Flink面试题持续更新【2023-07-21】

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1. Flink相比传统的Spark Streaming区别?

Flink和传统的Spark Streaming是两种流处理框架，它们在设计理念、功能特性和处理模型上存在一些区别。

以下是Flink和传统的Spark Streaming之间的一些区别：

1. 处理模型：- Flink采用基于事件时间（Event Time）的处理模型，即根据事件生成的时间戳进行处理，支持事件时间窗口和处理时间窗口。- Spark Streaming使用基于处理时间（Processing Time）的处理模型，即按到达数据的时间顺序进行处理。
2. 状态管理：- Flink提供了内置的容错机制，使用分布式快照（snapshot）来管理流处理中的状态，并支持Exactly-Once语义的端到端一致性。- Spark Streaming依赖于外部的可插拔的数据源和存储系统（如Apache Hadoop、Apache HBase等）来管理状态，并且只能提供At-Least-Once语义。
3. 运行模式：- Flink支持以流式（Streaming）和批处理（Batch）为一体的运行模式，可以无缝地在流式和批处理任务之间切换。- Spark Streaming主要专注于流式处理，但可以通过微批处理（micro-batch processing）模型来模拟流处理。
4. 窗口处理：- Flink提供了丰富的窗口操作符，包括滚动窗口、滑动窗口和会话窗口，并支持基于事件时间的窗口计算。- Spark Streaming提供了基本的窗口操作符，如滚动窗口和滑动窗口，但不直接支持事件时间窗口计算。
5. 状态更新：- Flink可以对状态进行低延迟的更新，并支持基于事件时间的计时器和处理时间的计时器。- Spark Streaming的状态更新通常会有一定的延迟，并且依赖于批处理间隔的触发机制。
6. 扩展性和性能：- Flink的流处理引擎具有高度可扩展性和良好的性能，可以处理大规模数据和高吞吐量的场景。- Spark Streaming的性能和扩展性受限于微批处理的模型，对于低延迟和高吞吐量的要求可能不如Flink。

需要注意的是，Spark 3.0引入了Structured Streaming，它在Spark Streaming的基础上进行了重构，以支持更高级的流处理功能和与批处理更紧密的一体化。Structured Streaming提供了与Flink相似的事件时间处理、端到端一致性和更强大的窗口操作。

2. Flink和Spark Streaming消息语义有何异同

Flink和Spark Streaming在消息语义方面有一些异同之处：

Flink的消息语义：

• Flink提供了精确一次语义（exactly-once semantics）的消息处理。这意味着在正常情况下，每条消息都会被处理一次且仅一次，确保结果的准确性。
• Flink通过在源操作和接收器操作之间使用两阶段提交（two-phase commit）机制来实现精确一次语义。它会在事务日志中记录数据处理的状态，并在故障恢复时使用这些日志进行回滚或重放。

Spark Streaming的消息语义：

• Spark Streaming提供了至少一次语义（at-least-once semantics）的消息处理。这意味着每条消息至少会被处理一次，但可能会被重复处理。
• Spark Streaming使用源码日志（WAL）机制来保证消息的可靠性。数据被写入日志中，当任务失败时，可以从日志中恢复丢失的数据批次。

异同点：

• 主要的区别在于消息处理的一致性级别。Flink的精确一次语义确保了每条消息的处理准确性，而Spark Streaming的至少一次语义则提供了更高的容错性能，但不能保证消息处理的准确性。
• Flink的精确一次语义需要使用两阶段提交机制，这可能引入一些性能开销，而Spark Streaming的至少一次语义相对简单且具有较低的性能开销。
• 由于精确一次语义的要求，Flink的消息处理可能会在某些情况下引入一定的延迟，而Spark Streaming的消息处理通常具有更低的延迟。

需要注意的是，除了默认的消息语义之外，Flink和Spark Streaming都提供了灵活的配置选项和API，允许根据具体的应用需求调整消息语义级别。因此，在实际应用中，可以根据业务需求和性能要求选择合适的消息语义级别。

3. Flink如何保证 exactly-once 语义

1. Checkpoint 机制：Flink定期将作业的状态保存到持久化存储中，称为Checkpoint。在发生故障时，Flink可以从上一个成功的Checkpoint状态开始恢复作业的执行，确保不会发生数据丢失和重复计算。
2. 事务性写入：Flink支持以事务的方式将数据写入外部系统。这意味着数据写入和状态保存是原子性的，要么同时成功，要么同时失败。这确保了数据和状态的一致性，实现了Exactly-once语义。
3. 去重：Flink能够使用唯一标识符对事件进行去重。这意味着在数据源中出现重复事件时，只有第一次出现的事件会被处理，避免了重复计算。
4. 状态管理：Flink将状态存储在可靠的分布式存储系统中，如RocksDB或HDFS。在发生故障时，Flink可以从存储系统中恢复状态，并从上一个成功的Checkpoint状态开始继续执行，确保状态的一致性和可靠性。
5. 一次性批处理：Flink支持将流式计算转换为一次性批处理计算。在这种模式下，Flink将所有输入数据收集到一批中，然后对这一批数据进行计算。由于所有数据都在一批中处理，可以轻松地确保Exactly-once语义。

通过这些机制的组合，Flink能够有效地保证在发生故障时不会出现数据重复或数据丢失的情况，实现Exactly-once语义的流处理。

4. Flink重启策略

Flink提供了多种重启策略，用于控制作业在发生故障时如何重新启动。以下是Flink的重启策略总结：

1. 固定延迟重启策略（Fixed Delay Restart Strategy）：- 重启次数：尝试给定次数重新启动作业。- 重启间隔：在两次连续重启尝试之间等待固定的时间间隔。- 适用场景：适合对于临时性故障有快速恢复要求的场景。
2. 故障率重启策略（Failure Rate Restart Strategy）：- 最大故障数：当每个时间间隔的故障率超过指定的最大故障数时，作业最终会失败。- 时间间隔：用于计算故障率的时间窗口。- 重启间隔：在两次连续重启尝试之间等待固定的时间间隔。- 适用场景：适合对于长期稳定运行的作业，当故障率超过一定阈值时认为作业无法恢复。
3. 无重启策略（No Restart Strategy）：- 作业直接失败，不尝试重新启动。- 适用场景：适合对于不需要重启的作业，例如一次性的批处理作业。
4. 后备重启策略（Fallback Restart Strategy）：- 使用集群定义的默认重启策略，通常为固定延迟重启策略。- 适用场景：适合使用集群默认配置，并且对于多个作业采用相同的重启策略。

默认情况下，如果未定义特定于作业的重启策略，则Flink会使用集群的默认重启策略。重启策略可以通过Flink的配置文件（flink-conf.yaml）进行配置，也可以通过编程方式在作业代码中进行设置。

选择适合的重启策略取决于具体的应用需求和场景。例如，对于需要快速恢复的实时流处理作业，固定延迟重启策略可能更合适；对于长期稳定运行的作业，故障率重启策略可能更合适。重启策略的选择需要综合考虑作业的重要性、故障频率、处理能力等因素。

5. Flink的多种分区策略

感谢您提供的分区策略的详细解读。Flink的分区策略对于作业的性能和效率非常重要，正确选择和使用分区策略可以显著提高作业的处理速度和可靠性。下面是对Flink的8种分区策略的总结：

1. GlobalPartitioner：- 将所有的数据都发送到下游的某个算子实例（subtask ID = 0）。- 适用场景：当希望所有的数据都发送给下游的某个固定的算子实例时，可以使用该策略。
2. ShufflePartitioner：- 随机选择一个下游算子实例进行发送。- 适用场景：当希望数据能够均匀地分发到下游的所有算子实例时，可以使用该策略。
3. BroadcastPartitioner：- 将所有数据广播到所有的下游算子实例。- 适用场景：当希望所有的下游算子实例都能处理所有的数据时，可以使用该策略。
4. RebalancePartitioner：- 通过循环的方式依次发送数据到下游的不同算子实例。- 适用场景：当希望数据可以循环地分发到下游的所有算子实例时，可以使用该策略。
5. RescalePartitioner：- 基于上下游算子的并行度，将记录以循环的方式输出到下游的每个算子实例。- 适用场景：当希望数据可以按照一定规则分发到下游的所有算子实例时，可以使用该策略。
6. ForwardPartitioner：- 将数据发送到下游对应的第一个算子实例，保持上下游算子并行度一致。- 适用场景：当希望数据可以直接发送到下游的对应算子实例，并且上下游算子并行度一致时，可以使用该策略。
7. KeyGroupStreamPartitioner：- 根据key的分组索引选择发送数据到相应的下游子任务。- 适用场景：当希望数据按照key的分组索引发送到相应的下游子任务时，可以使用该策略。
8. CustomPartitionerWrapper：- 通过自定义的Partitioner实例，将记录输出到下游的特定算子实例。- 适用场景：当希望根据特定业务逻辑进行数据分区时，可以使用该策略。

每种分区策略都有不同的应用场景和优势，正确选择合适的分区策略可以根据具体的业务需求和数据特点来进行决策。同时，Flink还支持自定义分区策略，使得用户可以根据实际情况实现自己的分区逻辑。

6. Flink 的 Barrier 机制

当谈论 Flink 的 Barrier 机制时，我们通常是在讨论 Flink 的 Checkpoint 机制和实现 Exactly-Once 语义时的重要组成部分。Barrier 在 Flink 中扮演着关键的角色，它确保了流数据的一致性和正确性。下面是对 Flink 的 Barrier 机制的详细总结：

1. Barrier 是什么？- Barrier 是一种特殊的数据记录，在数据流中作为特殊的标记存在。- 它标记着数据流的特定位置，用于将数据流划分为一系列称为 Checkpoint Subtask 的数据分区。
2. Barrier 的生成和插入：- Barrier 是由 Source Operator（数据源算子）生成的，源操作符是数据流的起点。- 在数据流传递过程中，Barrier 会插入到数据流中，并在流的传输中被传递到下游操作符。
3. Barrier 对齐（Barrier Alignment）：- 当 Barrier 到达下游操作符时，下游操作符会进行 Barrier 对齐（Alignment）。- 对齐是指等待所有上游操作符的 Barrier 到达后，才能继续处理后续的数据。- 对齐的目的是确保所有上游分区的状态一致性，从而保证数据的正确处理。
4. Barrier 的作用：- Barrier 是实现 Flink 的 Exactly-Once 语义的关键。- 在执行 Checkpoint 时，Flink 会将 Barrier 插入到数据流中，以划分数据流的 Checkpoint Subtask。- 当发生故障时，Flink 使用 Checkpoint 和 Barrier 来实现作业状态的恢复，确保数据从 Checkpoint 的状态进行重播。
5. Barrier 和 Checkpoint 的关系：- Barrier 是 Checkpoint 的核心组成部分，用于确保数据的一致性和正确性。- Checkpoint 是在 Barrier 插入到数据流中的位置上进行的，以捕获该位置之前所有数据的状态。
6. Barrier 和数据流切分：- Barrier 将数据流划分为 Checkpoint Subtask，每个 Subtask 负责处理一部分数据。- 每个 Subtask 处理的数据范围由两个 Barrier 标记的位置之间的数据决定。
7. Barrier 和并发度：- Barrier 的生成和传递与任务的并发度（Parallelism）相关。- 每个任务（Task）处理数据流中的一个并行分区，并生成相应数量的 Barrier。
8. Barrier 和数据发送：- 当 Barrier 到达下游操作符时，操作符将检查所有上游分区是否都已经发送了相同的 Barrier。- 只有当所有上游分区都发送了相同的 Barrier 时，下游操作符才会继续处理数据。

总体来说，Barrier 是 Flink 中实现流式数据处理的关键机制。它保证了数据的一致性和正确性，同时确保了故障时的数据恢复，从而实现了 Exactly-Once 语义。Barrier 的正确生成、传递和对齐是 Flink 实现分布式流处理中关键的技术。

7. Flink中海量key如何去重

在 Flink 中，处理海量 key 的去重可以通过不同的方法实现：

1. 借助 Redis 的 Set：- 将 key 作为元素存储在 Redis 的 Set 中，利用 Set 的唯一性自动去重。- 使用 Jedis 或类似的 Redis 客户端库与 Redis 进行交互。- 缺点是需要频繁连接 Redis，可能会导致性能问题，并且大规模数据会占用 Redis 内存。
2. 使用 Flink 的 MapState：- 将 key 存储在 Flink 的 MapState 中，MapState 可以在算子实例之间共享状态。- 在处理每个 key 时，查询 MapState 确定是否为重复 key。- 缺点是如果数据量过大，状态后端最好选择 RocksDBStateBackend，因为大规模数据可能会导致状态占用过高。
3. 结合状态后端与定时清理：- 使用 RocksDBStateBackend 作为状态后端，它适合处理大量状态数据。- 设置一个定时任务定期清理状态，避免状态数据无限增长。- 缺点是需要根据数据规模合理设置定时任务的频率，避免影响正常处理。
4. 使用布隆过滤器（Bloom Filter）：- 布隆过滤器是一种空间高效的数据结构，用于判断元素是否存在于集合中。- 将 key 存储在布隆过滤器中，然后在处理每个 key 时，通过布隆过滤器快速判断是否为重复 key。- 布隆过滤器存在一定的误判率，但可以大大减少与外部存储（如 Redis）的交互次数，节省网络和计算资源。
5. 使用分布式缓存（如 Memcached 或 Redis Cluster）：- 将 key 存储在分布式缓存中，利用缓存的去重特性。- 不同于方案1，这里使用分布式缓存集群，可以分担数据量较大时的内存压力和连接频繁问题。
6. 使用分布式数据库（如 HBase 或 Cassandra）：- 将 key 存储在分布式数据库中，并利用数据库的去重能力。- 分布式数据库通常可以处理海量数据，并且提供高可靠性和水平扩展。
7. 结合 RocksDB 与状态 TTL（Time To Live）：- 使用 RocksDBStateBackend 作为状态后端，并结合状态 TTL 功能。- 设置状态 TTL，即状态在一段时间后自动过期，避免状态无限增长。- 这样可以有效控制状态数据的大小，并自动清理过期的 key。

选择合适的去重方案取决于具体的业务场景和性能要求。需要考虑数据规模、并发度、可靠性、计算资源等因素，并根据实际情况采用适合的技术方案来实现高效、准确的海量 key 去重。