用批处理作业处理 savepoint/checkpoint 的数据时，我们需要一个映射模型，将各个任务的状态数据映射到数据集中。 事实上，可以将 savepoint 视为数据库，每个算子（由其 UID 标识）代表一个命名空间。算子的 operator state 可以映射为命名空间中一个单列的表，表中的一行代表一个子任务。 算子所有的 keyed state 可以看作一个多列的表，每一列表示一个 keyed state。下图展示了 MyApp 的 savepoint 和数据集间的映射关系。

Database: MyApp

上图显示了 Src 算子的 operator state 与数据集的映射，数据集的每一行表示一个 Src 算子的子任务的状态。 Proc 算子的 os2 也类似地映射到一个单列的表。Proc 算子的 ks1 和 ks2 组合成一个三列的表，第一列表示key，第二列表示 ks1，第三列表示 ks2，每一行表示一个 key 的状态。 Snk 算子没有状态，因此它的命名空间是空的。

算子的标识 #

State Processor API 允许使用 UIDs 或 UID hash来识别算子：OperatorIdentifier#forUid/forUidHash。 仅当无法使用 UID 时才应使用 UID hash，例如，当创建 savepoint 的应用程序未指定 UID 或算子 UID 未知时。

通过 State Processor API 读取状态 #

读取状态首先需要指定 savepoint 或 checkpoint 的路径以及用于恢复数据的 状态存储后端 (StateBackend)。State processor API 恢复的状态与 DataStream 应用恢复的状态是一致的。

StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
SavepointReader savepoint = SavepointReader.read(env, "hdfs://path/", new HashMapStateBackend());

Operator State #

Flink 中的 non-keyed state 被称为 operator state。 在应用程序中使用 CheckpointedFunction 或 BroadcastState 会生成 operator State。 读取 operator state 时，需要指定算子 UID、状态名称和类型信息。

Operator List State #

通过 getListState 存储在 CheckpointedFunction 中的 operator state 可以用 ExistingSavepoint#readListState 读取。 状态名称和类型信息应该与定义在 DataStream 应用程序中声明此状态的 ListStateDescriptor 相匹配。

DataStream<Integer> listState  = savepoint.readListState<>(
    OperatorIdentifier.forUid("my-uid"),
    "list-state",
    Types.INT);

Operator Union List State #

通过 getUnionListState 存储在 CheckpointedFunction 中的 operator state 可以用 ExistingSavepoint#readUnionState 读取。 状态名称和类型信息应该与定义在 DataStream 应用程序中声明此状态的 ListStateDescriptor 相匹配。 State Processor API 将返回一个状态的 单 副本，可以看作并发度为 1 的 DataStream 应用。

DataStream<Integer> listState  = savepoint.readUnionState<>(
    OperatorIdentifier.forUid("my-uid"),
    "union-state",
    Types.INT);

广播状态 Broadcast State #

可以用 ExistingSavepoint#readBroadcastState 读取 BroadcastState。 状态名称和类型信息应该与定义在 DataStream 应用程序中声明此状态的 MapStateDescriptor 相匹配。 State Processor API 将返回一个状态的 单 副本，可以看作并发度为 1 的 DataStream 应用。

DataStream<Tuple2<Integer, Integer>> broadcastState = savepoint.readBroadcastState<>(
    OperatorIdentifier.forUid("my-uid"),
    "broadcast-state",
    Types.INT,
    Types.INT);

使用自定义序列化器 #

如果在写出状态时 StateDescriptor 使用了自定义的 TypeSerializer，Operator state 也支持使用自定义的 TypeSerializers 来读取。

DataStream<Integer> listState = savepoint.readListState<>(
    OperatorIdentifier.forUid("uid"),
    "list-state", 
    Types.INT,
    new MyCustomIntSerializer());

Keyed State #

Keyed state，又叫分区状态 (partitioned state)，是使用一个 key 进行分区的状态。 当读取 keyed state 时，需要指定算子 id 和一个 KeyedStateReaderFunction<KeyType, OutputType>。

KeyedStateReaderFunction 允许用户读取任意列和复杂的状态类型，如 ListState, MapState, 和 AggregatingState。 这意味着如果一个算子包含一个带状态的处理函数，如：

public class StatefulFunctionWithTime extends KeyedProcessFunction<Integer, Integer, Void> {
 
   ValueState<Integer> state;
 
   ListState<Long> updateTimes;

   @Override
   public void open(OpenContext openContext) {
      ValueStateDescriptor<Integer> stateDescriptor = new ValueStateDescriptor<>("state", Types.INT);
      state = getRuntimeContext().getState(stateDescriptor);

      ListStateDescriptor<Long> updateDescriptor = new ListStateDescriptor<>("times", Types.LONG);
      updateTimes = getRuntimeContext().getListState(updateDescriptor);
   }
 
   @Override
   public void processElement(Integer value, Context ctx, Collector<Void> out) throws Exception {
      state.update(value + 1);
      updateTimes.add(System.currentTimeMillis());
   }
}

算子中的状态可以通过定义输出类型和相应的 KeyedStateReaderFunction 来读取。

DataStream<KeyedState> keyedState = savepoint.readKeyedState(OperatorIdentifier.forUid("my-uid"), new ReaderFunction());

public class KeyedState {
  public int key;

  public int value;

  public List<Long> times;
}
 
public class ReaderFunction extends KeyedStateReaderFunction<Integer, KeyedState> {

  ValueState<Integer> state;
 
  ListState<Long> updateTimes;

  @Override
  public void open(OpenContext openContext) {
    ValueStateDescriptor<Integer> stateDescriptor = new ValueStateDescriptor<>("state", Types.INT);
    state = getRuntimeContext().getState(stateDescriptor);

    ListStateDescriptor<Long> updateDescriptor = new ListStateDescriptor<>("times", Types.LONG);
    updateTimes = getRuntimeContext().getListState(updateDescriptor);
  }
 
  @Override
  public void readKey(
    Integer key,
    Context ctx,
    Collector<KeyedState> out) throws Exception {
        
    KeyedState data = new KeyedState();
    data.key    = key;
    data.value  = state.value();
    data.times  = StreamSupport
      .stream(updateTimes.get().spliterator(), false)
      .collect(Collectors.toList());

    out.collect(data);
  }
}

除了读取注册的状态之外，每个 key 还可以访问包括 event time 和 processing time 计时器等元数据的 Context。

注意： 当使用 KeyedStateReaderFunction 时，所有状态描述符必须在 open 函数中注册。 否则任何尝试调用 RuntimeContext#get*State 将导致 RuntimeException。

窗口状态 Window State #

State Processor API 支持读取窗口算子的状态，当读取窗口状态时，需要指定算子 id，窗口分配器和聚合类型。 此外，可以指定类似于 WindowFunction 或 ProcessWindowFunction 的 WindowReaderFunction 来增强每次读取的附加信息。

假设下面是一个统计用户每分钟点击次数的 DataStream 应用程序。

class Click {
    public String userId;

    public LocalDateTime time;    
}

class ClickCounter implements AggregateFunction<Click, Integer, Integer> {

	@Override
	public Integer createAccumulator() {
		return 0;
	}

	@Override
	public Integer add(Click value, Integer accumulator) {
		return 1 + accumulator;
	}

	@Override
	public Integer getResult(Integer accumulator) {
		return accumulator;
	}

	@Override
	public Integer merge(Integer a, Integer b) {
		return a + b;
	}
}

DataStream<Click> clicks = ...;

clicks
    .keyBy(click -> click.userId)
    .window(TumblingEventTimeWindows.of(Time.minutes(1)))
    .aggregate(new ClickCounter())
    .uid("click-window")
    .addSink(new Sink());

它的状态可以通过如下方式读取。


class ClickState {
    
    public String userId;

    public int count;

    public TimeWindow window;

    public Set<Long> triggerTimers;
}

class ClickReader extends WindowReaderFunction<Integer, ClickState, String, TimeWindow> { 

	@Override
	public void readWindow(
            String key,
            Context<TimeWindow> context,
            Iterable<Integer> elements,
            Collector<ClickState> out) {
		ClickState state = new ClickState();
		state.userId = key;
		state.count = elements.iterator().next();
		state.window = context.window();
		state.triggerTimers = context.registeredEventTimeTimers();
		
		out.collect(state);
	}
}

StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
SavepointReader savepoint = SavepointReader.read(env, "hdfs://checkpoint-dir", new HashMapStateBackend());

savepoint
    .window(TumblingEventTimeWindows.of(Time.minutes(1)))
    .aggregate("click-window", new ClickCounter(), new ClickReader(), Types.String, Types.INT, Types.INT)
    .print();

另外，可以通过 WindowReaderFunction 里的 Context#triggerState 方法读取 CountTrigger 或自定义触发器的状态。

通过 State Processor API 生成新 savepoint #

State processor API 可以用来生成 savepoint，这使得用户可以基于历史数据进行状态的初始化。 每个 savepoint 可以由若干个 StateBootstrapTransformation 生成，每个 StateBootstrapTransformation 定义了一个算子的状态。

当使用 SavepointWriter 时，您的应用程序必须在 批 执行模式下运行。
注意 State processor API 目前不支持 Scala API。 因此它将自动使用 Java 类型的序列化器。 为了能让 Scala DataStream API 从 state processor API 生成的 savepoint 中启动，请手动传递所有类型信息。 
int maxParallelism = 128;

SavepointWriter
    .newSavepoint(env, new HashMapStateBackend(), maxParallelism)
    .withOperator(OperatorIdentifier.forUid("uid1"), transformation1)
    .withOperator(OperatorIdentifier.forUid("uid2"), transformation2)
    .write(savepointPath);

与每个算子关联的 UID 必须与 DataStream 应用程序中分配给算子的 UID 一一对应；这样 Flink 才能知道什么状态映射到哪个算子。

Operator State #

Simple operator state, using CheckpointedFunction, can be created using the StateBootstrapFunction. 在 DataStream API 中通过 CheckpointedFunction 创建出的、简单的 operator state，在 state processor API 中可以用 StateBootstrapFunction 创建。

public class SimpleBootstrapFunction extends StateBootstrapFunction<Integer> {

    private ListState<Integer> state;

    @Override
    public void processElement(Integer value, Context ctx) throws Exception {
        state.add(value);
    }

    @Override
    public void snapshotState(FunctionSnapshotContext context) throws Exception {
    }
	
    @Override
    public void initializeState(FunctionInitializationContext context) throws Exception {
        state = context.getOperatorState().getListState(new ListStateDescriptor<>("state", Types.INT));
    }
}

StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
DataStream<Integer> data = env.fromElements(1, 2, 3);

StateBootstrapTransformation transformation = OperatorTransformation
    .bootstrapWith(data)
    .transform(new SimpleBootstrapFunction());

广播状态 Broadcast State #

BroadcastState 可以用 BroadcastStateBootstrapFunction 生成。与 DataStream API 中的 broadcast state 一样，它的全部状态必须能完全放入内存。

public class CurrencyRate {
    public String currency;

    public Double rate;
}

public class CurrencyBootstrapFunction extends BroadcastStateBootstrapFunction<CurrencyRate> {

    public static final MapStateDescriptor<String, Double> descriptor = 
        new MapStateDescriptor<>("currency-rates", Types.STRING, Types.DOUBLE);

    @Override
    public void processElement(CurrencyRate value, Context ctx) throws Exception {
        ctx.getBroadcastState(descriptor).put(value.currency, value.rate);
    }
}

DataStream<CurrencyRate> currencyDataSet = env.fromCollection(
    new CurrencyRate("USD", 1.0), new CurrencyRate("EUR", 1.3));

StateBootstrapTransformation<CurrencyRate> broadcastTransformation = OperatorTransformation
    .bootstrapWith(currencyDataSet)
    .transform(new CurrencyBootstrapFunction());

分区状态 Keyed State #

ProcessFunction 和其他 RichFunction 中的 keyed state 可以用 KeyedStateBootstrapFunction 生成。

public class Account {
    public int id;

    public double amount;	

    public long timestamp;
}
 
public class AccountBootstrapper extends KeyedStateBootstrapFunction<Integer, Account> {
    ValueState<Double> state;

    @Override
    public void open(OpenContext openContext) {
        ValueStateDescriptor<Double> descriptor = new ValueStateDescriptor<>("total",Types.DOUBLE);
        state = getRuntimeContext().getState(descriptor);
    }

    @Override
    public void processElement(Account value, Context ctx) throws Exception {
        state.update(value.amount);
    }
}
 
StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();

DataStream<Account> accountDataSet = env.fromCollection(accounts);

StateBootstrapTransformation<Account> transformation = OperatorTransformation
    .bootstrapWith(accountDataSet)
    .keyBy(acc -> acc.id)
    .transform(new AccountBootstrapper());

KeyedStateBootstrapFunction 支持设置 event time 定时器和 processing time 定时器。 计时器不会在 state processor API 的 bootstrap 函数内触发，只有在 DataStream 应用程序中恢复后才会激活。 如果设置了 processing time 计时器，但直到该时间过去后状态才恢复，则计时器将在启动后立即触发。

注意 如果您的 bootstrap 函数创建了计时器，则只能使用 process 类型的函数之一来恢复状态。

窗口状态 Window State #

State processor API 支持写出 window operator 的状态。 当写出窗口状态时，需要指定算子 id、窗口分配器、淘汰器(evictor)、触发器(可选)以及聚合类型。 State processor API 中 bootstrap transformation 的配置需要与 DataStream 窗口的配置相匹配。

public class Account {
    public int id;

    public double amount;	

    public long timestamp;
}
 
StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();

DataStream<Account> accountDataSet = env.fromCollection(accounts);

StateBootstrapTransformation<Account> transformation = OperatorTransformation
    .bootstrapWith(accountDataSet)
    .keyBy(acc -> acc.id)
    .window(TumblingEventTimeWindows.of(Time.minutes(5)))
    .reduce((left, right) -> left + right);

修改 Savepoint #

除了从头开始创建 savepoint 之外，您还可以基于现有 savepoint 修改，例如为现有作业初始化一个新的算子。

SavepointWriter
    .fromExistingSavepoint(env, oldPath, new HashMapStateBackend())
    .withOperator(OperatorIdentifier.forUid("uid"), transformation)
    .write(newPath);

更改 UID (hashes) #

SavepointWriter#changeOperatorIdenfifier 可以用来修改一个算子的 UIDs 或 UID hash。

如果一个 UID 没有被显式地设置(自动生成的并且是未知的)，那么你可以通过提供 UID hash (通过解析 logs 获得 UID hash) 来为算子赋予一个 UID:

savepointWriter
    .changeOperatorIdentifier(
        OperatorIdentifier.forUidHash("2feb7f8bcc404c3ac8a981959780bd78"),
        OperatorIdentifier.forUid("new-uid"))
    ...

也支持用新的 UID 替换就旧的 UID：

savepointWriter
    .changeOperatorIdentifier(
        OperatorIdentifier.forUid("old-uid"),
        OperatorIdentifier.forUid("new-uid"))
    ...