新一代大数据处理引擎 Apache Flink

这几年大数据的飞速发展，出现了很多热门的开源社区，其中著名的有 Hadoop、Storm，以及后来的 Spark，他们都有着各自专注的应用场景。Spark 掀开了内存计算的先河，也以内存为赌注，赢得了内存计算的飞速发展。Spark 的火热或多或少的掩盖了其他分布式计算的系统身影。就像 Flink，也就在这个时候默默的发展着。

在国外一些社区，有很多人将大数据的计算引擎分成了 4 代，当然，也有很多人不会认同。我们先姑且这么认为和讨论。

首先第一代的计算引擎，无疑就是 Hadoop 承载的 MapReduce。这里大家应该都不会对 MapReduce 陌生，它将计算分为两个阶段，分别为 Map 和 Reduce。对于上层应用来说，就不得不想方设法去拆分算法，甚至于不得不在上层应用实现多个 Job 的串联，以完成一个完整的算法，例如迭代计算。

由于这样的弊端，催生了支持 DAG 框架的产生。因此，支持 DAG 的框架被划分为第二代计算引擎。如 Tez 以及更上层的 Oozie。这里我们不去细究各种 DAG 实现之间的区别，不过对于当时的 Tez 和 Oozie 来说，大多还是批处理的任务。

接下来就是以 Spark 为代表的第三代的计算引擎。第三代计算引擎的特点主要是 Job 内部的 DAG 支持（不跨越 Job），以及强调的实时计算。在这里，很多人也会认为第三代计算引擎也能够很好的运行批处理的 Job。

随着第三代计算引擎的出现，促进了上层应用快速发展，例如各种迭代计算的性能以及对流计算和 SQL 等的支持。Flink 的诞生就被归在了第四代。这应该主要表现在 Flink 对流计算的支持，以及更一步的实时性上面。当然 Flink 也可以支持 Batch 的任务，以及 DAG 的运算。

或许会有人不同意以上的分类，我觉得其实这并不重要的，重要的是体会各个框架的差异，以及更适合的场景。并进行理解，没有哪一个框架可以完美的支持所有的场景，也就不可能有任何一个框架能完全取代另一个，就像 Spark 没有完全取代 Hadoop，当然 Flink 也不可能取代 Spark。本文将致力描述 Flink 的原理以及应用。

Flink 简介

很多人可能都是在 2015 年才听到 Flink 这个词，其实早在 2008 年，Flink 的前身已经是柏林理工大学一个研究性项目，在 2014 被 Apache 孵化器所接受，然后迅速地成为了 ASF（Apache Software Foundation）的顶级项目之一。Flink 的最新版本目前已经更新到了 0.10.0 了，在很多人感慨 Spark 的快速发展的同时，或许我们也该为 Flink 的发展速度点个赞。

Flink 是一个针对流数据和批数据的分布式处理引擎。它主要是由 Java 代码实现。目前主要还是依靠开源社区的贡献而发展。对 Flink 而言，其所要处理的主要场景就是流数据，批数据只是流数据的一个极限特例而已。再换句话说，Flink 会把所有任务当成流来处理，这也是其最大的特点。Flink 可以支持本地的快速迭代，以及一些环形的迭代任务。并且 Flink 可以定制化内存管理。在这点，如果要对比 Flink 和 Spark 的话，Flink 并没有将内存完全交给应用层。这也是为什么 Spark 相对于 Flink，更容易出现 OOM 的原因（out of memory）。就框架本身与应用场景来说，Flink 更相似与 Storm。如果之前了解过 Storm 或者 Flume 的读者，可能会更容易理解 Flink 的架构和很多概念。下面让我们先来看下 Flink 的架构图。

图 1. Flink 架构图

如图 1 所示，我们可以了解到 Flink 几个最基础的概念，Client、JobManager 和 TaskManager。Client 用来提交任务给 JobManager，JobManager 分发任务给 TaskManager 去执行，然后 TaskManager 会心跳的汇报任务状态。看到这里，有的人应该已经有种回到 Hadoop 一代的错觉。确实，从架构图去看，JobManager 很像当年的 JobTracker，TaskManager 也很像当年的 TaskTracker。然而有一个最重要的区别就是 TaskManager 之间是是流（Stream）。其次，Hadoop 一代中，只有 Map 和 Reduce 之间的 Shuffle，而对 Flink 而言，可能是很多级，并且在 TaskManager 内部和 TaskManager 之间都会有数据传递，而不像 Hadoop，是固定的 Map 到 Reduce。

Flink 中的调度简述

在 Flink 集群中，计算资源被定义为 Task Slot。每个 TaskManager 会拥有一个或多个 Slots。JobManager 会以 Slot 为单位调度 Task。但是这里的 Task 跟我们在 Hadoop 中的理解是有区别的。对 Flink 的 JobManager 来说，其调度的是一个 Pipeline 的 Task，而不是一个点。举个例子，在 Hadoop 中 Map 和 Reduce 是两个独立调度的 Task，并且都会去占用计算资源。对 Flink 来说 MapReduce 是一个 Pipeline 的 Task，只占用一个计算资源。类同的，如果有一个 MRR 的 Pipeline Task，在 Flink 中其也是一个被整体调度的 Pipeline Task。在 TaskManager 中，根据其所拥有的 Slot 个数，同时会拥有多个 Pipeline。

在 Flink StandAlone 的部署模式中，这个还比较容易理解。因为 Flink 自身也需要简单的管理计算资源（Slot）。当 Flink 部署在 Yarn 上面之后，Flink 并没有弱化资源管理。也就是说这时候的 Flink 在做一些 Yarn 该做的事情。从设计角度来讲，我认为这是不太合理的。如果 Yarn 的 Container 无法完全隔离 CPU 资源，这时候对 Flink 的 TaskManager 配置多个 Slot，应该会出现资源不公平利用的现象。Flink 如果想在数据中心更好的与其他计算框架共享计算资源，应该尽量不要干预计算资源的分配和定义。

需要深度学习 Flink 调度读者，可以在 Flink 的源码目录中找到 flink-runtime 这个文件夹，JobManager 的 code 基本都在这里。

Flink 的生态圈

一个计算框架要有长远的发展，必须打造一个完整的 Stack。不然就跟纸上谈兵一样，没有任何意义。只有上层有了具体的应用，并能很好的发挥计算框架本身的优势，那么这个计算框架才能吸引更多的资源，才会更快的进步。所以 Flink 也在努力构建自己的 Stack。

Flink 首先支持了 Scala 和 Java 的 API，Python 也正在测试中。Flink 通过 Gelly 支持了图操作，还有机器学习的 FlinkML。Table 是一种接口化的 SQL 支持，也就是 API 支持，而不是文本化的 SQL 解析和执行。对于完整的 Stack 我们可以参考下图。

图 2. Flink 的 Stack

Flink 为了更广泛的支持大数据的生态圈，其下也实现了很多 Connector 的子项目。最熟悉的，当然就是与 Hadoop HDFS 集成。其次，Flink 也宣布支持了 Tachyon、S3 以及 MapRFS。不过对于 Tachyon 以及 S3 的支持，都是通过 Hadoop HDFS 这层包装实现的，也就是说要使用 Tachyon 和 S3，就必须有 Hadoop，而且要更改 Hadoop 的配置（core-site.xml）。如果浏览 Flink 的代码目录，我们就会看到更多 Connector 项目，例如 Flume 和 Kafka。