【实时计算 Flink】DataStream作业大状态导致反压的调优原理与方法

状态管理不仅影响应用的性能，还关系到系统的稳定性和资源的有效利用。如果状态管理不当，可能会导致性能下降、资源耗尽，甚至系统崩溃。Flink Datastream API在状态管理方面提供了非常灵活的接口，您可以采取相关措施来确保状态大小可控，避免状态的无限制增长。

基本原理

Flink支持Operator State和Keyed State两种状态，其中大状态问题通常由Keyed State引起。Flink DataStream API支持通过显式的ValueState、ListState、MapState等状态接口来维护Keyed State，以及为其设置过期时间，详情请参见状态相关介绍。

问题诊断方法

在Flink作业存在性能瓶颈时，系统往往表现出明显的反压现象。这种反压可能由多种因素引起，但主要的原因之一是作业状态规模的持续膨胀，直至超出内存限制。此时，状态存储引擎会将部分不频繁使用的状态数据移至磁盘，而磁盘与内存在数据存取速度上的巨大差异，使得磁盘IO操作成为数据处理效率的瓶颈。尤其在Flink的计算过程中，如果算子频繁地从磁盘读取状态数据，将显著增加作业的延迟，降低整体处理速度，成为性能问题的根源。

为了准确识别是否由状态访问引发反压，需要对作业的运行状态和算子行为进行深入分析。利用监控工具追踪和诊断性能瓶颈，可以有效地发现并解决由状态访问引起的性能问题，从而提升Flink作业的性能。

实时计算开发控制台集成了多种分析工具（如下表所示），结合智能诊断与自动调优功能，形成了初步的大状态作业问题诊断与自动调优能力，在定位和解决大规模状态作业的性能瓶颈方面发挥着重要作用。

工具

用途

使用方式

Thread Dump

查看当前时刻的算子线程是否主要在访问State。

具体操作请参见查看作业性能。

线程动态

抽样查看一段时间内的线程动态是否主要在访问State。

CPU火焰图

查看一段时间内的CPU时间占比大头是否在访问State。

查看运行监控指标

通过查看State Size相关指标判断状态大小和IO情况。

在状态总览页签，单击操作栏中的指标，进入指标页面。

重点观察以下指标：

• State Size（Gemini Only）：运行时单并发的状态大小。
• LastCheckPointFullSize：最近一个Checkpoint的全量大小，可以用来大致估算整体作业的状态大小。
• State Access Latency（需要额外开启）：当单个State访问达到毫秒级，需要重点关注状态访问的性能，详情请参见State。

调优方法

确认业务逻辑，合理设计状态

在使用Flink进行状态管理时，首先需要审视业务逻辑。合理设计状态结构和存储内容是控制状态增长的关键。仅存储业务所需的最小化状态信息，有利于避免状态的无限增长。

设置合理状态生命周期，减小状态大小

Flink提供了丰富的状态时间特性，例如ValueStateDescriptor的setTTL方法，可以设置状态的生命周期，确保状态在一定时间后自动过期并被清除。同时，也可以直接调用clear()或remove()方法，显式删除不再需要的状态条目。利用这些特性，可以有效控制状态规模。

使用定时器进行状态清理

除了依赖状态的时间特性，还可以利用Flink的定时器机制，定期触发状态的清理操作。通过设置合理的定时器触发时间，可以确保过期状态及时被清理，避免状态无限增长。这种主动清理状态的方法，可以更精细地控制状态的生命周期。

进行必要的监控与日志输出，同时定期分析状态文件

在状态管理过程中，需要持续监控状态大小和状态后端的性能指标，及时发现异常情况。同时，记录详细的日志信息，有助于在出现问题时快速定位和解决。除此之外，定期分析状态文件，也能够提供系统运行的历史数据，有助于识别作业模式和预测可能的风险点，为进一步优化状态管理提供依据。

尽可能减少读盘

通过减少磁盘读取次数并优化内存使用，可以提升系统性能。以下是针对不同情况的具体策略：

• 优化内存在保证系统总资源不受影响的前提下，可以重新分配内存资源，将更多的内存分配给托管内存（Managed Memory）。这样做可以有效提升内存的命中率，从而减少对磁盘的依赖。具体操作时，应确保其他内存资源充足，以免影响系统的其他部分。
• 配置资源在进行资源配置时，应优先考虑增加内存资源。通过为存储引擎分配更多的托管内存，可以进一步提高内存命中率，减少对磁盘的读取需求。这种方法在细粒度资源管理中尤为重要，因为它允许更精确地控制资源分配，以达到最佳的性能表现。
• 提高并发处理能力通过增加并发处理的数量，可以降低单个并发任务的状态量，从而减少需要写入磁盘的数据量。这种方法可以有效地减少磁盘I/O操作，提高整体的数据处理效率。

下表展示不同使用场景下，采取的调优方法以及具体操作步骤：

使用场景

调优方法

具体操作

注意事项

当Heap等其他内存资源余量较多时

调整内存资源比例，提供更多内存资源给Managed Memory。

配置运行参数

taskmanager.memory.managed.fraction

，该参数默认值是0.4，适当增加该参数可以将更多内存资源用于实际状态数据存储，详情参见参数说明和配置说明。

需要确保其他内存资源够用，否则会导致频繁垃圾回收（Full GC），从而导致性能下降。

所有场景

增加内存。

在资源配置中增加内存和并发，详情请参见配置作业资源。

无。

增加并发。