Flink 数据源

原理

在 Flink 中，数据源（Source）是其中一个核心组件，负责从各种来源读取数据供 Flink 程序处理。

• Flink 的数据源类型丰富，涵盖了从简单测试到生产环境使用的各种场景。
• Kafka、Socket、文件和集合是 Flink 中最常见的几种数据源类型。
• 用户还可以通过实现自定义的 SourceFunction 接口来创建符合自己需求的数据源。
• Flink 的连接器生态也在不断发展壮大，为用户提供了更多的数据源选择。

核心组件

一个数据 source 包括三个核心组件：分片（Splits）、分片枚举器（SplitEnumerator） 以及 源阅读器（SourceReader）。

1. 分片（Split）

• 分片是对一部分source数据的包装，如一个文件或者日志分区。
• 分片是source进行任务分配和数据并行读取的基本粒度。

2. 分片枚举器（SplitEnumerator）

• 分片枚举器负责生成分片，并将它们分配给SourceReader。
• 该组件在JobManager上以单并行度运行，负责对未分配的分片进行维护，并以均衡的方式将其分配给reader。

3. 源阅读器（SourceReader）

• 源阅读器会请求分片并进行处理，例如读取分片所表示的文件或日志分区。
• SourceReader在TaskManagers上的SourceOperators并行运行，并产生并行的事件流/记录流。
  Source 类作为API入口，将上述三个组件结合在了一起。
  
  流处理和批处理的统一
  Data Source API 以统一的方式对无界流数据和有界批数据进行处理。
  事实上，这两种情况之间的区别是非常小的：在有界/批处理情况中，枚举器生成固定数量的分片，而且每个分片都必须是有限的。但在无界流的情况下，则无需遵从限制，也就是分片大小可以不是有限的，或者枚举器将不断生成新的分片。

数据源构建

Flink中的数据源（Data Source）是Flink作业的起点，它可以从各种数据来源获取数据，例如文件系统、消息队列、数据库等。数据源可以是内置的（如基于集合、文件、Socket等），也可以是自定义的，或者是通过第三方连接器（如Kafka、RabbitMQ等）获取的。

数据读取与分配

1. 数据读取
   SourceReader负责读取分片中的数据。对于不同的数据源，Flink提供了不同的读取方式。例如，对于Kafka数据源，SourceReader使用KafkaConsumer读取所分配的分片（Topic Partition）。
2. 数据分配
   分片枚举器（SplitEnumerator）会生成分片并将它们分配给SourceReader。分配过程旨在确保数据的均衡读取，从而提高整体的处理效率。

Flink Data Source的原理主要涉及三个核心组件：分片、分片枚举器和源阅读器。数据源通过这三个组件的协作，实现了从各种数据源中读取数据，并将数据分配给相应的处理任务进行处理。通过这种方式，Flink可以高效地处理来自不同来源的大量实时数据。

API

Source API 是一个工厂模式的接口，用于创建以下组件。

• Split Enumerator
• Source Reader
• Split Serializer
• Enumerator Checkpoint Serializer

除此之外，Source 还提供了 Boundedness 的特性，从而使得 Flink 可以选择合适的模式来运行 Flink 任务。
Source 实现应该是可序列化的，因为 Source 实例会在运行时被序列化并上传到 Flink 集群。

SplitEnumerator

SplitEnumerator是数据源（Source）架构中的一个关键组件，它负责生成和管理数据分片（Splits），并将这些分片分配给SourceReader进行并行处理。以下是对SplitEnumerator的详细解释，基于参考文章的内容进行组织：

1. 作用

• 生成分片：SplitEnumerator负责生成数据源的分片，这些分片是数据读取的基本单位。
• 分配分片：生成的分片会被SplitEnumerator分配给SourceReader，以便在TaskManagers上并行读取和处理数据。
• 负载均衡：SplitEnumerator负责维护等待中的分片的积压平衡，并以均衡的方式将它们分配给SourceReader，以确保数据处理的效率和公平性。

2. 主要方法
   参考文章提到SplitEnumerator包含以下方法：

• start()：启动分片枚举器。
• handleSplitRequest(int subtaskId, @Nullable String requesterHostname)：处理来自SourceReader的分片请求。
• addSplitsBack(List splits, int subtaskId)：当SourceReader失败时，收回已经分配但尚未被确认的分片。
• addReader(int subtaskId)：注册新的SourceReader。
• snapshotState(long checkpointId) throws Exception：在检查点（checkpoint）时保存分片枚举器的状态。
• close() throws IOException：关闭分片枚举器。

3. SplitEnumerator与SourceReader的交互

• SplitEnumerator与SourceReader之间存在紧密的交互关系。SourceReader会向SplitEnumerator请求分片，并处理接收到的分片数据。
• 当SourceReader失败时，SplitEnumerator会调用addSplitsBack()方法收回已经分配但尚未被确认的分片，以便重新分配。

SourceReader

Flink的SourceReader是数据源架构中的一个关键组件，主要负责从SplitEnumerator获取分片（Split），并读取和处理这些分片中的数据。SourceReader是并行运行在Task Managers的source算子中，并且产出并行的时间流/记录流。

核心功能

• 请求分片：SourceReader向SplitEnumerator请求分片，这是数据处理的起点。
• 读取数据：一旦获得分片，SourceReader会读取分片中的数据，并准备进行后续的处理。
• 数据处理：SourceReader对读取的数据进行处理，将其转换为Flink内部可以处理的格式，如DataStream。

交互过程

1. 与SplitEnumerator的交互：SourceReader通过SplitEnumerator获取分片，并在处理完一个分片后，根据需要向SplitEnumerator请求更多的分片。
2. 与Task Managers的交互：SourceReader运行在Task Managers上，与Task Managers进行交互以获取计算资源和执行环境。

状态与轮询

SourceReader提供了一个拉动式（pull-based）处理接口，Flink任务会在循环中不断调用pollNext(ReaderOutput)轮询来自SourceReader的记录。pollNext(ReaderOutput)方法的返回值指示SourceReader的状态，可能包括以下几种：

• MORE_AVAILABLE：表示SourceReader有可用的记录。
• NOTHING_AVAILABLE：表示SourceReader现在没有可用的记录，但是将来可能会有记录可用。
• END_OF_INPUT：表示SourceReader已经处理完所有记录，到达数据的尾部。

优化

为了提高性能，SourceReader可以在一次pollNext()调用中返回多条记录。然而，除非有必要，SourceReader的实现应该避免在一次pollNext(ReaderOutput)的调用中发送多个记录，因为对SourceReader轮询的任务线程工作在一个事件循环（event-loop）中，且不能阻塞。

Flink的SourceReader是数据源架构中的核心组件，负责从SplitEnumerator获取分片，读取并处理这些分片中的数据。通过拉动式处理接口和与Task Managers的交互，SourceReader能够高效地处理大量实时数据，并产出并行的时间流/记录流供后续处理使用。

SplitReader API

核心的 SourceReader API 是完全异步的， 但实际上，大多数 Sources 都会使用阻塞的操作，例如客户端（如 KafkaConsumer）的 poll() 阻塞调用，或者分布式文件系统（HDFS, S3等）的阻塞I/O操作。为了使其与异步 Source API 兼容，这些阻塞（同步）操作需要在单独的线程中进行，并在之后将数据提交给 reader 的异步线程。
在 Flink 的数据源实现中，数据读取通常涉及以下组件和概念：

1. SplitEnumerator：这是一个负责生成、管理和分配数据分片的组件。它运行在 JobManager 上，并与 SourceReader 交互，将分片分配给它们进行读取。
2. SourceReader：这是实际执行数据读取的组件，它运行在 TaskManager 上。SourceReader 会从 SplitEnumerator 请求分片，并读取这些分片中的数据。
3. SourceFunction：这是 Flink 数据源 API 的主要接口，用于定义如何从外部系统读取数据。在 SourceFunction 的实现中，开发者会处理与 SplitEnumerator 和 SourceReader 的交互逻辑。
   Spl
   itReader 是基于同步读取/轮询的 Source 的高级（high-level）API，例如 file source 和 Kafka source 的实现等。

核心是上面提到的 SourceReaderBase 类，其使用 SplitReader 并创建提取器（fetcher）线程来运行 SplitReader，该实现支持不同的线程处理模型。

SplitReader

SplitReader API 只有以下三个方法：

• 阻塞式的提取 fetch() 方法，返回值为 RecordsWithSplitIds 。
• 非阻塞式处理分片变动 handleSplitsChanges() 方法。
• 非阻塞式的唤醒 wakeUp() 方法，用于唤醒阻塞中的提取操作。

SplitReader 仅需要关注从外部系统读取记录，因此比 SourceReader 简单得多。 请查看这个类的 Java 文档以获得更多细节。

SourceReaderBase

常见的 SourceReader 实现方式如下：

• 有一个线程池以阻塞的方式从外部系统提取分片。
• 解决内部提取线程与其他方法调用（如 pollNext(ReaderOutput)）之间的同步。
• 维护每个分片的水印（watermark）以保证水印对齐。
• 维护每个分片的状态以进行 Checkpoint。

为了减少开发新的 SourceReader 所需的工作，Flink 提供了 SourceReaderBase 类作为 SourceReader 的基本实现。 SourceReaderBase 已经实现了上述需求。要重新编写新的 SourceReader，只需要让 SourceReader 继承 SourceReaderBase，而后完善一些方法并实现 SplitReader 。

SplitFetcherManager

SourceReaderBase 支持几个开箱即用（out-of-the-box）的线程模型，取决于 SplitFetcherManager 的行为模式。 SplitFetcherManager 创建和维护一个分片提取器（SplitFetchers）池，同时每个分片提取器使用一个 SplitReader 进行提取。它还决定如何分配分片给分片提取器。

例如，如下所示，一个 SplitFetcherManager 可能有固定数量的线程，每个线程对分配给 SourceReader 的一些分片进行抓取。

示例代码（概念性）

1. 定义 Split 类（代表数据的一个分片）

// 这不是 Flink API 的一部分，只是示例  
class FileSplit {  private String filePath;  private long startOffset;  private long endOffset;  // 构造函数、getter 和 setter 等...  
}

2. 实现 SplitEnumerator（负责管理 Split 的分配）

// 这不是 Flink API 的一部分，只是示例  
class FileSplitEnumerator implements SplitEnumerator<FileSplit, Void> {  // ... 省略其他实现细节 ...  @Override  public void start() {  // 启动时初始化分片，例如从文件系统中扫描文件  }  @Override  public CompletableFuture<SplitEnumeration<FileSplit>> getSplitsForSubtask(int subtaskId) {  // 根据 subtaskId 分配分片  // 这里只是一个简单的示例，实际中可能需要根据并行度等条件分配  List<FileSplit> splits = ...; // 从某处获取分片列表  return CompletableFuture.completedFuture(new ListSplitEnumeration<>(splits));  }  // ... 其他必要的方法实现 ...  
}

3. 实现 SourceReader（负责读取 Split）

// 这不是 Flink API 的一部分，只是示例  
class FileSourceReader implements Runnable {  private final FileSplit split;  private final SourceOutput<String> sourceOutput; // 假设这是 Flink 提供的输出接口  public FileSourceReader(FileSplit split, SourceOutput<String> sourceOutput) {  this.split = split;  this.sourceOutput = sourceOutput;  }  @Override  public void run() {  try (BufferedReader reader = new BufferedReader(new FileReader(split.getFilePath()))) {  reader.skip(split.getStartOffset()); // 跳过之前的数据  String line;  while ((line = reader.readLine()) != null && reader.skipBytes(0) < split.getEndOffset()) {  // 将读取到的数据发送到 Flink 的 SourceOutput  sourceOutput.collect(line);  }  } catch (IOException e) {  // 处理异常  }  }  
}

4. 在 SourceFunction 中使用

// 这才是 Flink 的 API 部分  
public class FileSourceFunction implements SourceFunction<String> {  private transient FileSplitEnumerator splitEnumerator;  private transient List<FileSourceReader> readers = new ArrayList<>();  @Override  public void run(SourceContext<String> ctx) throws Exception {  splitEnumerator = new FileSplitEnumerator();  splitEnumerator.start();  // 假设我们只有一个并行度，简单起见  SplitEnumeration<FileSplit> splits = splitEnumerator.getSplitsForSubtask(0).get();  for (FileSplit split : splits) {  FileSourceReader reader = new FileSourceReader(split, ctx::collect);  new Thread(reader).start(); // 注意：这里仅为示例，实际中应使用 Flink 的执行模型  readers.add(reader);  }  // 等待所有 reader 完成（这里只是概念性示例，实际中可能更复杂）  for (FileSourceReader reader : readers) {  // 假设有某种机制可以等待 reader 完成  }  // 通知 Flink 数据源已经完成  ctx.close();  }  // ... 其他必要的方法实现 ...  
}

提示：上述代码只是为了解释如何在 Flink 数据源内部实现类似于 SplitReader 的逻辑。在真实的 Flink 数据源实现中，需要使用 Flink 提供的 SourceFunction API 和相关的上下文（如 SourceContext）来正确地与 Flink 运行时集成。