Flink从入门到实践（二）：Flink DataStream API

系列文章索引

Flink从入门到实践（一）：Flink入门、Flink部署
Flink从入门到实践（二）：Flink DataStream API
Flink从入门到实践（三）：数据实时采集 – Flink MySQL CDC

三、DataStream API

1、官网

https://nightlies.apache.org/flink/flink-docs-release-1.18/docs/dev/datastream/overview/

2、获取执行环境（Environment）

/**
 * 1、获取Flink执行的环境
 * getExecutionEnvironment() 这是我们用的最多的一种
 * createLocalEnvironment()  这种仅限于本地开发使用
 * createRemoteEnvironment(String host, int port, String... jarFiles);  知道就行，开发不用
 *
 *
 * getExecutionEnvironment 传入一个 new Configuration()，本质上是一个HashMap
 */
// StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment(new Configuration());
final StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
env.enableCheckpointing(3000); // 3秒检查一次，提高应用程序的容错性和数据一致性。
DataStreamString> text = env.readTextFile("file:///path/to/file");

通常来说使用getExecutionEnvironment()就可以了，会自动选择你当前的运行环境。

3、数据接入（Source）

（1）总览

我们可以使用env.addSource(sourceFunction)来添加数据来源，实际有许多内置的Source，也可以定义自己的Source。

如果想要自定义数据来源，比如说（该方式在1.18已过时，推荐使用Source接口）：
实现SourceFunction接口来实现单并行度的数据来源；
实现ParallelSourceFunction接口来实现多并行度的数据来源；
实现Ri服务器托管网chParallelSourceFunction接口来实现更高级的多并行度的数据来源。

内置的数据来源（本质上也是使用env.addSource(sourceFunction)来已经预实现了）：
env.readTextFile(path)：逐行读取文本文件，即符合TextInputFormat规范的文件，并将其作为字符串返回。
readFile(fileInputFormat, path)：按照指定的文件输入格式读取（一次）文件。
readFile(fileInputFormat, path, watchType, interval, pathFilter, typeInfo)：更加复杂的文件处理。
socketTextStream()：从Socket读取。元素可以用分隔符分隔。
fromCollection(Collection)、fromCollection(Iterator, Class)、fromElements(T ...)、fromParallelCollection(SplittableIterator, Class)、generateSequence(from, to)：从集合读取。
addSource(new FlinkKafkaConsumer(...))：从kafka读取。

（2）代码实例（1.18版本已过时的）

// 实体类
public class Access {

    private long time;
    private String domain;
    private double traffic;
}

public class Student {

    private int id;
    private String name;
    private int age;
}

// 工具类 需要引入mysql-connector-java包
import java.sql.Connection;
import java.sql.DriverManager;

public class MySQLUtils {

    public static Connection getConnection() throws Exception {
        Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver");
        return DriverManager.getConnection("jdbc:mysql://localhost:3306/flink", "root", "123");
    }

    public static void close(AutoCloseable closeable) {
        if(null != closeable) {
            try {
                closeable.close(); // null.close
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                closeable = null;
            }
        }
    }
}

// 自定义source
/**
 * 自定义数据源
 * 并行度为1
 */
public class AccessSource implements SourceFunctionAccess>{

    volatile boolean isRunning = true;

    /**
     * 造数据是自定义数据源的使用方式之一
     * @param ctx
     * @throws Exception
     */
    @Override
    public void run(SourceContextAccess> ctx) throws Exception {

        Random random = new Random();
        String[] domains = {"test1.com","test2.com","test3.com"};
        while (isRunning) {
            long time = System.currentTimeMillis();
            ctx.collect(new Access(time, domains[random.nextInt(domains.length)], random.nextInt(1000) + 1000));

            Thread.sleep(2000);
        }
    }

    @Override
    public void cancel() {
        isRunning = false;
    }
}

/**
 * 自定义数据源
 * 多并行度
 */
public class AccessSourceV2 implements ParallelSourceFunctionAccess> {

    volatile boolean isRunning = true;

    /**
     * 造数据是自定义数据源的使用方式之一
     * @param ctx
     * @throws Exception
     */
    @Override
    public void run(SourceContextAccess> ctx) throws Exception {

        Random random = new Random();
        String[] domains = {"test1.com","test2.com","test3.com"};
        while (isRunning) {
            long time = System.currentTimeMillis();
            ctx.collect(new Access(time, domains[random.nextInt(domains.length)], random.nextInt(1000) + 1000));

            Thread.sleep(5000);
        }
    }

    @Override
    public void cancel() {
        isRunning = false;
    }
}

/**
 * RichSourceFunction: Rich  +   SourceFunction
 * Rich: 包含了生命周期方法  open  close
 * SourceFunction：单
 *
 * 自定义二次开发：按照框架(Flink/Spark/....)所提供的接口，去实现自己的业务逻辑即可
 * 自定义Source
 * 自定义Sink
 *
 *
 * 扩展：对于Spark SQL的外部数据源熟悉吗？ 按照Spark所提供的接口，自己实现业务逻辑
 *
 */
public class MySQLSource extends RichSourceFunctionStudent> {


    Connection connection;
    PreparedStatement pstmt;

    /**
     * 初始化操作，建立connection
     */
    @Override
    public void open(Configuration parameters) throws Exception {
        connection = MySQLUtils.getConnection();
        pstmt = connection.prepareStatement("select * from student");
    }

    /**
     * 释放资源，关闭connection
     */
    @Override
    public void close() throws Exception {
        MySQLUtils.close(pstmt);
        MySQLUtils.close(connection);

    }

    /**
     * 业务逻辑：就是把表中的数据读取出来 ==> Student
     */
    @Override
    public void run(SourceContextStudent> ctx) throws Exception {
        ResultSet rs = pstmt.executeQuery();
        while (rs.next()) {
            int id = rs.getInt("id");
            String name = rs.getString("name");
            int age = rs.getInt("age");
            Student student = new Student(id, name, age);
            ctx.collect(student);
        }
    }

    @Override
    public void cancel() {

    }
}

/**
 * Flink中datasource的使用
 */
public class FlinkDataSourceApp {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();

        /**
         * 使用内置的dataSource
         */
//        DataStreamSource source = env.readFile(new TextInputFormat(null), "data/wc.data");
//        // 这个readTextFile方法底层其实调用的就是readFile
//        DataStreamSource source = env.readTextFile("data/wc.txt");
//        System.out.println(source.getParallelism());  // 8
//
//        SingleOutputStreamOperator mapStream = source.map(String::toUpperCase);
//        System.服务器托管网out.println(mapStream.getParallelism());
//        mapStream.print();
//
//        DataStreamSource source = env.fromParallelCollection(new NumberSequenceIterator(1, 10), Long.TYPE);
//        System.out.println(source.getParallelism());// 8
//        SingleOutputStreamOperator map = source.map(x -> x + 1);
//        map.print();
//
//        DataStreamSource source = env.addSource(new AccessSourceV2()).setParallelism(3); // 对于ParallelSourceFunction是可以根据具体情况来设定并行度的
//        System.out.println(source.getParallelism());
//        source.print();

        /**
         * 使用自定义数据源
         */
//        env.addSource(new AccessSource()).print();
//        env.addSource(new AccessSourceV2()).setParallelism(3).print(); // 多并行度的可以自行设置并行度

        /**
         * 使用Flink自定义MySQL的数据源，进而读取MySQL里面的数据
         * 该方式已过时 …… flink更新太快了
         */
        env.addSource(new MySQLSource()).print();


        /**
         * 单并行度：fromElements  fromCollection  socketTextStream
         * 多并行度：readTextFile fromParallelCollection generateSequence  readFile
         * 自定义：
         */
        env.execute("作业名字");
    }
}

（3）使用Source接口

暂无

4、数据处理（Transformation）

（1）总览

官方文档：
https://nightlies.apache.org/flink/flink-docs-release-1.18/docs/dev/datastream/operators/overview/

运算符将一个或多个数据流转换为新的数据流。程序可以将多种转换组合成复杂的数据流拓扑。

（2）Map（后续用该结果测试）

把DataStream转换成新的DataStream。

// 将读取的文件，按照,分割，然后每一行数据组成一个Access对象
DataStreamInteger> dataStream = env.readTextFile("data/access.log");
SingleOutputStreamOperatorAccess> mapStream = dataStream.map(new MapFunctionString, Access>() {
    @Override
    public Access map(String value) throws Exception {
        String[] splits = value.split(",");
        Access access = new Access();
        access.setTime(Long.parseLong(splits[0].trim()));
        access.setDomain(splits[1].trim());
        access.setTraffic(Double.parseDouble(splits[2].trim()));
        return access;
    }
});
mapStream.print();

（3）Filter

把DataStream转换成新的DataStream。
计算每个元素的布尔函数，并保留函数返回true的元素。
也即：过滤出满足条件的元素。

// 过滤出不为0的元素
dataStream.filter(new FilterFunctionInteger>() {
    @Override
    public boolean filter(Integer value) throws Exception {
        return value != 0; 
    }
});

（4）FlatMap

把DataStream转换成新的DataStream。
可以是一对一、一对多、一对0 一个元素进来，可以出去0、1、多个元素。

dataStream.flatMap(new FlatMapFunctionString, String>() {
    @Override
    public void flatMap(String value, CollectorString> out)
        throws Exception {
        for(String word: value.split(" ")){ // 把每一个元素按空格分割
            out.collect(word); // 收集每一个 分割后的 元素
        }
    }
});

（5）KeyBy

把DataStream转换为KeyedStream 。

在逻辑上将流划分为不相交的分区。具有相同关键字的所有记录都被分配到同一个分区。
在内部，keyBy()是通过散列分区实现的。
（类似Map – Reduce思想）
注意！如果是根据一个对象分组，要重写 hashCode()方法，否则会使用默认的Object.hashCode()。

// 根据value的某个属性分组，相当于mysql的group by
// 通常分组之后，就要求和、求一些统计数据了
dataStream.keyBy(value -> value.getSomeKey());
dataStream.keyBy(value -> value.f0);

dataStream
.keyBy(value -> value.getSomeKey())
.sum("field") // 根据字段求和还可以求最大值最小值等
.print();

（6）Reduce

把KeyedStream 转换为 DataStream。
将当前元素与最后一个减少的值合并，并发出新值。

keyedStream.reduce(new ReduceFunctionInteger>() {
    @Override
    public Integer reduce(Integer value1, Integer value2)
    throws Exception {
        return value1 + value2;
    }
});

（7）Union

把多个DataStream合并为一个DataStream。
两个或多个数据流的联合，创建一个包含所有流中所有元素的新流。注意:如果您将数据流与其自身联合，您将在结果流中两次获得每个元素。

/**
 * union：合并多个流
 * 数据类型问题：union的多个流中数据类型是需要相同的
 * 数据类型相同的多流操作
 */
DataStreamSourceInteger> stream1 = env.fromElements(1, 2, 3);
DataStreamSourceInteger> stream2 = env.fromElements(11, 12, 13);
DataStreamSourceString> stream3 = env.fromElements("A", "B", "C");

stream1.union(stream2).map(x -> "PK_" + x).print();
stream1.union(stream1).print();
stream1.union(stream1, stream2).print();

（8）Connect

把两个DataStream 合并为 ConnectedStream。

DataStreamInteger> someStream = //...
DataStreamString> otherStream = //...
ConnectedStreamsInteger, String> connectedStreams = someStream.connect(otherStream);

/**
 * connect: 数据类型可以不同
 * 两个流的操作
 * 只是形式的连接
 */
ConnectedStreamsInteger, String> connectedStreams = stream1.connect(stream3);
connectedStreams.map(new CoMapFunctionInteger, String, String>() {
    // 共享状态
    String prefix = "common_";

    // 对第一个流的操作
    @Override
    public String map1(Integer value) throws Exception {
        return prefix + value*10;
    }

    // 对第二个流的操作
    @Override
    public String map2(String value) throws Exception {
        return prefix + value.toLowerCase();
    }
}).print();

（9）CoMap, CoFlatMap

将ConnectedStream 转换为 DataStream。
类似于连接数据流上的map和flatMap。

connectedStreams.map(new CoMapFunctionInteger, String, Boolean>() {
    @Override
    public Boolean map1(Integer value) {
        return true;
    }

    @Override
    public Boolean map2(String value) {
        return false;
    }
});
connectedStreams.flatMap(new CoFlatMapFunctionInteger, String, String>() {

   @Override
   public void flatMap1(Integer value, CollectorString> out) {
       out.collect(value.toString());
   }

   @Override
   public void flatMap2(String value, CollectorString> out) {
       for (String word: value.split(" ")) {
         out.collect(word);
       }
   }
});

（10）Physical Partitioning 分区

import org.apache.flink.api.common.functions.MapFunction;
import org.apache.flink.api.common.functions.Partitioner;
import org.apache.flink.api.common.functions.RichMapFunction;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.DataStreamSource;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;

public class PartitionTest2 {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();

        env.setParallelism(3); // 一般情况下，并行度跟分区相同，相同分区在同一个线程中执行
        DataStreamSourceString> sourcePartition = env.readTextFile("data/access.log");
        sourcePartition
                // 读取数据转成Access对象
                .map(new RichMapFunctionString, Access>() {
                    @Override
                    public Access map(String value) throws Exception {
                        String[] splits = value.split(",");
                        Access access = new Access();
                        access.setTime(Long.parseLong(splits[0].trim()));
                        access.setDomain(splits[1].trim());
                        access.setTraffic(Double.parseDouble(splits[2].trim()));
                        return access;
                    }
                })
                // 按照指定字段进行分区
                .partitionCustom(new PartitionerString>() {
                    @Override
                    public int partition(String key, int numPartitions) {
                        System.out.println(numPartitions);

                        if("test1.com".equals(key)) {
                            return 0;
                        } else if("test2.com".equals(key)) {
                            return 1;
                        } else {
                            return 2;
                        }
                    }
                }, x -> x.getDomain())
                // 下面的这段map方法目的是验证：相同的域名是否真的在同一个分区内，看threadid是否相同即可
                .map(new MapFunctionAccess, Access>() {
                    @Override
                    public Access map(Access value) throws Exception {
                        System.out.println("current thread id is " + Thread.currentThread().getId() + ", value is:" + value);
                        return value;
                    }
                }).print();
        env.execute("作业名字");
    }
}

（11）Side Outputs 分流操作

https://nightlies.apache.org/flink/flink-docs-release-1.18/docs/dev/datastream/side_output/

/**
 * 分流操作：把一个分拆分成多个流
 *
 * split 在老的flink版本中是有的，但是新的版本中已经没有这个api
 *
 * 那就说明新版本肯定提供了更好用的使用方式：side output
 */

DataStreamSourceString> source = env.readTextFile("data/access.log");
SingleOutputStreamOperatorAccess> stream = source.map(new AccessConvertFunction());

// 很low的写法
//        SingleOutputStreamOperator pk1Stream = stream.filter(x -> "test1.com".equals(x.getDomain()));
//        SingleOutputStreamOperator pk2Stream = stream.filter(x -> "test1.com".equals(x.getDomain()));
//        pk1Stream.print("域名是pk1.com的流");
//        pk2Stream.print("域名是pk2.com的流");

// 定义两个Tag
OutputTagAccess> test1OutputTag = new OutputTagAccess>("test1"){};
OutputTagAccess> test2OutputTag = new OutputTagAccess>("test2"){};


SingleOutputStreamOperatorAccess> processStream = stream.process(new ProcessFunctionAccess, Access>() {
    @Override
    public void processElement(Access value, Context ctx, CollectorAccess> out) throws Exception {
        if ("test1.com".equals(value.getDomain())) {
            ctx.output(test1OutputTag, value); // pk1.com的走pk1的OutputTag
        } else if ("test2.com".equals(value.getDomain())) {
            ctx.output(test2OutputTag, value);  // pk2.com的走pk2的OutputTag
        } else {
            out.collect(value); // pk3.com的走主流
        }
    }
});

processStream.print("主流:");
processStream.getSideOutput(test1OutputTag).print("test1的：");
processStream.getSideOutput(test2OutputTag).print("test2的：");

env.execute("作业名字");

5、数据输出（Data Sinks、Connectors）

（1）总览

https://nightlies.apache.org/flink/flink-docs-release-1.18/docs/dev/datastream/overview/#data-sinks
https://nightlies.apache.org/flink/flink-docs-release-1.18/docs/connectors/datastream/overview/

数据接收器消费数据流，并将它们转发到文件、Socket、外部系统或打印它们。
Flink自带多种内置输出格式：
writeAsText() / TextOutputFormat：将元素作为字符串逐行写入。字符串是通过调用每个元素的toString()方法获得的。
writeAsCsv(...) / CsvOutputFormat：将元组写入逗号分隔值文件。行和字段分隔符是可配置的。每个字段的值来自对象的toString()方法。
print() / printToErr()：打印标准输出/标准错误流中每个元素的toString()值。可选地，可以提供一个前缀（msg），将其附加到输出的前面。这有助于区分不同的打印调用。如果并行度大于1，输出还将加上产生输出的任务的标识符。
writeUsingOutputFormat() / FileOutputFormat：自定义文件输出的方法和基类。支持自定义对象到字节的转换。
writeToSocket：根据SerializationSchema将元素写入Socket。
addSink：调用自定义接收器函数。Flink与其他系统（如Apache Kafka）的连接器捆绑在一起，这些连接器被实现为sink函数。

（2）print

stream.print();
/*
>7> Access{time=202810110120, domain='test1.com', traffic=2000.0}
1> Access{time=202810110120, domain='test2.com', traffic=4000.0}
11> Access{time=202810110120, domain='test1.com', traffic=5000.0}
4> Access{time=202810110120, domain='test3.com', traffic=1000.0}
9> Access{time=202810110120, domain='test2.com', traffic=6000.0}
线程号 + 数据.toString()

如果这样：
stream.print().setParallelism(1);
并行度设置为1，那么前面就不会输出数字

这样打印红色：
stream.printToErr();
*/

源码：

（3）自定义Sink打印到控制台

stream.addSink(new RichSinkFunctionAccess>() {

    int subTaskId;

    // num>
    @Override
    public void open(Configuration parameters) throws Exception {
        super.open(parameters);

        subTaskId = getRuntimeContext().getIndexOfThisSubtask();
    }

    @Override
    public void invoke(Access value, SinkFunction.Context context) throws Exception {
        System.out.println(subTaskId + 1 + "> " + value); // 最终执行的方法，输出到终端
    }
});

（4）写入到文件

// 已过时
// 写入到文件，每一个并行度，会生成一个文件。并行度为1会生成test一个文件
stream.writeAsText("out/test", FileSystem.WriteMode.OVERWRITE).setParallelism(1);

// 也已经过时了，推荐使用 org.apache.flink.connector.file.sink.FileSink，需要额外引入包
StreamingFileSinkString> fileSink = StreamingFileSink
        .forRowFormat(new Path("out"), new SimpleStringEncoder())
        .withRollingPolicy(DefaultRollingPolicy.builder() // 构建文本滚动生成的策略
                .withRolloverInterval(Duration.ofMinutes(15)) // 按时间间隔滚动
                .withInactivityInterval(Duration.ofSeconds(5)) // 按不活跃滚动
                .withMaxPartSize(MemorySize.ofMebiBytes(1)) // 按大小滚动
                .build())
        .build();
// 数据类型需要前后对应
stream.map(Access::toString).addSink(fileSink);

（5）输出到MySQL

JdbcSink.sink提供至少一次保证。然而有效的是，通过创建upsert SQL语句或幂等SQL更新可以实现“恰好一次”。

dependency>
    groupId>org.apache.flinkgroupId>
    artifactId>flink-connector-jdbcartifactId>
    version>3.1.1-1.17version>
dependency>

// 写入到mysql
// 需要使用upsert语句
SinkFunctionAccess> jdbcSink = JdbcSink.sink(
        // sql
        "insert into access (id, name) values (?, ?) on duplicate key update name=VALUES(name)",
        // sql的参数
        (JdbcStatementBuilderAccess>) (preparedStatement, access) -> {
            preparedStatement.setInt(1, (int)access.getTraffic());
            preparedStatement.setString(2, access.getDomain());
        },
        // 执行参数
        JdbcExecutionOptions.builder()
                .withBatchSize(5)
                .withBatchIntervalMs(200)
                .withMaxRetries(5) // 重试
                .build(),
        // jdbc连接信息
        new JdbcConnectionOptions.JdbcConnectionOptionsBuilder()
                .withUrl("jdbc:mysql://192.168.56.10:3306/testdb")
                .withDriverName("com.mysql.jdbc.Driver")
                .withUsername("root")
                .withPassword("root")
                .build()
);

stream.addSink(jdbcSink);

自1.13起， Flink JDBC sink支持恰好一次模式。该实现依赖于XA标准的JDBC驱动程序支持。如果数据库也支持XA，则大多数驱动程序都支持XA（因此驱动程序通常是相同的）。

StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
env
        .fromElements(...)
        .addSink(JdbcSink.exactlyOnceSink(
                "insert into books (id, title, author, price, qty) values (?,?,?,?,?)",
                (ps, t) -> {
                    ps.setInt(1, t.id);
                    ps.setString(2, t.title);
                    ps.setString(3, t.author);
                    ps.setDouble(4, t.price);
                    ps.setInt(5, t.qty);
                },
                JdbcExecutionOptions.builder()
                    .withMaxRetries(0)
                    .build(),
                JdbcExactlyOnceOptions.defaults(),
                () -> {
                    // create a driver-specific XA DataSource
                    // The following example is for derby 
                    EmbeddedXADataSource ds = new EmbeddedXADataSource();
                    ds.setDatabaseName("my_db");
                    return ds;
                });
env.execute();

（6）输出到Redis

https://bahir.apache.org/docs/flink/current/flink-streaming-redis/

public static class RedisExampleMapper implements RedisMapperTuple2String, String>>{

    @Override
    public RedisCommandDescription getCommandDescription() {
        return new RedisCommandDescription(RedisCommand.HSET, "HASH_NAME");
    }

    @Override
    public String getKeyFromData(Tuple2String, String> data) {
        return data.f0;
    }

    @Override
    public String getValueFromData(Tuple2String, String> data) {
        return data.f1;
    }
}
FlinkJedisPoolConfig conf = new FlinkJedisPoolConfig.Builder().setHost("127.0.0.1").build();

DataStreamString> stream = ...;
stream.addSink(new RedisSinkTuple2String, String>>(conf, new RedisExampleMapper());

（7）输出到Socket

// 输出到Socket，注意类型匹配，输出为字符串
stream.map(Access::toString).writeToSocket("localhost", 9528, new SimpleStringSchema());

（8）输出到Kafka

https://nightlies.apache.org/flink/flink-docs-release-1.18/docs/connectors/datastream/kafka/

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