深入浅出总结Flink运行时架构

大家好，我是百思不得小赵。

创作时间：2022 年 5 月 17 日
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一、Flink运行时各个组件介绍

Flink 运行时架构主要包括四个不同的组件，它们会在运行流处理应用程序时协同工作：作业管理器（JobManager）、资源管理器（ResourceManager）、任务管理器（TaskManager），以及分发器（Dispatcher）。因为 Flink 是用 Java 和 Scala 实现的，所以所有组件都会运行在Java 虚拟机上。接下来对各个组件的功能进行简单介绍i。

作业管理器（JobManager）

作业管理器它会控制一个应用程序的主进程，每个应用程序都会被一个不同的JobManager 所控制执行。JobManager 会向资源管理器（ResourceManager）请求执行任务必要的资源，也就是任务管理器（TaskManager）上的插槽（slot）。一旦它获取到了足够的资源，就会将执行图分发到真正运行它们的TaskManager 上。而在运行过程中，JobManager 会负责所有需要中央协调的操作，比如说检查点（checkpoints）的协调。

资源管理器（ResourceManager）

主要负责管理任务管理器（TaskManager）的插槽（slot），TaskManger 插槽是 Flink 中定义的处理资源单元。Flink 为不同的环境和资源管理工具提供了不同资源管理器，比如YARN、Mesos、K8s，以及 standalone 部署。当 JobManager 申请插槽资源时，ResourceManager会将有空闲插槽的 TaskManager 分配给 JobManager。如果 ResourceManager 没有足够的插槽来满足 JobManager 的请求，它还可以向资源提供平台发起会话，以提供启动 TaskManager进程的容器。另外，ResourceManager 还负责终止空闲的 TaskManager，释放计算资源。

任务管理器（TaskManager）

Flink 中的工作进程。通常在 Flink 中会有多个 TaskManager 运行，每一个 TaskManager都包含了一定数量的插槽（slots）。插槽的数量限制了 TaskManager 能够执行的任务数量。启动之后，TaskManager 会向资源管理器注册它的插槽；收到资源管理器的指令后，TaskManager 就会将一个或者多个插槽提供给 JobManager 调用。JobManager 就可以向插槽分配任务（tasks）来执行了。在执行过程中，一个 TaskManager 可以跟其它运行同一应用程
序的 TaskManager 交换数据。

分发器（Dispatcher）

可以跨作业运行，它为应用提交提供了 REST 接口。当一个应用被提交执行时，分发器就会启动并将应用移交给一个 JobManager。由于是 REST 接口，所以 Dispatcher 可以作为集群的一个 HTTP 接入点，这样就能够不受防火墙阻挡。Dispatcher 也会启动一个 Web UI，用来方便地展示和监控作业执行的信息。Dispatcher 在架构中可能并不是必需的，这取决于应用提交运行的方式。

二、Flink任务提交的流程

上面介绍完了flink运行时架构的各个组件对应的功能，接下来我们看一下他们互相之间都是怎么协作运转的。

一般的交互协作图：

提交一个flink程序到分发器，分发器（Dispatcher）将提交的应用移交给任务管理器（JobManager），然后向资源管理器（ResourceManager）请求执行任务必要的资源，接着资源管理器会将有空闲插槽的 TaskManager 分配给 JobManager，然后JobManager会将要在插槽中执行的任务提交给TaskManager 。

具体到Yarn上的交互图

Client 为提交 Job 的客户端，可以是运行在任何机器上（与 JobManager 环境连通即可）。提交 Job 后，Client 可以结束进程（Streaming 的任务），也可以不结束并等待结果返回。
JobManager 主要负责调度 Job 并协调 Task 做 checkpoint，职责上很像Storm 的 Nimbus。从 Client 处接收到 Job 和 JAR 包等资源后，会生成优化后的执行计划，并以 Task 的单元调度到各个 TaskManager 去执行。
TaskManager 在启动的时候就设置好了槽位数（Slot），每个 slot 能启动一个Task，Task 为线程。从 JobManager 处接收需要部署的 Task，部署启动后，与自己的上游建立 Netty 连接，接收数据并处理

三、Flink任务调度原理

Flink 集群启动后，首先会启动一个 JobManger 和一个或多个的TaskManager。由 Client 提交任务给 JobManager，JobManager 再调度任务到各个TaskManager 去执行，然后 TaskManager 将心跳和统计信息汇报给 JobManager。TaskManager 之间以流的形式进行数据的传输。上述三者均为独立的 JVM 进程。

TaskManger 与 Slots

一个 Worker（TaskManager）就是一个 JVM 进程，内部拥有一个或多个 Task Slot 进一步细分进程的 CPU 资源。
Slot 是指 TaskManager 最大能并发执行的能力->taskmanager.numberOfTaskSlots->ys
parallelism 是指 TaskManager 实际使用的并发能力->parallelism.default->p
同一Slot 中的线程共享相同的 JVM。同一 JVM 中的任务共享 TCP 连接和心跳消息。TaskManager 的一个 Slot 代表一个可用线程，该线程具有固定的内存，注意 Slot 只对内存隔离，没有对 CPU 隔离

假设一共有 3 个 TaskManager，每一个 TaskManager 中的分配 3 个TaskSlot，也就是每个 TaskManager 可以接收 3 个 task，一共 9 个 TaskSlot，如果我们设置 parallelism.default=1，即运行程序默认的并行度为 1，9 个 TaskSlot 只用了 1个，有 8 个空闲，因此，设置合适的并行度才能提高效率

程序与数据流（DataFlow）

所有的 Flink 程序都是由三部分组成的： Source 、Transformation 和 Sink。Source 负责读取数据源，Transformation 利用各种算子进行处理加工，Sink 负责输出。
Flink 上运行的程序会被映射成“逻辑数据流”（dataflows），它包含了这三部分。每一个 dataflow 以一个或多个 sources 开始以一个或多个 sinks 结束。dataflow 类似于任意的有向无环图（DAG）。
程序中的转换运算（transformations）跟 dataflow 中的（operator）是一一对应的关系，但有时候，一个 transformation 可能对应多个 operator。

并行度（Parallelism）

Flink 程序的执行具有并行、分布式的特性。一个特定算子的子任务（subtask）的个数被称之为其并行度（parallelism）。一个流程序的并行度，可以认为就是其所有算子中最大的并行度。一个程序中，不同的算子可能具有不同的并行度。
Stream 在算子之间传输数据的形式有两种模式。

One-to-one：stream(比如在 source 和 map operator 之间)维护着分区以及元素的顺序。那意味着 map 算子的子任务看到的元素的个数以及顺序跟 source 算子的子任务生产的元素的个数、顺序相同，map、fliter、flatMap 等算子都是 one-to-one 的对应关系。
Redistributing：stream(map()跟 keyBy/window 之间或者 keyBy/window 跟 sink之间)的分区会发生改变。每一个算子的子任务依据所选择的 transformation 发送数据到不同的目标任务。例如，keyBy() 基于 hashCode 重分区、broadcast 和 rebalance会随机重新分区，这些算子都会引起 redistribute 过程

任务链（Operator Chains）

相同并行度的 one to one 操作，Flink 这样相连的算子链接在一起形成一个 task，原来的算子成为里面的一部分。将算子链接成 task 是非常有效的优化：它能减少线程之间的切换和基于缓存区的数据交换，在减少时延的同时提升吞吐量。