六、flink--容错机制

一、flink容错机制

1.1 flink 的容错概述

在使用了flink的状态管理之后，因为此时所有的state的读写都只是在task本地的内存中进行，也就是state数据此时只存储在内存中。假设当任务出现故障之后，这些在内存中的state数据也会丢失，就无法恢复了。所以需要一种机制来保障这些state数据的不丢失，这也就是容错机制。flink通过checkpoint来实现。flink开启了checkpoint之后，会定时将状态数据的快照持久存储到指定的statebackend。

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1.2 checkpoint基本原理

​ flink定期对整个job任务进行快照，将快照产生的备份数据保存到指定的statebacked中。当出现故障时，将job 的状态恢复到最近的一个快照点。Flink 的容错机制的核心部分是生成分布式数据流和operator状态一致的快照。这些快照充当checkpoint（检查点）, 系统可以早发生故障时将其回滚。分布式快照是由 Chandy-Lamport 算法实现的。
​ 每个checkpoint由checkpoint ID和timestamp来唯一标识，其中checkpoint ID可以是standalone（基于内存，保存在jobmanager内存中）的，也可能是基于ZK的。

1.3 使用checkpoint的先决条件

1、持续的数据源，比如消息队列或者文件系统上的文件等
2、状态数据的持久化存储，比如采用分布式文件系统存储状态数据

1.4 程序中启用checkpoint的配置

默认情况下，flink是禁用了checkpoint的。下面看看程序中开启checkpoint以及相关checkpoint工作参数的配置。

StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();

/* -------------启用checkpoint   */
//只指定两个checkpoint的时间间隔，单位是毫秒
env.enableCheckpointing(1000);  
//指定checkpoint时间间隔，并指定checkpoint的模式，是exactly-once（刚好一次）还是AT_LEAST_ONCE（至少一次）。大多数情况下是exactly-once（默认就是这个模式），少数情况下，如果要求超低延迟的处理情况，才会设置AT_LEAST_ONCE
env.enableCheckpointing(1000，CheckpointingMode.EXACTLY_ONCE) 

/* -------------设置checkpoint 模式，和上面的类似  */
env.getCheckpointConfig().setCheckpointingMode(CheckpointingMode.EXACTLY_ONCE);

/* -------------设置checkpoint上一个的结束点到下一个开始点之间的最短时间。
因为checkpoint触发时，需要一定时间去完成整个checkpoint的过程，
如果checkpoint的完成时间过程，导致前后两个checkpoint间的时间间隔过短，这是不合适的，没有必要。
1、这里的时间间隔，指的是上一个checkpoint完成的时间点，到下一个checkpoint开始的时间点的间隔，如果过短，会导致频繁checkpoint，影响性能。假设这个间隔为T
2、而上面设置的checkpoint时间间隔，指的是前一个checkpoint的开始时间到下一个checkpoint的开始时间。所以是始终大于1中的时间间隔的。假设这个间隔为 N

如果T小于这里设置的值，那么无论N设置多少，下一个checkpoint的开始时间必须是500ms之后。如果T大于这里设置的值，那么正常按照N设置的间隔来触发下一个checkpoint，这里设置的间隔无关了。
*/
env.getCheckpointConfig().setMinPauseBetweenCheckpoints(500);

/* -------------设置checkpoint完成的超时时间   */
env.getCheckpointConfig().setCheckpointTimeout(60000);

/* -------------设置checkpoint的最大并行度   */
env.getCheckpointConfig().setMaxConcurrentCheckpoints(1);

/*  开启checkpoints的外部持久化，但是在job失败的时候不会自动清理，需要自己手工清理state
DELETE_ON_CANCELLATION:在job canceled的时候会自动删除外部的状态数据，但是如果是FAILED的状态则会保留；
RETAIN_ON_CANCELLATION:在job canceled的时候会保留状态数据*/
env.getCheckpointConfig().enableExternalizedCheckpoints(ExternalizedCheckpointCleanup.RETAIN_ON_CANCELLATION);

/*  当有更近的保存点时，优先采用savepoint来恢复成检查点*/
env.getCheckpointConfig().setPreferCheckpointForRecovery(true);

1.5 checkpoint在flink配置文件中的配置项

在conf/flink-conf.yaml中可以配置的参数

1.6 checkpoint和savepoint的区别

1.6.1 区别

checkpoint：
1、检查点的主要目的是在job意外失败时提供恢复机制。
2、Checkpoint的生命周期由Flink管理，即Flink创建，拥有和发布Checkpoint - 无需用户交互。
3、作为一种恢复和定期触发的方法，Checkpoint主要的设计目标是：创建checkpoint,是轻量级的和尽可能快地恢复

savepoint：
1、Savepoints由用户创建，拥有和删除。
2、他们一般是有计划的进行手动备份和恢复。而checkpoint的恢复只会发生在故障时
3、例如，在Flink版本需要更新的时候，或者更改你的流处理逻辑，更改并行性等等。
在这种情况下，我们往往需要关闭一下流，这就需要我们将流中的状态进行存储，后面重新部署job的时候进行会用来恢复。
4、从概念上讲，Savepoints的生成和恢复成本可能更高，并且更多地关注可移植性和对前面提到的作业更改的支持

1.6.2 使用savepoint

命令用法：

flink savepoint jobid target_dir

例子：

保存状态数据到指定目录：
flink savepoint xxxxxxxx(哈希码) hdfs://ronnie01:8020/data/flink/savepoint

重启和恢复数据流（也可用于从checkpoint恢复数据流）：
flink run -s hdfs://ronnie01:8020/data/flink/savepoint/savepoint-xxxxx-xxxxxxxxx -c com.ronnie.flink.stream.test.CheckPointTest flink-test.jar

-s 指定savepoint/checkpoint目录的存储目录
-c 指定运行的主类的全类名

二、stateBackend分类

checkpoint数据可存储方式有不同，flink支持三种：
MemoryStateBackend(内存状态)
FsStateBackend(文件状态)
RocksDBStateBackend(RocksDB状态)

2.1 MemoryStateBackend

1、概念
MemoryStateBackend将State作为Java对象保存（在堆内存），存储着key/value状态、window运算符、触发器等的哈希表。在Checkpoint时，State Backend将对State进行快照，并将其作为checkpoint发送到JobManager机器上，JobManager将这个State数据存储在Java堆内存。MemoryStateBackend默认使用异步快照，来避免阻塞管道。如果需要修改，可以在MemoryStateBackend的构造函数将布尔值改为false（仅用于调试）。

2、注意点
异步快照方式时，operator操作符在做快照的同时也会处理新流入的数据，默认异步方式
同步快照方式：operator操作符在做快照的时候，不会处理新流入的数据，同步快照会增加数据处理的延迟度。

3、局限性
单次状态大小最大默认被限制为5MB，这个值可以通过构造函数来更改。
无论单次状态大小最大被限制为多少，都不可用大过akka的frame大小。
聚合的状态都会写入jobmanager的内存

4、适用场景
本地开发和调试
状态比较少的作业

2.2 FsStateBackend（生产环境最常用）

1、概念
FsStateBackend将正在运行的数据保存在TaskManager的内存中。在checkpoint时，它将State的快照写入文件系统对应的目录下的文件中。最小元数据存储在JobManager的内存中（如果是高可用模式下，元数据存储在checkpoint中）。FsStateBackend默认使用异步快照，来避免阻塞处理的管道。如果需要禁用，在FsStateBackend构造方法中将布尔值设为false

2、适用场景
状态比较大, 窗口比较长, 大的 KV 状态
需要做 HA 的场景

2.3 RocksDBStateBackend

1、概念
此种方式kv state需要由rockdb数据库来管理，这是和内存或file backend最大的不同，即状态数据是直接写入到rockdb的，不像前面两种，只有在checkpoint的时候才会将数据保存到指定的backend。RocksDBStateBackend使用RocksDB数据库保存数据，这个数据库保存在TaskManager的数据目录中。注意的是：RocksDB，它是一个高性能的Key-Value数据库。数据会放到先内存当中，在一定条件下触发写到磁盘文件上。
在 checkpoint时, 整个 RocksDB数据库的数据会快照一份, 然后存到配置的文件系统中(一般是 hdfs)。同时, Apache Flink将一些最小的元数据存储在 JobManager 的内存或者 Zookeeper 中(对于高可用性情况)。RocksD始终配置为执行异步快照

2、适用场景
RocksDBStateBackend适用于非常大的状态，长窗口、大键值状态的高可用作业。
RocksDBStateBackend是目前唯一可用于支持有状态流处理应用程序的增量检查点

2.4 使用指定的statebackend

方式1：
直接在 conf/flink-conf.yaml 中指定 state.backend 就是默认程序的backend。

jobmanager(MemoryStateBackend，默认是这个)
filesystem(FsStateBackend)
rocksdb(RocksDBStateBackend)

方式2：
在程序中指定自己想使用的backend

StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
// 设置状态后端
env.setStateBackend(xxx);

三种类型的实现类：
// 默认使用内存的方式存储状态值, 单位快照的状态上限为10MB, 使用同步方式进行快照。单个状态大小可以设置，单位是byte
env.setStateBackend(new MemeoryStateBackend(10*1024*1024, false));

// 使用 FsStateBackend的方式进行存储, 并且是同步方式进行快照
env.setStateBackend(new FsStateBackend("hdfs://namenode....", false));

// 使用 RocksDBStateBackend方式存储, 并采用增量的快照方式进行存储。后面的true表示增量
env.setStateBackend(new RocksDBStateBackend("hdfs://namenode....", true));