四、flink--window、eventTime和wate

一、flink的window机制

1.1 window概述

​ streaming流式计算是一种被设计用于处理无限数据集的数据处理引擎，而无限数据集是指一种不断增长的本质上无限的数据集，而window是一种切割无限数据为有限块进行处理的手段。
​ Window是无限数据流处理的核心，Window将一个无限的stream拆分成有限大小的”buckets”桶，我们可以在这些桶上做计算操作。

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1.2 window的类型

window可以分为两大类：
CountWindow：按照指定的数据条数生成一个Window，与时间无关。比较少用
TimeWindow：按照时间生成Window。非常常用，下面主要将时间窗口有哪些类型。主要有四类：滚动窗口（Tumbling Window）、滑动窗口（Sliding Window）、会话窗口（Session Window）和全局窗口（global window比较少用 ）。

1.2.1 滚动窗口（Tumbling Windows）

概述：将数据依据固定的窗口长度对数据进行切片。只有一个工作参数，就是窗口大小
特点：时间对齐，窗口长度固定，没有重叠。
​ 滚动窗口分配器将每个元素分配到一个指定窗口大小的窗口中，滚动窗口有一个固定的大小，并且不会出现重叠（前后时间点都是紧接着的）。例如：如果你指定了一个5分钟大小的滚动窗口，窗口的创建如下图所示：

​ 图 1.2.1 滚动窗口
适用场景：适合做BI统计等（做每个时间段的聚合计算）。

1.2.2 滑动窗口（Sliding Windows）

概述：滑动窗口是固定窗口的更广义的一种形式，滑动窗口工作参数由固定的窗口长度和滑动间隔组成。
特点：时间对齐，窗口长度固定，有重叠。
​ 滑动窗口分配器将元素分配到固定长度的窗口中，与滚动窗口类似，窗口的大小由窗口大小参数来配置，另一个窗口滑动参数控制滑动窗口开始的频率。因此，滑动窗口如果滑动参数小于窗口大小的话，窗口是可以重叠的，在这种情况下元素会被分配到多个窗口中。
例如，你有10分钟的窗口和5分钟的滑动，那么每个窗口中5分钟的窗口里包含着上个10分钟产生的数据，如下图所示：

​ 图 1.2.2 滑动窗口
适用场景：对最近一个时间段内的统计（求某接口最近5min的失败率来决定是否要报警）。

1.2.3 会话窗口（Session Windows）

概述：由一系列事件组合一个指定时间长度的timeout间隙组成，类似于web应用的session，也就是一段时间没有接收到新数据就会生成新的窗口。
特点：时间无对齐。窗口无固定长度
​ session窗口分配器通过session活动来对元素进行分组，session窗口跟滚动窗口和滑动窗口相比，不会有重叠和固定的开始时间和结束时间的情况，相反，当它在一个固定的时间周期内不再收到元素，即非活动间隔产生，那个这个窗口就会关闭。一个session窗口通过一个session间隔来配置，这个session间隔定义了非活跃周期的长度，当这个非活跃周期产生，那么当前的session将关闭并且后续的元素将被分配到新的session窗口中去。

​ 图1.2.3 会话窗口

1.3 window窗口api

1.3.1 window api分类

window数据源分为两种，一种是典型的KV类型（keyedStream），另一种是非KV类型（Non-keyedStream）。
区别：
keyedStream：
需要在使用窗口操作前，调用 keyBy对KV按照key进行分区，然后才可以调用window操作的api，比如 countWindow，timeWindow等

Non-keyedstream：
如果使用窗口操作前，没有使用keyBy算子，那么就认为是Non-keyedstream，调用的window api就是 xxxWindowAll，比如countWindowAll，timeWindowAll，而且因为是非KV，所以无法分区，也就是只有一个分区，那么这个窗口并行度只能是1。这个是要注意的。

1.3.2 countWindow

CountWindow根据窗口中相同key元素的数量来触发执行，执行时只计算元素数量达到窗口大小的key对应的结果。

有两个用法：
countWindow(window_size)：只指定窗口大小，此时窗口是滚动窗口
countWindow(window_size, slide)：指定窗口大小以及滑动间隔，此时窗口是滑动窗口

注意：CountWindow的window_size指的是相同Key的元素的个数，不是输入的所有元素的总数。

1、滚动窗口
默认的CountWindow是一个滚动窗口，只需要指定窗口大小即可，当元素数量达到窗口大小时，就会触发窗口的执行。

import org.apache.flink.api.common.functions.FlatMapFunction;
import org.apache.flink.api.common.functions.ReduceFunction;
import org.apache.flink.api.java.tuple.Tuple2;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.DataStreamSource;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
import org.apache.flink.util.Collector;

public class WindowTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        DataStreamSource source = env.readTextFile("/test.txt");
        source.flatMap(new FlatMapFunction>() {
            @Override
            public void flatMap(String s, Collector> collector) throws Exception {
                for (String s1 : s.split(" ")) {
                    collector.collect(new Tuple2<>(s1, 1));
                }
            }
        }).keyBy(0).countWindow(5).reduce(new ReduceFunction>() {
            @Override
            public Tuple2 reduce(Tuple2 t1, Tuple2 t2) throws Exception {
                return new Tuple2<>(t1.f0, t1.f1 + t2.f1);
            }
        }).print();

        env.execute("滚动窗口");
    }

}

2、滑动窗口
动窗口和滚动窗口的函数名是完全一致的，只是在传参数时需要传入两个参数，一个是window_size，一个是sliding_size。
下面代码中的sliding_size设置为了2，也就是说，每收到两个相同key的数据就计算一次，每一次计算的window范围是5个元素。

import org.apache.flink.api.common.functions.FlatMapFunction;
import org.apache.flink.api.common.functions.ReduceFunction;
import org.apache.flink.api.java.tuple.Tuple2;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.DataStreamSource;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
import org.apache.flink.util.Collector;

public class WindowTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        DataStreamSource source = env.readTextFile("/test.txt");
        source.flatMap(new FlatMapFunction>() {
            @Override
            public void flatMap(String s, Collector> collector) throws Exception {
                for (String s1 : s.split(" ")) {
                    collector.collect(new Tuple2<>(s1, 1));
                }
            }
        }).keyBy(0).countWindow(5,2).reduce(new ReduceFunction>() {
            @Override
            public Tuple2 reduce(Tuple2 t1, Tuple2 t2) throws Exception {
                return new Tuple2<>(t1.f0, t1.f1 + t2.f1);
            }
        }).print();

        env.execute("滑动窗口");
    }

}

1.3.3 timeWindow

​ TimeWindow是将指定时间范围内的所有数据组成一个window，一次对一个window里面的所有数据进行计算。同样支持类似上面的滚动窗口和滑动窗口模式。有两个工作参数：window_size和slide。只指定window_size时是滚动窗口。

1、滚动窗口
​ Flink默认的时间窗口根据Processing Time 进行窗口的划分，将Flink获取到的数据根据进入Flink的时间划分到不同的窗口中。

import org.apache.flink.api.common.functions.FlatMapFunction;
import org.apache.flink.api.common.functions.ReduceFunction;
import org.apache.flink.api.java.tuple.Tuple2;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.DataStreamSource;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
import org.apache.flink.streaming.api.windowing.time.Time;
import org.apache.flink.util.Collector;

public class WindowTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        DataStreamSource source = env.readTextFile("/test.txt");
        source.flatMap(new FlatMapFunction>() {
            @Override
            public void flatMap(String s, Collector> collector) throws Exception {
                for (String s1 : s.split(" ")) {
                    collector.collect(new Tuple2<>(s1, 1));
                }
            }
        }).keyBy(0).timeWindow(Time.seconds(2)).reduce(new ReduceFunction>() {
            @Override
            public Tuple2 reduce(Tuple2 t1, Tuple2 t2) throws Exception {
                return new Tuple2<>(t1.f0, t1.f1 + t2.f1);
            }
        }).print();

        env.execute("滚动窗口");
    }

}

2、滑动窗口
和上面类似，就是参数里面增加了slide参数，也就是滑动时间间隔。时间间隔可以通过Time.milliseconds(x)，Time.seconds(x)，Time.minutes(x)等其中的一个来指定。

1.3.4 window reduce

也就是在窗口算子之后执行reduce算子，用法和普通的reduce一样，只不过reduce的单位是一个窗口。即每一个窗口返回一次reduce结果。程序在上面，不重复了。

1.3.5 window fold

也就是在窗口算子之后执行fold算子，用法和普通的fold一样，只不过fold的单位是一个窗口。即每一个窗口返回一次reduce结果。程序在上面，不重复了。

1.3.6 window聚合操作

指的是max、min等这些聚合算子，只不过是在window算子之后使用，以窗口为单位，每一个窗口返回一次聚合结果，而不是像普通那样，每一次聚合结果都返回。

二、time、watermark和window

2.1 flink中 time的分类

在flink中，time有不同分类，如下：
Event Time：
是事件创建的时间。它通常由事件中的时间戳描述，例如采集的日志数据中，每一条日志都会记录自己的生成时间，Flink通过时间戳分配器访问事件时间戳。

Ingestion Time：
是数据进入Flink的时间。

Processing Time：
是每一个执行基于时间操作的算子的本地系统时间，与机器相关，默认的时间属性就是Processing Time。也就是数据被处理时的当前时间。

这些时间有什么不同呢？因网络传输需要时间，所以Ingestion Time不一定和Event Time相等，很多情况下是不等的。同样Processing Time表示数据处理时的时间，如果数据是很久之前采集的，现在才处理，那么很明显，三个时间time都不会相等的。

​ 图 2.1 flink--时间的概念

例子：
一条日志进入Flink的时间为2017-11-12 10:00:00.123，到达Window的系统时间为2017-11-12 10:00:01.234，日志的内容如下：
2017-11-02 18:37:15.624 INFO Fail over to rm2
可以看到，三个time都不相等。而对于业务来说，要统计1min内的故障日志个数，哪个时间是最有意义的？—— eventTime，因为我们要根据日志的生成时间进行统计。但是flink默认的窗口的时间是Processing Time，那么如何引入eventTime呢？

2.2 eventTime的引入

​ 在Flink的流式处理中，绝大部分的业务都会使用eventTime，一般只在eventTime无法使用时，才会被迫使用ProcessingTime或者IngestionTime。默认使用的是ProcessingTime。那么如何指定flink使用指定的time呢？

2.2.1 引入方式1：设置env时间类型

StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
env.setStreamTimeCharacteristic(时间类型);

//三种类型的time对应如下：
TimeCharacteristic.EventTime；  eventtime
TimeCharacteristic.IngestionTime;  到达flink的时间
TimeCharacteristic.ProcessingTime;  处理数据的时间

这种方式是整个env全局生效的，是直接将env默认的时间设置为eventtime。后面的窗口操作默认就会使用eventtime作为时间依据。如果想不同的窗口设置不同的时间类型，这种方式就行不通了。

2.2.2 引入方式2：单独设置window的实际类型

stream.window(TumblingEventTimeWindows.of(Time.seconds(5)))

.window这个api就是所有窗口总的api，其他窗口api都是通过这个api封装出来的。可以通过这个总api，参数直接窗口的类型，比如上面的就是指定eventtime 的timewindow，这样并不会影响整个env的时间类型。

同样的，其他时间类型窗口，比如：
SlidingEventTimeWindows  滑动eventtime窗口

基本上看名字就知道是什么时间类型（三大时间类型）、以及什么类型（滑动、滚动、会话窗口）的窗口了。注意：eventtime没有session窗口，processingTime和

2.3 watermark的原理

2.3.1 引入背景

​ 我们知道，流处理从事件产生，到流经source，再到operator，中间是有一个过程和时间的，虽然大部分情况下，流到operator的数据都是按照事件产生的时间顺序来的，但是也不排除由于网络、背压等原因，导致乱序的产生，所谓乱序，就是指Flink接收到的事件的先后顺序不是严格按照事件的Event Time顺序排列的。

​ 图 2.3 数据的乱序
​ 那么此时出现一个问题，一旦出现乱序，如果只根据eventTime决定window的运行，我们不能明确数据是否全部到位，但又不能无限期的等下去，此时必须要有个机制来保证一个特定的时间后，必须触发window去进行计算了，这个特别的机制，就是Watermark。
解释：
如果只按照到达的event的eventtime来触发窗口操作，假设有event1~5。如果到达顺序是乱的，比如event5最先达到，然后event1也达到了，那么flink这边怎么知道这中间还有没有数据呢？没办法的，不能确定数据是否完整到达，也不能无限制等待下去。所以需要一种机制来处理这种情况。

2.3.2 watermark机制原理

​ Watermark是一种衡量Event Time进展的机制，它是数据本身的一个隐藏属性，数据本身携带着对应的Watermark。Watermark是用于处理乱序事件的，而正确的处理乱序事件，通常用Watermark机制结合window来实现。
​ 数据流中的Watermark用于表示timestamp小于Watermark的数据，都已经到达了，因此，window的执行也是由Watermark触发的。
​ Watermark可以理解成一个延迟触发机制，我们可以设置Watermark的延时时长t，每次系统会校验已经到达的数据中最大的maxEventTime，然后认定eventTime小于maxEventTime - t的所有数据都已经到达，如果有窗口的停止时间等于maxEventTime – t，那么这个窗口被watermark触发执行。
解释：
​ watermark是一种概率性的机制。假设event1~5，如果event5已经到达了，那么其实按照event产生的先后顺序，正常情况下，前面的event1~4应该也到达了。而为了保证前面的event1~4的到达（其实是更多的到达，但是不一定全部都到达），在event5到达了之后，提供一定的延迟时间t。当event5到达，且经过 t 时间之后，正常情况下，前面的event1~4 大概率会到达了，如果没有到达，属于少数情况，那么就认为event5之前的event都到达了，无论是否真的全部到达了。如果在延迟时间之后到达了，这个旧数据直接会被丢弃。所以其实watermark就是一种保障更多event乱序到达的机制，提供了一定的延时机制，而因为只会延迟一定的时间，所以也不会导致flink无限期地等待下去。

有序数据流的watermark如下：（watermark设置为0）

​ 图 2.4 有序数据流的watermark
乱序数据流的watermark如下：（watermark设置为2）

​ 图 2.5 乱序数据流的watermark
​ 当Flink接收到每一条数据时，都会产生一条Watermark，这条Watermark就等于当前所有到达数据中的maxEventTime - 延迟时长t，也就是说，Watermark是由数据携带的，一旦数据携带的Watermark比当前未触发的窗口的停止时间要晚，那么就会触发相应窗口的执行。由于Watermark是由数据携带的，因此，如果运行过程中无法获取新的数据，那么没有被触发的窗口将永远都不被触发。
​ 上图中，我们设置的允许最大延迟到达时间为2s，所以时间戳为7s的事件对应的Watermark是5s，时间戳为12s的事件的Watermark是10s，如果我们的窗口1是1s~5s，窗口2是6s~10s，那么时间戳为7s的事件到达时的Watermarker恰好触发窗口1，时间戳为12s的事件到达时的Watermark恰好触发窗口2。
​ Window会不断产生，属于这个Window范围的数据会被不断加入到Window中，所有未被触发的Window都会等待触发，只要Window还没触发，属于这个Window范围的数据就会一直被加入到Window中，直到Window被触发才会停止数据的追加，而当Window触发之后才接受到的属于被触发Window的数据会被丢弃。如果产生的窗口中没有新到的数据，也就不会有watermark，那么窗口就不会被触发计算。

2.3.3 watermark的触发计算的条件

watermark时间（max_eventTime-t） >= window_end_time；
在[window_start_time,window_end_time)中有数据存在。

2.3.4 watermark的产生方式

Punctuated：不间断产生
数据流中每一个递增的EventTime都会产生一个Watermark。
在实际的生产中Punctuated方式在TPS很高的场景下会产生大量的Watermark在一定程度上对下游算子造成压力，所以只有在实时性要求非常高的场景才会选择Punctuated的方式进行Watermark的生成。

Periodic：周期性产生
周期性的（一定时间间隔或者达到一定的记录条数）产生一个Watermark。
在实际的生产中Periodic的方式必须结合时间和积累条数两个维度继续周期性产生Watermark，否则在极端情况下会有很大的延时。

这两种有不同的api实现，下面会讲

2.4 watermark的引入以及接口

2.4.1 watermark引入

需要先引入eventime，然后引入watermark

StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
env.setStreamTimeCharacteristic(TimeCharacteristic.EventTime);

DataStreamSource source = env.readTextFile("/test.txt");

//引入的watermark的实现类
source.assignTimestampsAndWatermarks(xx)

watermark的实现有两大类，对应上面的两种watermark的产生方式，有两个接口：

AssignerWithPeriodicWatermarks;   周期性产生watermark，即Period
AssignerWithPunctuatedWatermarks;  Punctuated：不间断产生

2.4.2 AssignerWithPeriodicWatermarks接口

看看AssignerWithPeriodicWatermarks这个接口的源码，主要用于周期性产生watermark

public interface AssignerWithPeriodicWatermarks extends TimestampAssigner {
    //获取当前的watermark
    @Nullable
    Watermark getCurrentWatermark();
}

//父接口===================
public interface TimestampAssigner extends Function {
    //获取当前的时间戳
    long extractTimestamp(T var1, long var2);
}

主要就是有两个方法需要覆盖，getCurrentWatermark()用于生成watermark，extractTimestamp用于获取每个event的timestamp。
由于这是一个周期性产生watermark的接口，所以需要指定这个生成周期有多长，需要env的配置中指定，如：

env.getConfig().setAutoWatermarkInterval(n ms);
记住间隔时间单位是毫秒

例子：

/*根据eventTime 创建处理watermark
*/
public class BoundedOutOfOrdernessGenerator implements AssignerWithPeriodicWatermarks {

    //watermark延迟时间 t，单位是毫秒
    private final long maxOutOfOrderness = 3500; // 3.5 seconds

    //保存当前最大的时间戳
    private long currentMaxTimestamp;

    //根据传递进来的event，获取time，然后如果比当前最大的time还大，就替换，否则保持。因为数据乱序到达是无法保证时间是递增的
    @Override
    public long extractTimestamp(MyEvent element, long previousElementTimestamp) {
        long timestamp = element.getCreationTime();
        currentMaxTimestamp = Math.max(timestamp, currentMaxTimestamp);
        return timestamp;
    }

    //返回watermark
    @Override
    public Watermark getCurrentWatermark() {
        // return the watermark as current highest timestamp minus the out-of-orderness bound
        return new Watermark(currentMaxTimestamp - maxOutOfOrderness);
    }
}

再加上设置的setAutoWatermarkInterval(n ms)，就可以周期性生成watermark。

2.4.3 AssignerWithPunctuatedWatermarks接口

看看AssignerWithPunctuatedWatermarks这个接口的源码，主要用于实时产生watermark

public interface AssignerWithPunctuatedWatermarks extends TimestampAssigner {
    //获取最新的watermark
    @Nullable
    Watermark checkAndGetNextWatermark(T var1, long var2);
}

//父接口
public interface TimestampAssigner extends Function {
    //从event中获取timestamp
    long extractTimestamp(T var1, long var2);
}

写法其实和上面的类似，只是这里不会设置生成watermark的时间间隔

2.4.4 flink自带的watermark实现类

1、BoundedOutOfOrdernessTimestampExtractor
继承了AssignerWithPeriodicWatermarks接口的一个类，看看它的源码

package org.apache.flink.streaming.api.functions.timestamps;

import org.apache.flink.streaming.api.functions.AssignerWithPeriodicWatermarks;
import org.apache.flink.streaming.api.watermark.Watermark;
import org.apache.flink.streaming.api.windowing.time.Time;

public abstract class BoundedOutOfOrdernessTimestampExtractor implements AssignerWithPeriodicWatermarks {
    private static final long serialVersionUID = 1L;
    private long currentMaxTimestamp;
    private long lastEmittedWatermark = -9223372036854775808L;
    private final long maxOutOfOrderness;

    //构造方法中接收一个参数，就是延迟时间 t
    public BoundedOutOfOrdernessTimestampExtractor(Time maxOutOfOrderness) {
        if (maxOutOfOrderness.toMilliseconds() < 0L) {
            throw new RuntimeException("Tried to set the maximum allowed lateness to " + maxOutOfOrderness + ". This parameter cannot be negative.");
        } else {
            this.maxOutOfOrderness = maxOutOfOrderness.toMilliseconds();
            this.currentMaxTimestamp = -9223372036854775808L + this.maxOutOfOrderness;
        }
    }

    public long getMaxOutOfOrdernessInMillis() {
        return this.maxOutOfOrderness;
    }

    //需要重写的方法，用于获取timestamp
    public abstract long extractTimestamp(T var1);

    //获取watermark的方法已经写好了，用传递进来的延迟时间t来计算得出watermark
    public final Watermark getCurrentWatermark() {
        long potentialWM = this.currentMaxTimestamp - this.maxOutOfOrderness;
        if (potentialWM >= this.lastEmittedWatermark) {
            this.lastEmittedWatermark = potentialWM;
        }

        return new Watermark(this.lastEmittedWatermark);
    }

    public final long extractTimestamp(T element, long previousElementTimestamp) {
        long timestamp = this.extractTimestamp(element);
        if (timestamp > this.currentMaxTimestamp) {
            this.currentMaxTimestamp = timestamp;
        }

        return timestamp;
    }
}

这个类就是实现了用户可以自定义设定延迟时间t 的一个watermark。

2、AscendingTimestampExtractor
也是继承了AssignerWithPeriodicWatermarks接口的一个类。具有稳定的递增时间戳的数据源，比如kafka的分区数据，每一条信息都是递增+1的，适用于这个类。只需要重写
extractAscendingTimestamp方法。

2.5 eventTime、window和watermark结合使用例子

package flinktest;

import org.apache.flink.api.common.functions.FlatMapFunction;
import org.apache.flink.api.common.functions.MapFunction;
import org.apache.flink.api.common.functions.ReduceFunction;
import org.apache.flink.api.java.tuple.Tuple2;
import org.apache.flink.streaming.api.TimeCharacteristic;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.DataStreamSource;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
import org.apache.flink.streaming.api.functions.timestamps.BoundedOutOfOrdernessTimestampExtractor;
import org.apache.flink.streaming.api.windowing.time.Time;
import org.apache.flink.util.Collector;

public class EventTimeTest {
    public static void main(String[] args) {
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        env.setStreamTimeCharacteristic(TimeCharacteristic.EventTime);
        env.getConfig().setAutoWatermarkInterval(1000);

        DataStreamSource source = env.readTextFile("/tmp/test.txt");

        source.assignTimestampsAndWatermarks(new BoundedOutOfOrdernessTimestampExtractor(Time.milliseconds(3000)) {
            @Override
            public long extractTimestamp(String s) {
                return Integer.valueOf(s.split(" ")[0]);
            }
        }).flatMap(new FlatMapFunction>() {
            @Override
            public void flatMap(String s, Collector> collector) throws Exception {
                Tuple2 tmpTuple = new Tuple2<>();
                for (String s1 : s.split(" ")) {
                    tmpTuple.setFields(s1, 1);
                    collector.collect(tmpTuple);
                }
            }
        }).keyBy(0)
                .timeWindow(Time.seconds(10))
                .reduce(new ReduceFunction>() {
                    @Override
                    public Tuple2 reduce(Tuple2 t1, Tuple2 t2) throws Exception {
                        return new Tuple2<>(t1.f0, t1.f1 + t2.f1);
                    }
                })
                .print();
         try {
            env.execute("eventtime test");
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

window api的类继承结构