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Flink 基础 -- 应用开发(Table API SQL) 概念和通用API

news 来源：原创 2024/5/20 15:46:48

1、概述

Apache Flink提供了两个关系API——Table API和SQL——用于统一的流和批处理。Table API是一个用于Java、Scala和Python的语言集成查询API，它允许以非常直观的方式组合来自关系操作符(如选择、过滤和连接)的查询。Flink的SQL支持基于Apache Calcite，它实现了SQL标准。无论输入是连续的(streaming，流)还是有界的(batch，批处理)，在两个接口中指定的查询都具有相同的语义并指定相同的结果。

Table API和SQL接口与Flink的DataStream API无缝集成。您可以轻松地在所有api和构建在它们之上的库之间切换。例如，您可以使用MATCH_RECOGNIZE子句从表中检测模式，然后使用DataStream API基于匹配的模式构建警报。

1.1 表程序依赖关系

为了使用Table API和SQL定义数据管道，您需要将Table API作为一个依赖项添加到项目中。

有关如何为Java和Scala配置这些依赖项的更多信息，请参阅项目配置部分。

如果您正在使用Python，请参考Python API的文档

1.2 下一步做什么

  • 概念和公共API:Table API和SQL的共享概念和API。
  • 数据类型:列出预定义的数据类型及其属性。
  • 流式概念:针对表API或SQL的特定于流式的文档，例如时间属性的配置和更新结果的处理。
  • 连接到外部系统:用于向外部系统读写数据的可用连接器和格式。
  • Table API:支持的Table API的操作和API。
  • SQL:支持的SQL操作和语法。
  • 内置函数: 表API和SQL中支持的函数。
  • SQL Client:使用Flink SQL，在没有编程知识的情况下向集群提交一个表程序。
  • SQL网关:一种服务，它允许多个客户端从远程并发地执行SQL。
  • SQL JDBC驱动程序: 向sql-gateway提交SQL语句的JDBC驱动程序。

2、概念和通用API

Table API和SQL集成在一个联合API中。这个API的核心概念是一个表（Table），它作为查询的输入和输出。本文档展示了具有表API和SQL查询的程序的公共结构，如何注册表，如何查询表，以及如何发出(emit)表。

2.1 Table API和SQL程序的结构

下面的代码示例展示了表API和SQL程序的公共结构。

import org.apache.flink.table.api.*;
import org.apache.flink.connector.datagen.table.DataGenConnectorOptions;// Create a TableEnvironment for batch or streaming execution.
// See the "Create a TableEnvironment" section for details.
TableEnvironment tableEnv = TableEnvironment.create(/*…*/);// Create a source table
tableEnv.createTemporaryTable("SourceTable", TableDescriptor.forConnector("datagen").schema(Schema.newBuilder().column("f0", DataTypes.STRING()).build()).option(DataGenConnectorOptions.ROWS_PER_SECOND, 100L).build());// Create a sink table (using SQL DDL)
tableEnv.executeSql("CREATE TEMPORARY TABLE SinkTable WITH ('connector' = 'blackhole') LIKE SourceTable (EXCLUDING OPTIONS) ");// Create a Table object from a Table API query
Table table1 = tableEnv.from("SourceTable");// Create a Table object from a SQL query
Table table2 = tableEnv.sqlQuery("SELECT * FROM SourceTable");// Emit a Table API result Table to a TableSink, same for SQL result
TableResult tableResult = table1.insertInto("SinkTable").execute();

表API和SQL查询可以很容易地集成并嵌入到数据流程序(DataStream programs)中。请查看数据流API集成页面，了解如何将数据流转换为表，反之亦然。

2.2 创建一个表环境(TableEnvironment)

TableEnvironment 是表API和SQL集成的入口点，它负责:

  • Registering a Table in the internal catalog
  • Registering catalogs
  • Loading pluggable modules
  • Executing SQL queries
  • Registering a user-defined (scalar, table, or aggregation) function
  • Converting between DataStream and Table (in case of StreamTableEnvironment)

Table 总是绑定到一个特定的TableEnvironment。不可能在同一个查询中组合不同TableEnvironments中的表(tables)，例如，连接或联合它们。TableEnvironment是通过调用静态TableEnvironment.create()方法创建的。

import org.apache.flink.table.api.EnvironmentSettings;
import org.apache.flink.table.api.TableEnvironment;EnvironmentSettings settings = EnvironmentSettings.newInstance().inStreamingMode()//.inBatchMode().build();TableEnvironment tEnv = TableEnvironment.create(settings);

或者，用户可以从现有的StreamExecutionEnvironment中创建一个StreamTableEnvironment来与DataStream API进行互操作。

import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
import org.apache.flink.table.api.EnvironmentSettings;
import org.apache.flink.table.api.bridge.java.StreamTableEnvironment;StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
StreamTableEnvironment tEnv = StreamTableEnvironment.create(env);

2.3 在编目Catalog 中创建表

TableEnvironment维护用标识符创建的表的编目映射。每个标识符由3部分组成:编目名、数据库名和对象名。如果未指定编目或数据库，则将使用当前默认值(请参阅表标识符展开部分中的示例)。

表可以是虚表(VIEWS)或常规表(TABLES)。VIEWS可以从现有的Table对象(通常是Table API或SQL查询的结果)创建。TABLES 描述外部数据，如文件、数据库表或消息队列。

2.3.1 临时表与永久表

表可以是临时的，绑定到单个Flink会话的生命周期，也可以是永久的，并且在多个Flink会话和集群中可见。

永久表需要一个编目(catalog)(比如Hive Metastore)来维护表的元数据。永久表创建后，它对连接到编目的任何Flink会话都是可见的，并且将继续存在，直到表被显式删除。

另一方面，临时表总是存储在内存中，并且只在创建它们的Flink会话期间存在。这些表对其他会话是不可见的。它们不绑定到任何编目或数据库，但可以在其中一个名称空间中创建。如果临时表对应的数据库被删除，则临时表不会被删除。

遮蔽(Shadowing)

可以注册具有与现有永久表相同标识符的临时表。临时表会遮蔽永久表，并且只要临时表存在，永久表就无法访问。所有带有该标识符的查询都将对临时表执行。

这可能对实验有用。它允许首先对临时表运行完全相同的查询，例如，只有一个数据子集，或者数据被混淆。一旦验证查询是正确的，就可以针对实际的生产表运行它。

2.3.2 创建表

虚拟表

在SQL术语中，Table API对象对应于VIEW(虚拟表)。它封装了一个逻辑查询计划。它可以在编目(catalog)中创建，如下所示:

// get a TableEnvironment
TableEnvironment tableEnv = ...; // see "Create a TableEnvironment" section// table is the result of a simple projection query 
Table projTable = tableEnv.from("X").select(...);// register the Table projTable as table "projectedTable"
tableEnv.createTemporaryView("projectedTable", projTable);

注意:Table 对象类似于关系数据库系统中的VIEW对象，也就是说，定义表(Table)的查询没有被优化，但是当另一个查询引用注册的表时将被内联。如果多个查询引用同一个已注册表，则每个引用查询将被内联并执行多次，即注册表的结果将不会被共享。

Connector Tables

还可以通过连接器声明创建关系数据库中已知的TABLE。连接器描述了存储表数据的外部系统。存储系统，如Apache Kafka或常规文件系统可以在这里声明。

这样的表可以直接使用表API创建,也可以通过切换到SQL DDL来创建。

// Using table descriptors
final TableDescriptor sourceDescriptor = TableDescriptor.forConnector("datagen").schema(Schema.newBuilder().column("f0", DataTypes.STRING()).build()).option(DataGenConnectorOptions.ROWS_PER_SECOND, 100L).build();tableEnv.createTable("SourceTableA", sourceDescriptor);
tableEnv.createTemporaryTable("SourceTableB", sourceDescriptor);// Using SQL DDL
tableEnv.executeSql("CREATE [TEMPORARY] TABLE MyTable (...) WITH (...)");

2.3.3 扩展表标识符

表总是使用由编目、数据库和表名组成的3部分标识符注册。

用户可以将其中的一个编目和一个数据库设置为“当前编目”和“当前数据库”。有了它们，上面提到的3部分标识符中的前两个部分可以是可选的——如果没有提供它们，将引用当前编目和当前数据库。用户可以通过表API或SQL切换当前编目和当前数据库。

标识符遵循SQL要求，这意味着它们可以用反号字符(`)进行转义。

TableEnvironment tEnv = ...;
tEnv.useCatalog("custom_catalog");
tEnv.useDatabase("custom_database");Table table = ...;// register the view named 'exampleView' in the catalog named 'custom_catalog'
// in the database named 'custom_database' 
tableEnv.createTemporaryView("exampleView", table);// register the view named 'exampleView' in the catalog named 'custom_catalog'
// in the database named 'other_database' 
tableEnv.createTemporaryView("other_database.exampleView", table);// register the view named 'example.View' in the catalog named 'custom_catalog'
// in the database named 'custom_database' 
tableEnv.createTemporaryView("`example.View`", table);// register the view named 'exampleView' in the catalog named 'other_catalog'
// in the database named 'other_database' 
tableEnv.createTemporaryView("other_catalog.other_database.exampleView", table);

2.4 查询表

Table API

Table API是用于Scala和Java的语言集成查询API。与SQL不同，查询没有指定为Strings ，而是在宿主语言中逐步组成。

这个API基于Table类，它表示一个表(流或批处理)，并提供应用关系操作的方法。这些方法返回一个新的Table对象，它表示对输入Table应用关系操作的结果。一些关系操作由多个方法调用组成，例如table.groupBy(...).select()，其中groupBy(…)指定表的分组，而select(…)是表分组上的投影。

Table API文档描述了流和批处理表上支持的所有Table API操作。

下面的例子展示了一个简单的Table API聚合查询:

// get a TableEnvironment
TableEnvironment tableEnv = ...; // see "Create a TableEnvironment" section// register Orders table// scan registered Orders table
Table orders = tableEnv.from("Orders");
// compute revenue for all customers from France
Table revenue = orders.filter($("cCountry").isEqual("FRANCE")).groupBy($("cID"), $("cName")).select($("cID"), $("cName"), $("revenue").sum().as("revSum"));// emit or convert Table
// execute query

SQL

Flink的SQL集成基于Apache Calcite，它实现了SQL标准。SQL查询被指定为常规字符串。

SQL文档描述了Flink对流和批处理表的SQL支持。

下面的示例展示了如何指定查询并将结果作为Table返回。

// get a TableEnvironment
TableEnvironment tableEnv = ...; // see "Create a TableEnvironment" section// register Orders table// compute revenue for all customers from France
Table revenue = tableEnv.sqlQuery("SELECT cID, cName, SUM(revenue) AS revSum " +"FROM Orders " +"WHERE cCountry = 'FRANCE' " +"GROUP BY cID, cName");// emit or convert Table
// execute query

下面的示例展示了如何指定将其结果插入到已注册表中的更新查询。

// get a TableEnvironment
TableEnvironment tableEnv = ...; // see "Create a TableEnvironment" section// register "Orders" table
// register "RevenueFrance" output table// compute revenue for all customers from France and emit to "RevenueFrance"
tableEnv.executeSql("INSERT INTO RevenueFrance " +"SELECT cID, cName, SUM(revenue) AS revSum " +"FROM Orders " +"WHERE cCountry = 'FRANCE' " +"GROUP BY cID, cName");

混合表API和SQL

Table API和SQL查询可以很容易地混合，因为两者都返回Table对象:

  • 可以在SQL查询返回的Table对象上定义Table API查询。
  • 通过在TableEnvironment中注册结果表并在SQL查询的FROM子句中引用它，可以根据表API查询的结果定义SQL查询。

2.5 Emit a Table

通过将表写入TableSink来发出(emitted)表。TableSink是一个通用接口，支持多种文件格式(例如CSV, Apache Parquet, Apache Avro)，存储系统(例如JDBC, Apache HBase, Apache Cassandra, Elasticsearch)，或者消息系统(例如Apache Kafka, RabbitMQ)。

批处理Table 只能写入BatchTableSink，而流Table 需要AppendStreamTableSink, RetractStreamTableSink或UpsertStreamTableSink。

请参阅有关表源和接收器的文档，了解有关可用接收器的详细信息以及如何实现自定义DynamicTableSink的说明。

Table.insertInto(String tableName)方法定义了一个完整的端到端管道，将源表发送到已注册的接收表。该方法根据名称从编目中查找表接收器，并验证Table 的模式(Schema)是否与接收器的模式相同。管道可以用TablePipeline.explain()解释，并调用TablePipeline.execute()执行。

下面的例子展示了如何发出(emit)一个Table:

// get a TableEnvironment
TableEnvironment tableEnv = ...; // see "Create a TableEnvironment" section// create an output Table
final Schema schema = Schema.newBuilder().column("a", DataTypes.INT()).column("b", DataTypes.STRING()).column("c", DataTypes.BIGINT()).build();tableEnv.createTemporaryTable("CsvSinkTable", TableDescriptor.forConnector("filesystem").schema(schema).option("path", "/path/to/file").format(FormatDescriptor.forFormat("csv").option("field-delimiter", "|").build()).build());// compute a result Table using Table API operators and/or SQL queries
Table result = ...;// Prepare the insert into pipeline
TablePipeline pipeline = result.insertInto("CsvSinkTable");// Print explain details
pipeline.printExplain();// emit the result Table to the registered TableSink
pipeline.execute();

2.6 翻译并执行查询

表API和SQL查询被转换为数据流程序，无论它们的输入是流还是批处理。查询在内部表示为逻辑查询计划，并分两个阶段进行转换:

  1. Optimization of the logical plan,
  2. Translation into a DataStream program.

表API或SQL查询在以下情况下被转换:

  • 调用TableEnvironment.executeSql()。此方法用于执行给定的语句，并且在调用此方法后立即转换sql查询。
  • TablePipeline.execute()被调用。此方法用于执行源到接收器的管道，并且在调用此方法后立即转换Table API程序。
  • 调用Table.execute()。此方法用于将表内容收集到本地客户机，并且在调用此方法后立即转换table API。
  • 调用StatementSet.execute()。TablePipeline(通过StatementSet.add()发送到sink)或INSERT语句(通过StatementSet. addinsertsql()指定)将首先在StatementSet中进行缓冲。一旦StatementSet.execute()被调用，它们就会被转换。所有的汇将被优化为一个DAG。
  • Table 在转换为DataStream 时进行转换(请参阅与数据流的集成)。转换后，它是一个常规的数据流程序，并在调用StreamExecutionEnvironment.execute()时执行。

2.7 查询优化

Apache Flink利用并扩展了Apache Calcite来执行复杂的查询优化。这包括一系列基于规则和成本的优化，例如:

  • Subquery decorrelation based on Apache Calcite
  • Project pruning
  • Partition pruning
  • Filter push-down
  • Sub-plan deduplication to avoid duplicate computation
  • Special subquery rewriting, including two parts:
    • Converts IN and EXISTS into left semi-joins (将IN和EXISTS转换为左半连接)
    • Converts NOT IN and NOT EXISTS into left anti-join (将NOT IN和NOT EXISTS转换为左反连接)
  • Optional join reordering (可选的连接重排序)
    • Enabled via table.optimizer.join-reorder-enabled

注意: IN/EXISTS/NOT IN/NOT EXISTS目前只支持子查询重写的合词条件。

优化器不仅根据计划，还根据数据源提供的丰富统计信息和每个操作的细粒度成本(如io、cpu、网络和内存)做出智能决策。

高级用户可以通过CalciteConfig对象提供自定义优化，该对象可以通过调用TableEnvironment#getConfig#setPlannerConfig提供给表环境。

2.8 Explaining a Table

Table API提供了一种机制来解释用于计算Table的逻辑和优化的查询计划。这是通过Table.explain()方法或StatementSet.explain()方法完成的。Table.explain()返回一个表的计划。StatementSet.explain() 返回多个接收点的计划。它返回一个字符串，描述三个计划:

  • 关系查询的抽象语法树，即未优化的逻辑查询计划、
  • 优化的逻辑查询计划和
  • 物理执行计划。

TableEnvironment.explainSql()和TableEnvironment.executeSql()支持执行EXPLAIN语句来获取计划，请参考EXPLAIN页面。

下面的代码显示了一个使用Table.explain()方法的示例和给定表的相应输出:

StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
StreamTableEnvironment tEnv = StreamTableEnvironment.create(env);DataStream<Tuple2<Integer, String>> stream1 = env.fromElements(new Tuple2<>(1, "hello"));
DataStream<Tuple2<Integer, String>> stream2 = env.fromElements(new Tuple2<>(1, "hello"));// explain Table API
Table table1 = tEnv.fromDataStream(stream1, $("count"), $("word"));
Table table2 = tEnv.fromDataStream(stream2, $("count"), $("word"));
Table table = table1.where($("word").like("F%")).unionAll(table2);System.out.println(table.explain());

上面示例的结果是

== Abstract Syntax Tree ==
LogicalUnion(all=[true])
:- LogicalFilter(condition=[LIKE($1, _UTF-16LE'F%')])
:  +- LogicalTableScan(table=[[Unregistered_DataStream_1]])
+- LogicalTableScan(table=[[Unregistered_DataStream_2]])== Optimized Physical Plan ==
Union(all=[true], union=[count, word])
:- Calc(select=[count, word], where=[LIKE(word, _UTF-16LE'F%')])
:  +- DataStreamScan(table=[[Unregistered_DataStream_1]], fields=[count, word])
+- DataStreamScan(table=[[Unregistered_DataStream_2]], fields=[count, word])== Optimized Execution Plan ==
Union(all=[true], union=[count, word])
:- Calc(select=[count, word], where=[LIKE(word, _UTF-16LE'F%')])
:  +- DataStreamScan(table=[[Unregistered_DataStream_1]], fields=[count, word])
+- DataStreamScan(table=[[Unregistered_DataStream_2]], fields=[count, word])

下面的代码显示了使用StatementSet.explain()方法的多汇计划的示例和相应的输出:

EnvironmentSettings settings = EnvironmentSettings.inStreamingMode();
TableEnvironment tEnv = TableEnvironment.create(settings);final Schema schema = Schema.newBuilder().column("count", DataTypes.INT()).column("word", DataTypes.STRING()).build();tEnv.createTemporaryTable("MySource1", TableDescriptor.forConnector("filesystem").schema(schema).option("path", "/source/path1").format("csv").build());
tEnv.createTemporaryTable("MySource2", TableDescriptor.forConnector("filesystem").schema(schema).option("path", "/source/path2").format("csv").build());
tEnv.createTemporaryTable("MySink1", TableDescriptor.forConnector("filesystem").schema(schema).option("path", "/sink/path1").format("csv").build());
tEnv.createTemporaryTable("MySink2", TableDescriptor.forConnector("filesystem").schema(schema).option("path", "/sink/path2").format("csv").build());StatementSet stmtSet = tEnv.createStatementSet();Table table1 = tEnv.from("MySource1").where($("word").like("F%"));
stmtSet.add(table1.insertInto("MySink1"));Table table2 = table1.unionAll(tEnv.from("MySource2"));
stmtSet.add(table2.insertInto("MySink2"));String explanation = stmtSet.explain();
System.out.println(explanation);

the result of multiple-sinks plan is

== Abstract Syntax Tree ==
LogicalLegacySink(name=[`default_catalog`.`default_database`.`MySink1`], fields=[count, word])
+- LogicalFilter(condition=[LIKE($1, _UTF-16LE'F%')])+- LogicalTableScan(table=[[default_catalog, default_database, MySource1, source: [CsvTableSource(read fields: count, word)]]])LogicalLegacySink(name=[`default_catalog`.`default_database`.`MySink2`], fields=[count, word])
+- LogicalUnion(all=[true]):- LogicalFilter(condition=[LIKE($1, _UTF-16LE'F%')]):  +- LogicalTableScan(table=[[default_catalog, default_database, MySource1, source: [CsvTableSource(read fields: count, word)]]])+- LogicalTableScan(table=[[default_catalog, default_database, MySource2, source: [CsvTableSource(read fields: count, word)]]])== Optimized Physical Plan ==
LegacySink(name=[`default_catalog`.`default_database`.`MySink1`], fields=[count, word])
+- Calc(select=[count, word], where=[LIKE(word, _UTF-16LE'F%')])+- LegacyTableSourceScan(table=[[default_catalog, default_database, MySource1, source: [CsvTableSource(read fields: count, word)]]], fields=[count, word])LegacySink(name=[`default_catalog`.`default_database`.`MySink2`], fields=[count, word])
+- Union(all=[true], union=[count, word]):- Calc(select=[count, word], where=[LIKE(word, _UTF-16LE'F%')]):  +- LegacyTableSourceScan(table=[[default_catalog, default_database, MySource1, source: [CsvTableSource(read fields: count, word)]]], fields=[count, word])+- LegacyTableSourceScan(table=[[default_catalog, default_database, MySource2, source: [CsvTableSource(read fields: count, word)]]], fields=[count, word])== Optimized Execution Plan ==
Calc(select=[count, word], where=[LIKE(word, _UTF-16LE'F%')])(reuse_id=[1])
+- LegacyTableSourceScan(table=[[default_catalog, default_database, MySource1, source: [CsvTableSource(read fields: count, word)]]], fields=[count, word])LegacySink(name=[`default_catalog`.`default_database`.`MySink1`], fields=[count, word])
+- Reused(reference_id=[1])LegacySink(name=[`default_catalog`.`default_database`.`MySink2`], fields=[count, word])
+- Union(all=[true], union=[count, word]):- Reused(reference_id=[1])+- LegacyTableSourceScan(table=[[default_catalog, default_database, MySource2, source: [CsvTableSource(read fields: count, word)]]], fields=[count, word])

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