15、Flink 的广播状态 (Broadcast State) 详解

1、广播状态 (Broadcast State)

广播状态是一种特殊的算子状态，支持将一个流中的元素需要广播到所有下游任务的使用情形，广播状态用于保持所有子任务状态相同。

2、广播状态和其他算子状态的区别：

• 它具有 map 格式，
• 它仅在一些特殊的算子中可用，这些算子的输入为一个广播数据流和非广播数据流，
• 这类算子可以拥有不同命名的多个广播状态 。

3、广播状态 API

案例：存在一个序列，序列中的元素是具有不同颜色与形状的图形，希望在序列里相同颜色的图形中寻找满足一定顺序模式的图形对（比如在红色的图形里，有一个长方形跟着一个三角形）同时希望寻找的模式也会随着时间而改变。

定义两个流，一个流包含图形（Item），具有颜色和形状两个属性；另一个流包含特定的规则（Rule），代表希望寻找的模式，在图形流中，首先使用颜色将流进行进行分区（keyBy），确保相同颜色的图形会流转到相同的物理机上。

// 将图形使用颜色进行划分
KeyedStream<Item, Color> colorPartitionedStream = itemStream
                        .keyBy(new KeySelector<Item, Color>(){...});

规则流应该被广播到所有的下游 task 中，下游 task 应当存储这些规则并根据它寻找满足规则的图形对。

• 将规则广播给所有下游 task；
• 使用 MapStateDescriptor 来描述并创建 broadcast state 在下游的存储结构。

// 一个 map descriptor，它描述了用于存储规则名称与规则本身的 map 存储结构
MapStateDescriptor<String, Rule> ruleStateDescriptor = new MapStateDescriptor<>(
			"RulesBroadcastState",
			BasicTypeInfo.STRING_TYPE_INFO,
			TypeInformation.of(new TypeHint<Rule>() {}));
		
// 广播流，广播规则并且创建 broadcast state
BroadcastStream<Rule> ruleBroadcastStream = ruleStream
                        .broadcast(ruleStateDescriptor);

使用规则来筛选图形序列：

• 将两个流关联起来
• 完成模式识别逻辑

为关联一个非广播流（keyed 或者 non-keyed）与一个广播流（BroadcastStream），可以调用非广播流的方法 connect()，并将 BroadcastStream 当做参数传入；这个方法的返回参数是 BroadcastConnectedStream，具有 process()方法，可以传入一个特殊的 CoProcessFunction 来编辑模式识别逻辑，具体传入 process() 的是哪个类型取决于非广播流的类型：

• 如果流是一个 keyed 流，那就是 KeyedBroadcastProcessFunction 类型；
• 如果流是一个 non-keyed 流，那就是 BroadcastProcessFunction 类型。

DataStream<String> output = colorPartitionedStream
                 .connect(ruleBroadcastStream)
                 .process(
                     
                     // KeyedBroadcastProcessFunction 中的类型参数表示：
                     //   1. key stream 中的 key 类型
                     //   2. 非广播流中的元素类型
                     //   3. 广播流中的元素类型
                     //   4. 结果的类型，在这里是 string
                     new KeyedBroadcastProcessFunction<Color, Item, Rule, String>() {
                         // 模式匹配逻辑
                     }
                 );

4、BroadcastProcessFunction 和 KeyedBroadcastProcessFunction

在传入的 BroadcastProcessFunction 或 KeyedBroadcastProcessFunction 中，需要实现两个方法；processBroadcastElement() 负责处理广播流中的元素，processElement() 负责处理非广播流中的元素。

public abstract class BroadcastProcessFunction<IN1, IN2, OUT> extends BaseBroadcastProcessFunction {

    public abstract void processElement(IN1 value, ReadOnlyContext ctx, Collector<OUT> out) throws Exception;

    public abstract void processBroadcastElement(IN2 value, Context ctx, Collector<OUT> out) throws Exception;
}

public abstract class KeyedBroadcastProcessFunction<KS, IN1, IN2, OUT> {

    public abstract void processElement(IN1 value, ReadOnlyContext ctx, Collector<OUT> out) throws Exception;

    public abstract void processBroadcastElement(IN2 value, Context ctx, Collector<OUT> out) throws Exception;

    public void onTimer(long timestamp, OnTimerContext ctx, Collector<OUT> out) throws Exception;
}

注意： processBroadcastElement() 处理广播流的元素， processElement() 处理另一个流的元素，两个方法的第二个参数（Context）不同。

得到广播流的存储状态：ctx.getBroadcastState(MapStateDescriptor<K, V> stateDescriptor)
查询元素的时间戳：ctx.timestamp()
查询目前的Watermark：ctx.currentWatermark()
目前的处理时间(processing time)：ctx.currentProcessingTime()
产生旁路输出：ctx.output(OutputTag<X> outputTag, X value)

在 getBroadcastState() 方法中传入的 stateDescriptor 应该与调用 .broadcast(ruleStateDescriptor) 的参数相同。

注意：对于 broadcast state 的访问权限，在处理广播流元素这端，是具有读写权限的，而对于处理非广播流元素这端是只读的；因为 Flink 中是不存在跨 task 通讯的，为了保证 broadcast state 在所有的并发实例中是一致的，在处理广播流元素的时候给予写权限，在所有的 task 中均可以看到这些元素，并且要求对这些元素处理是一致的， 那么最终所有 task 得到的 broadcast state 是一致的。

processBroadcastElement() 的实现必须在所有的并发实例中具有确定性的结果。

KeyedBroadcastProcessFunction 在 Keyed Stream 上工作，提供了一些 BroadcastProcessFunction 没有的功能：

1.processElement() 的参数 ReadOnlyContext 提供了方法访问 Flink 的定时器服务，可以注册事件时间定时器(event-time timer)或处理时间定时器(processing-time timer)；当定时器触发时，会调用 onTimer() 方法， 提供了 OnTimerContext，它具有 ReadOnlyContext 的全部功能，并且提供：

• 查询当前触发的是一个事件时间还是处理时间的定时器
• 查询定时器关联的key

2.processBroadcastElement() 方法中的参数 Context 会提供方法 applyToKeyedState(StateDescriptor stateDescriptor, KeyedStateFunction function)；这个方法使用一个 KeyedStateFunction 能够对 stateDescriptor 对应的 state 中所有 key 的存储状态进行某些操作。

注册定时器只能在 KeyedBroadcastProcessFunction 的 processElement() 方法中进行，在 processBroadcastElement() 方法中不能注册定时器，因为广播的元素中并没有关联的 key。

new KeyedBroadcastProcessFunction<Color, Item, Rule, String>() {

    // 存储部分匹配的结果，即匹配了一个元素，正在等待第二个元素
    // 用一个数组来存储，因为同时可能有很多第一个元素正在等待
    private final MapStateDescriptor<String, List<Item>> mapStateDesc =
        new MapStateDescriptor<>(
            "items",
            BasicTypeInfo.STRING_TYPE_INFO,
            new ListTypeInfo<>(Item.class));

    // 与之前的 ruleStateDescriptor 相同
    private final MapStateDescriptor<String, Rule> ruleStateDescriptor = 
        new MapStateDescriptor<>(
            "RulesBroadcastState",
            BasicTypeInfo.STRING_TYPE_INFO,
            TypeInformation.of(new TypeHint<Rule>() {}));

    @Override
    public void processBroadcastElement(Rule value,
                                        Context ctx,
                                        Collector<String> out) throws Exception {
        ctx.getBroadcastState(ruleStateDescriptor).put(value.name, value);
    }

    @Override
    public void processElement(Item value,
                               ReadOnlyContext ctx,
                               Collector<String> out) throws Exception {

        final MapState<String, List<Item>> state = getRuntimeContext().getMapState(mapStateDesc);
        final Shape shape = value.getShape();
    
        for (Map.Entry<String, Rule> entry :
                ctx.getBroadcastState(ruleStateDescriptor).immutableEntries()) {
            final String ruleName = entry.getKey();
            final Rule rule = entry.getValue();
    
            List<Item> stored = state.get(ruleName);
            if (stored == null) {
                stored = new ArrayList<>();
            }
    
            if (shape == rule.second && !stored.isEmpty()) {
                for (Item i : stored) {
                    out.collect("MATCH: " + i + " - " + value);
                }
                stored.clear();
            }
    
            // 不需要额外的 else{} 段来考虑 rule.first == rule.second 的情况
            if (shape.equals(rule.first)) {
                stored.add(value);
            }
    
            if (stored.isEmpty()) {
                state.remove(ruleName);
            } else {
                state.put(ruleName, stored);
            }
        }
    }
}

3.注意事项

• 没有跨 task 通讯：只有在 (Keyed)-BroadcastProcessFunction 中处理广播流元素的方法里可以更改 broadcast state 的内容；同时，需要保证所有 task 对于 broadcast state 的处理方式是一致的，否则会造成不同 task 读取 broadcast state 时内容不一致的情况，最终导致结果不一致。
• broadcast state 在不同的 task 的事件顺序可能是不同的：虽然广播流中元素的过程能够保证所有的下游 task 全部能够收到，但在不同 task 中元素的到达顺序可能不同，所以 broadcast state 的更新不能依赖于流中元素到达的顺序。
• 所有的 task 均会对 broadcast state 进行 checkpoint：虽然所有 task 中的 broadcast state 是一致的，但当 checkpoint 来临时所有 task 均会对 broadcast state 做 checkpoint；防止在作业恢复后读文件造成的文件热点；Flink 会保证在恢复状态/改变并发的时候数据没有重复且没有缺失，在作业恢复时，如果与之前具有相同或更小的并发度，所有的 task 读取之前已经 checkpoint 过的 state，在增大并发的情况下，task 会读取本身的 state，多出来的并发（p_new - p_old）会使用轮询调度算法读取之前 task 的 state。
• 不使用 RocksDB state backend： broadcast state 在运行时保存在内存中，需保证内存充足，同样适用于其它 Operator State。