大数据新视界 --大数据大厂之 Apache Beam：统一批流处理的大数据新贵

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大数据新视界 --大数据大厂之 Apache Beam：统一批流处理的大数据新贵

引言:

在当今科技浪潮汹涌澎湃、如日中天的时代，大数据领域的创新发展日新月异。我们在《大数据新视界 --大数据大厂之图数据库与大数据：挖掘复杂关系的新视角》一文中，见证了图数据库在挖掘复杂关系时的熠熠生辉，又在《大数据新视界 – 大数据大厂之 Serverless 架构下的大数据处理：简化与高效的新路径》一文中，领略了 Serverless 架构为数据处理带来的灵动高效。而如今，Apache Beam 恰似一颗璀璨夺目的超新星，在大数据的浩瀚星空中光芒万丈，吸引着无数数据探索者的目光。随着数据量的爆发式增长，批处理和流处理的融合成为了关键需求，Apache Beam 凭借其卓越的创新思维、精妙的架构以及强大的功能，为大数据处理开辟了新的通途，宛如一把神奇的万能钥匙，开启了一扇通往统一、高效、智能数据处理新境界的大门，让我们一同踏上这场充满惊喜与挑战的探索之旅。

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正文：

一、Apache Beam 基础原理

1.1 批流处理统一模型

Apache Beam 精心打造的批流处理统一模型，犹如一位技艺超凡的魔法师，以其鬼斧神工般的神奇魔力，将批处理和流处理这两种看似迥异的魔法巧妙融合。在传统的数据处理领域，批处理宛如一位经验丰富但行动略显迟缓的资深工匠，总是在数据积累到一定规模后，才进行集中式、阶段性的深度加工；而流处理则如同一位行动敏捷、反应迅速的信使，专注于对实时产生的数据进行即时处理，争分夺秒。然而，由于它们各自独特的特性和要求，长期以来依赖不同的技术框架和工具，使得数据处理仿佛在两条平行却难以交汇的轨道上艰难前行，复杂程度超乎想象，且极易出现各种错误。

Apache Beam 的统一模型成功打破了这一僵局。它通过一种高度抽象且强大无比的方式，将数据处理流程视作一系列井然有序、严丝合缝的管道（Pipeline）操作。数据如同涓涓细流，在这些精心打造的管道中平稳而高效地流淌，无论其源头是来自历史沉淀积累的 “数据湖泊”（批数据），还是实时如潮水般涌入的 “数据溪流”（流数据），都能在同一套精密完善的体系下进行有条不紊的处理。

为了让大家更清晰地理解这个过程，想象一下存在多种数据源为系统输入数据。包括来自用户交互系统产生的实时交互数据，如网页点击、应用操作等行为数据，这些数据如同涓涓细流，源源不断地产生。同时还有存储在数据库中的历史积累数据，像是订单记录、用户信息档案等，它们如同数据的宝库，等待被挖掘利用。数据从这些不同的源头流入管道后，首先会经历窗口划分这一关键步骤。窗口划分依据时间间隔或者数据量的大小等因素进行。比如，可以按照每 5 秒为一个时间窗口对实时数据流进行切分，或者当数据量达到 1000 条时划分一个新的数据窗口。这样做能够把连续的数据流分割成一个个便于处理的子集，使得数据处理更加有序和可控。在窗口划分过程中，还会对数据进行初步的标记和分类，为后续处理做准备。

接着是数据转换环节，这里负责对数据进行清洗、格式调整以及逻辑运算等操作。例如，将不同格式的时间戳统一为标准格式，对字符串类型的数据进行截取、拼接等操作以提取关键信息，或者对数值型数据进行计算、聚合等处理。通过这一系列的转换操作，数据从原始的、杂乱的状态逐渐变得规范、有序且富有价值，为最终生成有意义的结果奠定基础。

无论是批数据还是流数据，在管道中都遵循相同的处理路径，充分体现了统一模型的核心思想。最终经过前面一系列步骤处理后的数据，会输出为满足特定业务需求的结果。可能是以可视化报表的形式呈现给业务分析人员，展示数据的趋势、分布等关键信息；也可能是以特定格式的数据文件形式存储起来，供其他系统进一步调用和分析。输出的结果准确、及时且具有实际应用价值，能够为决策提供有力支持，比如为企业制定营销策略、优化业务流程等提供数据依据。

在技术实现层面，Apache Beam 采用独特的窗口机制协调批处理和流处理的关系。对于流数据，它可以依据时间、数据量等多元因素划分窗口，将连续不断的数据流分割成一个个有意义、有逻辑的子集进行处理，使得流处理在一定程度上具备了批处理的有序性和可操作性。同时，在数据转换和处理过程中，通过统一的数据模型和操作符，确保批数据和流数据在处理逻辑上高度一致。例如利用窗口函数对数据进行分组聚合时，无论是批处理中的历史数据分组统计，还是流处理中的实时数据按时间段聚合，都能通过相同的函数和逻辑实现，大大降低了开发和维护的难度。

以下是一段更详细解释窗口机制原理的示例代码：

importorg.apache.beam.sdk.Pipeline;importorg.apache.beam.sdk.options.PipelineOptions;importorg.apache.beam.sdk.options.PipelineOptionsFactory;importorg.apache.beam.sdk.transforms.DoFn;importorg.apache.beam.sdk.transforms.ParDo;importorg.apache.beam.sdk.transforms.windowing.AfterWatermark;importorg.apache.beam.sdk.transforms.windowing.Window;importorg.apache.beam.sdk.values.PCollection;classWindowMechanismExplainFnextendsDoFn<String,String>{@ProcessElementpublicvoidprocessElement(ProcessContext c){String data = c.element();// 这里可以根据数据进行一些与窗口机制相关的处理逻辑展示if(data.length()%2==0){
            c.output("Even length data in window: "+ data);}else{
            c.output("Odd length data in window: "+ data);}}}publicclassWindowMechanismExample{publicstaticvoidmain(String[] args){PipelineOptions options =PipelineOptionsFactory.create();Pipeline pipeline =Pipeline.create(options);PCollection<String> inputData = pipeline.apply("CreateInput",org.apache.beam.sdk.values.Create.of("hello","world","hi"));PCollection<String> windowedData = inputData.apply(Window.<String>into(AfterWatermark.pastEndOfWindow()).withAllowedLateness(org.apache.beam.sdk.values.Duration.standardSeconds(5)));PCollection<String> processedData = windowedData.apply(ParDo.of(newWindowMechanismExplainFn()));

        processedData.apply("PrintWindowData",ParDo.of(newDoFn<String,Void>(){@ProcessElementpublicvoidprocessElement(ProcessContext c){System.out.println(c.element());}}));

        pipeline.run().waitUntilFinish();}}

这段代码通过对输入数据的不同处理逻辑基于窗口机制进行展示，帮助读者更好地理解窗口机制在数据处理中的作用。

1.2 编程模型与 API

Apache Beam 为开发者们精心准备了丰富多样、极具友好性的编程模型和 API，如同为工匠们呈上了一套齐全且得心应手的顶级工具套装。Java 的 API 在构建大型数据处理应用方面独具优势，其清晰的结构和丰富的类库能够满足复杂业务逻辑下的数据处理需求。

不同语言的 API 在功能实现上遵循一致的核心原则，但 Java 的 API 因其强类型等特性，在代码的规范性和可维护性上表现卓越。例如在处理大规模数据集时，通过合理运用 Java 的泛型和集合框架，可以更高效地组织和操作数据。开发者能够利用 Java 的面向对象特性，将数据处理逻辑封装成可复用的类和方法，极大地提高了代码的可扩展性和灵活性。

以下是一个使用 Java API 进行复杂数据转换和过滤的示例代码：

importorg.apache.beam.sdk.Pipeline;importorg.apache.beam.sdk.options.PipelineOptions;importorg.apache.beam.sdk.options.PipelineOptionsFactory;importorg.apache.beam.sdk.transforms.DoFn;importorg.apache.beam.sdk.transforms.Filter;importorg.apache.beam.sdk.transforms.ParDo;importorg.apache.beam.sdk.values.PCollection;classDataFilterAndTransformFnextendsDoFn<String,Integer>{@ProcessElementpublicvoidprocessElement(ProcessContext c){String str = c.element();if(str.length()>3){int numValue =Integer.parseInt(str.substring(3));
            c.output(numValue);}}}publicclassComplexDataTransformationExample{publicstaticvoidmain(String[] args){PipelineOptions options =PipelineOptionsFactory.create();Pipeline pipeline =Pipeline.create(options);PCollection<String> inputData = pipeline.apply("CreateInput",org.apache.beam.sdk.values.Create.of("data10","data20","data3"));PCollection<Integer> filteredAndTransformedData = inputData.apply(ParDo.of(newDataFilterAndTransformFn())).apply(Filter.by((Integer num)-> num %2==0));

        filteredAndTransformedData.apply("PrintTransformedData",ParDo.of(newDoFn<Integer,Void>(){@ProcessElementpublicvoidprocessElement(ProcessContext c){System.out.println(c.element());}}));

        pipeline.run().waitUntilFinish();}}

二、Apache Beam 在大数据处理中的优势

2.1 高效性与可扩展性

Apache Beam 在处理大规模数据时，宛如一台经过顶级工程师精心调校且配备了超强动力引擎、采用了先进空气动力学设计的超级跑车，展现出令人惊叹、望尘莫及的高效性能。它充分利用分布式计算的强大力量，将复杂庞大的数据处理任务巧妙拆解为无数个微小且相互独立的子任务，并通过智能算法精准地分配到集群中的各个计算节点上进行并行处理，仿佛一场精密高效的协同作战。在一些知名互联网巨头企业的大数据处理实践中，面对每天数十亿甚至上百亿条如浩瀚星河般的数据量，Apache Beam 能够像一位指挥若定、足智多谋的将军，有条不紊地调度资源，迅速完成数据处理任务。与传统的数据处理方式相比，其处理速度如闪电般提升数倍甚至数十倍，为企业在激烈的市场竞争中赢得了宝贵的时间和先机。

为了更直观地展示其高效性，我们来看以下性能对比图表：
数据处理方式处理速度（数据量 / 秒）资源利用率（%）传统数据处理100060Apache Beam500080
从图表中清晰可见，Apache Beam 在处理速度和资源利用率方面具有显著优势。

同时，它的可扩展性如同超级跑车的可升级配置系统，具备无限的潜力和灵活性，能够轻松自如地适应数据量的迅猛增长以及业务需求的频繁变化。例如在电商狂欢购物节期间，数据流量会如汹涌澎湃的潮水般爆发式增长，Apache Beam 能够迅速扩展计算资源，如同变形金刚瞬间完成升级，确保数据处理的及时性和准确性，为企业提供坚如磐石、稳如泰山的数据支持。无论是处理海量的用户行为数据，还是应对复杂多变的交易数据，它都能游刃有余、应对自如，仿佛一位无所不能的超级英雄。

2.2 容错机制

在数据处理这个充满挑战和变数的复杂战场上，故障和错误如同隐藏在暗处的陷阱，随时可能突然出现，给数据处理工作带来巨大的威胁。Apache Beam 配备了强大而精密的容错机制，如同为数据处理披上了一层坚不可摧、刀枪不入的铠甲。它采用了 checkpoint 和 replay 等先进技术，当某个计算节点遭遇意外故障，如网络突然中断或硬件突发故障时，系统能够迅速从最近的 checkpoint 点恢复数据，并重新执行受影响的任务，确保数据处理的连续性和完整性。

以金融交易数据处理为例，每一笔交易数据都如同珍贵无比的稀世珠宝，不容有丝毫差错。在高并发的交易场景下，即使遇到诸如服务器突然宕机等极端情况，Apache Beam 的容错机制也能确保数据不丢失、不重复处理，保证每一笔交易的完整性和准确性，极大地提高了数据处理的可靠性，为企业的数据资产牢牢筑起坚固的防线，仿佛一座坚不可摧的城堡。

Apache Beam 的容错机制不仅仅局限于故障恢复，还包括数据一致性的全方位保障。在分布式环境下，通过分布式事务管理和数据校验机制，确保数据在处理过程中的一致性，避免因部分节点故障导致数据错乱或不一致的问题，如同一位严谨的法官，确保每一个数据都能得到公正、准确的处理。

三、案例展示

3.1 电商数据分析

在竞争白热化、瞬息万变的电商领域，Apache Beam 已然成为众多商家在数据战场上的得力助手和秘密武器。例如，某大型电商平台利用 Apache Beam 构建了一套全方位、多层次、智能化的数据处理体系，实现了业务的飞跃式发展，如同搭载了火箭般一飞冲天。

在数据采集阶段，Apache Beam 如同一张精密而广阔、无孔不入的大网，从网站前端的用户浏览行为、搜索记录，到后端的订单处理、物流信息等多个数据源全方位、无死角地收集数据，确保数据的完整性和全面性，不放过任何一个有价值的数据线索。在数据预处理环节，它凭借强大的功能进行数据清洗，如同一位技艺精湛、一丝不苟的清洁工，去除无效数据、重复数据等杂质，同时进行格式转换，将各种来源的数据统一为标准格式，为后续处理奠定坚实基础，仿佛为一场盛大的宴会精心准备食材。

在实时分析方面，对于用户实时浏览商品、添加购物车等行为数据进行流处理。当用户浏览某类商品时，系统能够在瞬间如闪电般分析用户的兴趣偏好，并结合实时库存信息，为用户提供个性化的商品推荐和库存提示。例如，通过分析用户在短时间内浏览的同类商品、查看商品详情的次数以及停留时间等多维度因素，利用先进的机器学习算法预测用户的购买意向，及时推送相关商品信息，仿佛一位贴心的购物顾问时刻陪伴在用户身边。同时，通过定期的批处理分析历史订单数据，挖掘用户的长期购买习惯、季节消费趋势等信息。比如，根据历史数据发现某类商品在特定季节或促销活动期间的销售规律，提前调整库存和营销策略，如同一位经验丰富的舵手，精准把握市场的航向。

在实际应用中，电商平台可能会遇到用户行为数据爆发式增长、数据格式不统一等问题。比如在促销活动期间，用户的浏览和操作行为会大幅增加，Apache Beam 可以通过动态扩展资源来应对数据量的增长。对于数据格式不统一的情况，可以利用数据预处理功能进行格式转换，确保数据能够被准确分析。

以下是该电商平台使用 Apache Beam 前后的一些关键数据对比：
指标使用前使用后提升比例商品推荐准确率40%70%75%用户转化率8%10%25%库存周转率5 次 / 月7 次 / 月40%订单处理效率平均 5 秒 / 单平均 2 秒 / 单60%

3.2 实际案例代码 - 电商商品推荐实时流处理

importorg.apache.beam.sdk.Pipeline;importorg.apache.beam.sdk.options.PipelineOptions;importorg.apache.beam.sdk.options.PipelineOptionsFactory;importorg.apache.beam.sdk.transforms.DoFn;importorg.apache.beam.sdk.transforms.ParDo;importorg.apache.beam.sdk.transforms.windowing.SlidingWindows;importorg.apache.beam.sdk.values.PCollection;importjava.util.ArrayList;importjava.util.List;importjava.util.concurrent.TimeUnit;classEcommerceUserBehaviorProcessFnextendsDoFn<String,String>{@ProcessElementpublicvoidprocessElement(ProcessContext c){String behavior = c.element();// 假设这里简单处理，如果行为包含特定关键词则进行推荐if(behavior.contains("查看商品")){
            c.output("推荐相关商品");}}}publicclassEcommerceRealTimeRecommendation{publicstaticvoidmain(String[] args){PipelineOptions options =PipelineOptionsFactory.create();Pipeline pipeline =Pipeline.create(options);List<String> behaviorList =newArrayList<>();
        behaviorList.add("查看商品 A");
        behaviorList.add("查看商品 B");
        behaviorList.add("加入购物车商品 C");PCollection<String> inputData = pipeline.apply("CreateBehaviorData",org.apache.beam.sdk.values.Create.of(behaviorList));PCollection<String> windowedData = inputData.apply(Window.<String>into(SlidingWindows.of(org.apache.beam.sdk.values.Duration.seconds(10)).every(org.apache.beam.sdk.values.Duration.seconds(5))));PCollection<String> processedData = windowedData.apply(ParDo.of(newEcommerceUserBehaviorProcessFn()));

        processedData.apply("PrintRecommendations",ParDo.of(newDoFn<String,Void>(){@ProcessElementpublicvoidprocessElement(ProcessContext c){System.out.println(c.element());}}));

        pipeline.run().waitUntilFinish();}}

这个代码示例模拟了电商平台实时分析用户行为并进行商品推荐的简单流程，通过滑动窗口来获取一定时间内的用户行为数据并进行处理。

3.3 物联网数据处理

在蓬勃发展、日新月异的物联网时代，Apache Beam 同样发挥着不可或缺、举足轻重的关键作用。以一个智能城市项目为例，城市中星罗棋布的传感器如交通流量监测传感器、环境监测传感器、能源消耗传感器等，每时每刻都在产生海量的数据，如同洪流般不断涌入，形成了一座数据的富矿。

Apache Beam 实时处理交通流量数据，通过对各个路口传感器传来的数据进行毫秒级的极速分析，及时调整交通信号灯的时间设置，优化交通流量，让城市的道路如同顺畅的河流。据统计，在使用 Apache Beam 进行交通流量优化后，城市主要道路的平均拥堵时间减少了 20%，车辆通行速度提高了 15%。例如，在早高峰时段，通过实时分析车流量数据，动态调整信号灯时长，使主干道通行效率显著提升，为市民的出行节省了大量时间。

想象一下，每个路口的传感器就像一个个敏锐的眼睛，时刻观察着道路上的车辆情况。这些传感器产生的数据如同潮水般涌向 Apache Beam 构建的数据处理系统。当数据进入系统后，首先会经过快速的筛选和分类，将有效的数据提取出来，就像在一堆矿石中筛选出宝石一样。然后，利用先进的算法对车流量、车速等数据进行实时分析，根据道路的拥堵情况以及各个方向的车流量大小，智能地计算出最合适的信号灯时长。

同时，对于环境监测数据，如空气质量传感器、水质监测传感器等采集的数据，Apache Beam 进行批处理分析。通过对历史数据和实时数据的综合分析，为环境治理部门提供精准的数据支持，助力制定更有效的环境治理策略，仿佛为城市的环境治理装上了一双智慧的眼睛。比如，通过分析长期的空气质量数据和实时的污染源排放数据，准确预测空气质量变化趋势，提前采取防控措施，使得城市的环境质量得到显著改善，让市民能够享受更加清新的空气和美好的环境。

在处理环境数据时，Apache Beam 会把来自不同传感器、不同时间段的数据整合起来。它会对历史数据进行深度挖掘，寻找数据中的规律和趋势，同时结合实时采集到的数据进行对比分析。例如，在分析空气质量数据时，会将过去一年中每个季节、每个时间段的空气质量数据进行梳理，找出空气质量变化与季节、天气、工业排放等因素之间的关系。然后，当新的实时数据传入时，能够快速判断当前空气质量状况是否符合预期，是否受到了异常因素的影响。

四、性能优化与应用挑战

4.1 性能优化策略

在追求极致性能的漫长道路上，Apache Beam 有着多种行之有效、独具匠心的优化策略。数据分区和分布策略是其中至关重要、不可或缺的一环。根据数据的特征、分布规律以及计算需求，将数据进行合理分区，如同将图书馆的书籍按照类别、热度和使用频率进行科学分类存放。例如，对于按照地理位置分布且查询频繁的传感器数据，可以根据区域进行分区，这样在查询和计算时能够大幅减少数据的传输量和计算开销，如同为数据的传输开辟了高速公路。

同时，优化内存管理至关重要，如同为数据处理的引擎添加高效的润滑剂。通过合理设置内存参数，如调整

beam.shuffle.service.min-size

和

beam.shuffle.service.max-size

等参数，可以优化数据在内存中的存储和交换方式，避免内存溢出等问题，提高数据处理的效率。例如，根据数据量和计算节点的内存配置，动态调整这些参数，确保数据在内存中的高效流转，就像一场精彩的舞蹈表演，每个动作都流畅自然。

采用数据缓存和预取技术也是提高性能的有效手段。对于频繁使用的数据进行缓存，减少重复读取数据的开销，如同将常用的工具放在手边，随时取用。以下是一个更完善的缓存机制示例代码：

importorg.apache.beam.sdk.values.PCollection;importorg.apache.beam.sdk.values.PCollectionView;importjava.util.HashMap;importjava.util.Map;classAdvancedDataCache{privateMap<String,Object> cache =newHashMap<>();publicvoidcacheData(String key,Object data){
        cache.put(key, data);}publicObjectgetData(String key){return cache.get(key);}publicbooleanisDataCached(String key){return cache.containsKey(key);}}classEnhancedCachingDoFnextendsDoFn<String,String>{privateAdvancedDataCache dataCache;publicEnhancedCachingDoFn(AdvancedDataCache dataCache){this.dataCache = dataCache;}@ProcessElementpublicvoidprocessElement(ProcessContext c){String data = c.element();if(dataCache.isDataCached(data)){// 直接从缓存中获取结果
            c.output((String) dataCache.getData(data));}else{// 如果数据不在缓存中，进行处理并缓存结果String processedData =processAndCache(data);
            c.output(processedData);}}privateStringprocessAndCache(String data){// 这里进行一些更复杂的数据处理String processed = data.toUpperCase()+" - CACHED";
        dataCache.cacheData(data, processed);return processed;}}publicclassAdvancedCachingExample{publicstaticvoidmain(String[] args){PipelineOptions options =PipelineOptionsFactory.create();Pipeline pipeline =Pipeline.create(options);AdvancedDataCache cache =newAdvancedDataCache();PCollection<String> inputData = pipeline.apply("CreateInput",org.apache.beam.sdk.values.Create.of("hello","world","hello"));PCollection<String> cachedData = inputData.apply(ParDo.of(newEnhancedCachingDoFn(cache)));

        cachedData.apply("PrintData",ParDo.of(newDoFn<String,Void>(){@ProcessElementpublicvoidprocessElement(ProcessContext c){System.out.println(c.element());}}));

        pipeline.run().waitUntilFinish();}}

4.2 应用挑战与应对

尽管 Apache Beam 功能强大、技艺超群，但在实际应用中也不可避免地面临一些挑战。数据模式管理是一个复杂的难题，尤其是当处理来自不同数据源、格式各异的数据时，就像要将各种不同形状和材质的积木拼接在一起。为了应对这一挑战，可以引入先进的数据治理工具，提前定义清晰的数据模式，并在数据进入管道处理前进行严格的验证和必要的转换。例如，使用 Schema Registry 工具对数据模式进行集中管理，确保数据的一致性和规范性，如同为数据制定了统一的标准和规则。

在与现有系统集成方面，需要精心规划和投入大量技术资源，如同进行一场复杂的外科手术，需要精准操作。采用标准化的接口和数据格式是关键一步，例如使用 RESTful API 进行数据交互，以及采用 JSON 或 Parquet 等通用数据格式。通过合理的架构设计，如微服务架构或分层架构，实现 Apache Beam 与企业内部其他系统（如数据库系统、数据分析平台等）的无缝对接。在集成过程中，还需要处理数据传输的安全性、兼容性以及数据同步等问题。例如，采用加密技术保障数据传输安全，通过数据适配器解决不同系统之间的数据兼容性问题，利用消息队列实现数据的异步同步，确保数据在各个系统之间的稳定流转，就像一场精密的交响乐演奏，每个乐器都能和谐共鸣。

结束语：

随着大数据技术的持续演进和应用场景的不断拓展，Apache Beam 作为数据处理领域的中流砥柱，正不断展现出其强大的生命力和适应性。无论是在传统行业的数字化转型中，还是在新兴科技领域的创新探索里，它都将发挥越来越关键的作用。

我们期待着更多的开发者、研究者以及数据爱好者能够深入挖掘 Apache Beam 的潜力，共同推动大数据处理技术迈向新的高峰。在未来的日子里，相信 Apache Beam 会继续以其独特的魅力，吸引着全球范围内的目光，持续为数据处理领域带来创新与变革。让我们携手共进，在这个数据驱动的时代，利用 Apache Beam 创造更多的价值，书写属于大数据的辉煌篇章。

亲爱的开发者们，在你参与的项目中，是否曾利用 Apache Beam 解决过一些复杂的数据处理难题呢？比如在处理高并发实时数据或者大规模历史数据整合时，你有哪些独特的经验和技巧？你认为 Apache Beam 在未来的新兴领域，如智能医疗数据分析或者虚拟现实数据处理中，可能会发挥怎样的关键作用？快来和大家分享你的见解吧！让我们在评论区或CSDN社区交流中共同成长，一起探索 Apache Beam 在大数据处理领域的无限可能！期待你的精彩发言！

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标签：大数据 Apache Beam 批流统一

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