Flink端到端的精确一次（Exactly-Once）

状态一致性

流式计算本身就是一个一个进行的，所以正常处理的过程中结果肯定是正确的，但在发生故障、需要恢复回滚时就需要更多的保障机制。我们通过检查点的保存来保证状态恢复后计算结果的正确。

状态一致性其实就是结果的正确性，一般从数据丢失、数据重复来评估。

一般说来，状态一致性有三种级别：

• 最多一次（At-Most-Once）
• 至少一次（At-Least-Once）
• 精确一次（Exactly-Once）

端到端的状态一致性

我们已经知道检查点可以保证Flink内部状态的一致性，而且可以做到精确一次。在实际应用中，不仅仅要确保Flink内部状态的正确性，我们需要确保整个应用处理流程从头到尾都应该是正确的，才能得到整体结果的正确性。

完整的流处理应用，包括数据源、流处理器和外部存储系统三个部分。这个完整应用的一致性，就叫做“端到端（end-to-end）的状态一致性”，它取决于三个组件中最弱的那一环。

一般来说，能否达到at-least-once一致性级别，主要看数据源能够重放数据，而能否达到exactly-once级别，流处理器内部、数据源、外部存储都要有相应的保证机制。

端到端精确一次（End-To-End Exactly-Once）

最难做到、也最希望做到的一致性语义就是端到端（end-to-end）的“精确一次”。

Flink内部的Exactly-Once

对于Flink内部来说，检查点机制可以保证故障恢复后数据不丢（在数据能够重放的前提下），已经可以做到exactly-once的一致性语义了。

所以端到端一致性的关键点，就在于输入的数据源端（Source）和输出的外部存储端（Sink）。

输入端保证

输入端主要指的就是Flink读取的外部数据源。对于一些数据源来说，并不提供数据的缓冲或是持久化保存，数据被消费之后就彻底不存在了，例如socket文本流。对于这样的数据源，故障后我们即使通过检查点恢复之前的状态，可保存检查点之后到发生故障期间的数据已经不能重发了，这就会导致数据丢失。所以就只能保证at-most-once的一致性语义，相当于没有保证。

想要在故障恢复后不丢数据，外部数据源就必须拥有重放数据的能力。常见的做法就是对数据进行持久化保存，并且可以重设数据的读取位置。一个最经典的应用就是Kafka。在Flink的Source任务中将数据读取的偏移量保存为状态，这样就可以在故障恢复时从检查点中读取出来，对数据源重置偏移量，重新获取数据。

数据源可重放数据，或者说可重置读取数据偏移量，加上Flink的Source算子将偏移量作为状态保存进检查点，就可以保证数据不丢。这是达到at-least-once一致性语义的基本要求，当然也是实现端到端exactly-once的基本要求。

输出端保证

有了Flink的检查点机制，以及可重放数据的外部数据源，我们已经能做到at-least-once了。但是想要实现exactly-once却还有更大的困难：数据有可能重复写入外部系统。

因为检查点保存之后，继续到来的数据也会一一处理，任务的状态也会更新，最终通过Sink任务将计算结果输出到外部系统；只是状态改变还没有存到下一个检查点中。这时如果出现故障，这些数据都会重新来一遍，就计算了两次。我们知道对Flink内部状态来说，重复计算的动作是没有影响的，因为状态已经回滚，最终改变只会发生一次；但对于外部系统来说，已经写入的结果已经无法收回了，再次执行写入就会把同一个数据写入两次。

所以这时，保证了端到端的at-least-once语义。

为了实现端到端exactly-once，我们还需要对外部存储系统、以及Sink连接器有额外的要求。能够保证exactly-once一致性的写入方式有两种：

• 幂等写入
• 事务写入

幂等写入

所谓“幂等”操作，就是说一个操作可以重复执行很多次，但只导致一次结果更改。也就是说，后面再重复执行就不会对结果起作用了，或者说后面的结果和之前的结果保持一致。

对于幂等写入，遇到故障进行恢复时，有可能会出现短暂的不一致。不过当数据的重放逐渐超过发生故障的点的时候，最终的结果还是一致的。

事务写入

事务是应用程序中一系列的操作，事务中所有操作要么全部完成，要么全部不完成。

输出端最大的问题，就是写入到外部系统的数据难以撤回。而利用事务就可以实现对已写入数据的撤回。

事务写入的基本思想就是：用一个事务来进行数据向外部系统的写入，这个事务是与检查点绑定在一起的。当Sink任务遇到barrier时，开始保存状态的同时就开启一个事务，接下来所有数据的写入都在这个事务中；待到当前检查点保存完毕时，将事务提交，所有写入的数据就真正可用了。如果中间过程出现故障，状态会回退到上一个检查点，而当前事务没有正常关闭（因为当前检查点没有保存完），所以也会回滚，写入到外部的数据就被撤销了。

具体来说，又有两种实现方式：预写日志（WAL）和两阶段提交（2PC）

（1）预写日志（write-ahead-log，WAL）

事务提交是需要外部存储系统支持事务的，否则没有办法真正实现写入的回撤。

那对于一般不支持事务的存储系统，如何能够实现事务写入呢？ 预写日志（WAL）就是一种非常简单的方式。

具体步骤是：

①先把结果数据作为日志（log）状态保存起来，保持在状态后端中。

②进行检查点保存时，也会将这些结果数据一并做持久化存储。

③在收到检查点完成的通知时，将所有结果一次性写入外部系统。

④在成功写入所有数据后，在内部再次确认相应的检查点，将确认信息也进行持久化保存。这才代表着检查点的真正完成。

我们会发现，这种方式类似于检查点完成时做一个批处理，一次性的写入会带来一些性能上的问题；而优点就是比较简单，由于数据提前在状态后端中做了缓存，所以无论什么外部存储系统，理论上都能用这种方式一批搞定。

在Flink中DataStream API提供了一个模板类GenericWriteAheadSink，用来实现这种事务型的写入方式。

需要注意的是，预写日志这种一批写入的方式，有可能会写入失败；所以在执行写入动作之后，必须等待发送成功的返回确认消息。在成功写入所有数据后，在内部再次确认相应的检查点，这才代表着检查点的真正完成。这里需要将确认信息也进行持久化保存，在故障恢复时，只有存在对应的确认信息，才能保证这批数据已经写入，可以恢复到对应的检查点位置。

但这种“再次确认”的方式，也会有一些缺陷。如果我们的检查点已经成功保存、数据也成功地一批写入到了外部系统，但是最终保存确认信息时出现了故障，Flink最终还是会认为没有成功写入。于是发生故障时，不会使用这个检查点，而是需要回退到上一个；这样就会导致这批数据的重复写入。

（2）两阶段提交（two-phase-commit，2PC）

前面提到的各种实现exactly-once的方式，多少都有点缺陷；而更好的方法就是传说中的两阶段提交（2PC）。 顾名思义，它的想法是分成两个阶段：先做“预提交”，等检查点完成之后再正式提交。这种提交方式是真正基于事务的，它需要外部系统支持事务。

具体的实现步骤为：

①当第一条数据到来时，或者收到检查点的分界线时（第一条数据到达会启动一个事物，之后都是用分界线到达启动一个事物），Sink任务都会启动一个事务。

②接下来接收到的所有数据，都通过这个事务直接写入外部系统；这时由于事务没有提交，所以数据尽管写入了外部系统，但是不可用，是“预提交”的状态。

③当Sink任务收到JobManager发来检查点完成的通知时，正式提交事务，写入的结果就真正可用了。

当中间发生故障时，当前未提交的事务就会回滚，于是所有写入外部系统的数据也就实现了撤回。

这种两阶段提交（2PC）的方式充分利用了Flink现有的检查点机制：分界线的到来，就标志着开始一个新事务；而收到来自JobManager的checkpoint成功的消息，就是提交事务的指令。每个结果数据的写入，依然是流式的，不再有预写日志时批处理的性能问题；最终提交时，也只需要额外发送一个确认信息。所以2PC协议不仅真正意义上实现了exactly-once，而且通过搭载Flink的检查点机制来实现事务，只给系统增加了很少的开销。

Flink提供了TwoPhaseCommitSinkFunction接口，方便我们自定义实现两阶段提交的SinkFunction的实现，提供了真正端到端的exactly-once保证。不过两阶段提交虽然精巧，却对外部系统有很高的要求。这里将2PC对外部系统的要求列举如下：

外部系统必须提供事务支持，或者Sink任务必须能够模拟外部系统上的事务。

在检查点的间隔期间里，必须能够开启一个事务并接受数据写入。

在收到检查点完成的通知之前，事务必须是“等待提交”的状态。在故障恢复的情况下，这可能需要一些时间。如果这个时候外部系统关闭事务（例如超时了），那么未提交的数据就会丢失。

Sink任务必须能够在进程失败后恢复事务。

提交事务必须是幂等操作。也就是说，事务的重复提交应该是无效的。

可见，2PC在实际应用同样会受到比较大的限制。具体在项目中的选型，最终还应该是一致性级别和处理性能的权衡考量。

Flink和Kafka连接时的精确一次保证

在流处理的应用中，最佳的数据源当然就是可重置偏移量的消息队列了；它不仅可以提供数据重放的功能，而且天生就是以流的方式存储和处理数据的。所以作为大数据工具中消息队列的代表，Kafka可以说与Flink是天作之合，实际项目中也经常会看到以Kafka作为数据源和写入的外部系统的应用。在本小节中，我们就来具体讨论一下Flink和Kafka连接时，怎样保证端到端的exactly-once状态一致性。

整体介绍

既然是端到端的exactly-once，我们依然可以从三个组件的角度来进行分析：

（1）Flink内部 Flink内部可以通过检查点机制保证状态和处理结果的exactly-once语义。

（2）输入端 输入数据源端的Kafka可以对数据进行持久化保存，并可以重置偏移量（offset）。所以我们可以在Source任务（FlinkKafkaConsumer）中将当前读取的偏移量保存为算子状态，写入到检查点中；当发生故障时，从检查点中读取恢复状态，并由连接器FlinkKafkaConsumer向Kafka重新提交偏移量，就可以重新消费数据、保证结果的一致性了。

（3）输出端 输出端保证exactly-once的最佳实现，当然就是两阶段提交（2PC）。作为与Flink天生一对的Kafka，自然需要用最强有力的一致性保证来证明自己。

也就是说，我们写入Kafka的过程实际上是一个两段式的提交：处理完毕得到结果，写入Kafka时是基于事务的“预提交”；等到检查点保存完毕，才会提交事务进行“正式提交”。如果中间出现故障，事务进行回滚，预提交就会被放弃；恢复状态之后，也只能恢复所有已经确认提交的操作。

需要的配置

在具体应用中，实现真正的端到端exactly-once，还需要有一些额外的配置：

（1）必须启用检查点

（2）指定KafkaSink的发送级别为DeliveryGuarantee.EXACTLY_ONCE

（3）配置Kafka读取数据的消费者的隔离级别

这里所说的Kafka，是写入的外部系统。预提交阶段数据已经写入，只是被标记为“未提交”（uncommitted），而Kafka中默认的隔离级别isolation.level是read_uncommitted，也就是可以读取未提交的数据。所以应该将隔离级别配置 为read_committed，表示消费者遇到未提交的消息时，会停止从分区中消费数据，直到消息被标记为已提交才会再次恢复消费。当然，这样做的话，外部应用消费数据就会有显著的延迟。

（4）事务超时配置

Flink的Kafka连接器中配置的事务超时时间transaction.timeout.ms默认是1小时，而Kafka集群配置的事务最大超时时间transaction.max.timeout.ms默认是15分钟。所以在检查点保存时间很长时，有可能出现Kafka已经认为事务超时了，丢弃了预提交的数据；而Sink任务认为还可以继续等待。如果接下来检查点保存成功，发生故障后回滚到这个检查点的状态，这部分数据就被真正丢掉了。所以这两个超时时间，前者应该小于等于后者。

案例

该案例完成从Kafka的topic_1主题中读取源数据，Flink进行数据处理，处理完成后把数据发送到Kafka的ws主题中。

案例代码可以在Flink Stream API实践 的基础上进行。

添加依赖

        <dependency>
            <groupId>org.apache.flink</groupId>
            <artifactId>flink-connector-kafka</artifactId>
            <version>${flink.version}</version>
        </dependency>

Flink 代码

import org.apache.flink.api.common.eventtime.WatermarkStrategy;
import org.apache.flink.api.common.serialization.SimpleStringSchema;
import org.apache.flink.connector.base.DeliveryGuarantee;
import org.apache.flink.connector.kafka.sink.KafkaRecordSerializationSchema;
import org.apache.flink.connector.kafka.sink.KafkaSink;
import org.apache.flink.connector.kafka.source.KafkaSource;
import org.apache.flink.connector.kafka.source.enumerator.initializer.OffsetsInitializer;
import org.apache.flink.streaming.api.CheckpointingMode;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.DataStreamSource;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.CheckpointConfig;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
import org.apache.kafka.clients.producer.ProducerConfig;

import java.time.Duration;

public class KafkaEOSDemo {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        // 代码中用到hdfs，需要导入hadoop依赖、指定访问hdfs的用户名
        System.setProperty("HADOOP_USER_NAME", "hadoop");

        // 启用检查点，设置为精准一次，hdfs namenode主机和端口号注意根据实际情况修改
        env.enableCheckpointing(5000, CheckpointingMode.EXACTLY_ONCE);
        CheckpointConfig checkpointConfig = env.getCheckpointConfig();
        checkpointConfig.setCheckpointStorage("hdfs://node2:9820/chk");

        checkpointConfig.setExternalizedCheckpointCleanup(CheckpointConfig.ExternalizedCheckpointCleanup.RETAIN_ON_CANCELLATION);

        // 读取kafka数据
        KafkaSource<String> kafkaSource = KafkaSource.<String>builder()
                .setBootstrapServers("node2:9092,node3:9092,node4:9092")
                .setGroupId("test")
                .setTopics("topic_1")
                .setValueOnlyDeserializer(new SimpleStringSchema())
                .setStartingOffsets(OffsetsInitializer.latest())
                .build();

        DataStreamSource<String> kafkaDataStreamSource = env.fromSource(kafkaSource, WatermarkStrategy.forBoundedOutOfOrderness(Duration.ofSeconds(3)), "kafkasource");

        KafkaSink<String> kafkaSink = KafkaSink.<String>builder()
                .setBootstrapServers("node2:9092,node3:9092,node4:9092")
                .setRecordSerializer(
                        KafkaRecordSerializationSchema.<String>builder()
                                .setTopic("ws")
                                .setValueSerializationSchema(new SimpleStringSchema())
                                .build()
                )
                // 精准一次，开启2pc
                .setDeliveryGuarantee(DeliveryGuarantee.EXACTLY_ONCE)
                // 精准一次，必须设置 事务的前缀
                .setTransactionalIdPrefix("prefix-")
                // 精准一次，必须设置事务超时时间： 大于checkpoint间隔，小于15分
                .setProperty(ProducerConfig.TRANSACTION_TIMEOUT_CONFIG, 10 * 60 * 1000 + "")
                .build();

        kafkaDataStreamSource.sinkTo(kafkaSink);
        env.execute();

    }
}

启动zk

zk.sh start

启动kafka

kf.sh start

查看kafka主题，如果没有topic_1和ws主题的话，则需要创建相关主题

kafka-topics.sh --bootstrap-server node2:9092,node3:9092,node4:9092 --list

创建kafka主题

​
kafka-topics.sh --bootstrap-server node2:9092,node3:9092,node4:9092 --create --replication-factor 1 --partitions 1 --topic topic_1
​
kafka-topics.sh --bootstrap-server node2:9092,node3:9092,node4:9092 --create --replication-factor 1 --partitions 1 --topic ws

启动控制台生产者

kafka-console-producer.sh --broker-list node2:9092 --topic topic_1

启动控制台消费者

kafka-console-consumer.sh --bootstrap-server node2:9092 --topic ws

运行hadoop（主要用到hdfs）

myhadoop.sh start

这里的myhadoop.sh是自己编写的启动脚本。也可以只启动hdfs。

运行

KafkaEOSDemo.java

程序

控制台生产者生产消息，发送消息，例如：hello world

控制台消费者消费消息

生产消息后，消费者几乎不用等待就可收到消息(hello world)。原因是控制台消费者默认消费的是checkpoint未提交的数据。

在控制台消费者终端，按Ctrl+c关闭控制台消费者。

解决办法：设置消费数据类型为读已提交数据。

.setProperty(ConsumerConfig.ISOLATION_LEVEL_CONFIG, "read_committed")

将控制台消费者改为自己编写的IDEA消费者，设置消费数据类型为读已提交数据。

kafka消费者代码如下：

import org.apache.flink.api.common.eventtime.WatermarkStrategy;
import org.apache.flink.api.common.serialization.SimpleStringSchema;
import org.apache.flink.connector.kafka.source.KafkaSource;
import org.apache.flink.connector.kafka.source.enumerator.initializer.OffsetsInitializer;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
import org.apache.kafka.clients.consumer.ConsumerConfig;

import java.time.Duration;

/**
 * kafka 消费者 消费ws主题数据
 */
public class KafkaEOSDemo2 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        KafkaSource<String> kafkaSource = KafkaSource.<String>builder()
                .setBootstrapServers("node2:9092,node3:9092,node4:9092")
                .setGroupId("test")
                .setTopics("ws")
                .setValueOnlyDeserializer(new SimpleStringSchema())
                .setStartingOffsets(OffsetsInitializer.latest())
                // 作为下游的消费者，要设置事务的隔离级别为： 读已提交
                .setProperty(ConsumerConfig.ISOLATION_LEVEL_CONFIG, "read_committed")
                .build();
        env.fromSource(kafkaSource, WatermarkStrategy.forBoundedOutOfOrderness(Duration.ofSeconds(3)), "kafkasource")
                .print();
        env.execute();
    }
}

测试

运行

KafkaEOSDemo2.java

程序

控制台生产者生产消息

hello hadoop

[hadoop@node2 kafka]$ kafka-console-producer.sh --broker-list node2:9092 --topic topic_1
>hello world
>hello hadoop
>

等待一会后，IDEA控制台才有数据输出

hello hadoop

说明此时读的是checkpiont后已提交sink的数据。

完成！enjoy it!