Apache Flink 漫談系列(12) - Time Interval(Time-windowed) JOIN

作者：孫金城 2018-12-29 08:16:32

本篇將介紹在UnBounded數(shù)據(jù)流上按時間維度進行數(shù)據(jù)劃分進行JOIN操作 - Time Interval(Time-windowed)JOIN, 后面我們叫做Interval JOIN。

一、說什么

JOIN 算子是數(shù)據(jù)處理的核心算子，前面我們在《Apache Flink 漫談系列(09) - JOIN 算子》介紹了UnBounded的雙流JOIN，在《Apache Flink 漫談系列(10) - JOIN LATERAL》介紹了單流與UDTF的JOIN操作，在《Apache Flink 漫談系列(11) - Temporal Table JOIN》又介紹了單流與版本表的JOIN，本篇將介紹在UnBounded數(shù)據(jù)流上按時間維度進行數(shù)據(jù)劃分進行JOIN操作 - Time Interval(Time-windowed)JOIN, 后面我們叫做Interval JOIN。

二、實際問題

前面章節(jié)我們介紹了Flink中對各種JOIN的支持，那么想想下面的查詢需求之前介紹的JOIN能否滿足?需求描述如下：

比如有一個訂單表Orders(orderId, productName, orderTime)和付款表Payment(orderId, payType, payTime)。假設(shè)我們要統(tǒng)計下單一小時內(nèi)付款的訂單信息。

1. 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫解決方式

在傳統(tǒng)劉數(shù)據(jù)庫中完成上面的需求非常簡單，查詢sql如下:：

SELECT 
o.orderId, 
o.productName, 
p.payType, 
o.orderTime， 
payTime 
FROM 
Orders AS o JOIN Payment AS p ON 
o.orderId = p.orderId AND p.payTime >= orderTime AND p.payTime < orderTime + 3600 // 秒

上面查詢可以***的完成查詢需求，那么在Apache Flink里面應(yīng)該如何完成上面的需求呢?

2. Apache Flink解決方式

(1) UnBounded 雙流 JOIN

上面查詢需求我們很容易想到利用《Apache Flink 漫談系列(09) - JOIN 算子》介紹了UnBounded的雙流JOIN，SQL語句如下：

SELECT 
o.orderId, 
o.productName, 
p.payType, 
o.orderTime， 
payTime 
FROM 
Orders AS o JOIN Payment AS p ON 
o.orderId = p.orderId AND p.payTime >= orderTime AND p.payTime as timestamp < TIMESTAMPADD(SECOND, 3600, orderTime)

UnBounded雙流JOIN可以解決上面問題，這個示例和本篇要介紹的Interval JOIN有什么關(guān)系呢?

(2) 性能問題

雖然我們利用UnBounded的JOIN能解決上面的問題，但是仔細分析用戶需求，會發(fā)現(xiàn)這個需求場景訂單信息和付款信息并不需要長期存儲，比如2018-12-27 14:22:22的訂單只需要保持1小時，因為超過1個小時的訂單如果沒有被付款就是無效訂單了。同樣付款信息也不需要長期保持，2018-12-27 14:22:22的訂單付款信息如果是2018-12-27 15:22:22以后到達的那么我們也沒有必要保存到State中。而對于UnBounded的雙流JOIN我們會一直將數(shù)據(jù)保存到State中，如下示意圖：

這樣的底層實現(xiàn)，對于當(dāng)前需求有不必要的性能損失。所以我們有必要開發(fā)一種新的可以清除State的JOIN方式(Interval JOIN)來高性能的完成上面的查詢需求。

(3) 功能擴展

目前的UnBounded的雙流JOIN是后面是沒有辦法再進行Event-Time的Window Aggregate的。也就是下面的語句在Apache Flink上面是無法支持的：

SELECT COUNT(*) FROM ( 
SELECT 
..., 
payTime 
FROM Orders AS o JOIN Payment AS p ON 
o.orderId = p.orderId 
) GROUP BY TUMBLE(payTime, INTERVAL '15' MINUTE)

因為在UnBounded的雙流JOIN中無法保證payTime的值一定大于WaterMark(WaterMark相關(guān)可以查閱<>). Apache Flink的Interval JOIN之后可以進行Event-Time的Window Aggregate。

3. Interval JOIN

為了完成上面需求，并且解決性能和功能擴展的問題，Apache Flink在1.4開始開發(fā)了Time-windowed Join，也就是本文所說的Interval JOIN。接下來我們詳細介紹Interval JOIN的語法，語義和實現(xiàn)原理。

三、什么是Interval JOIN

Interval JOIN 相對于UnBounded的雙流JOIN來說是Bounded JOIN。就是每條流的每一條數(shù)據(jù)會與另一條流上的不同時間區(qū)域的數(shù)據(jù)進行JOIN。對應(yīng)Apache Flink官方文檔的 Time-windowed JOIN(release-1.7之前都叫Time-Windowed JOIN)。

1. Interval JOIN 語法

SELECT ... FROM t1 JOIN t2 ON t1.key = t2.key AND TIMEBOUND_EXPRESSION

TIMEBOUND_EXPRESSION 有兩種寫法，如下：

L.time between LowerBound(R.time) and UpperBound(R.time)
R.time between LowerBound(L.time) and UpperBound(L.time)
帶有時間屬性(L.time/R.time)的比較表達式。

2. Interval JOIN 語義

Interval JOIN 的語義就是每條數(shù)據(jù)對應(yīng)一個 Interval 的數(shù)據(jù)區(qū)間，比如有一個訂單表Orders(orderId, productName, orderTime)和付款表Payment(orderId, payType, payTime)。假設(shè)我們要統(tǒng)計在下單一小時內(nèi)付款的訂單信息。SQL查詢?nèi)缦?

SELECT 
o.orderId, 
o.productName, 
p.payType, 
o.orderTime， 
cast(payTime as timestamp) as payTime 
FROM 
Orders AS o JOIN Payment AS p ON 
o.orderId = p.orderId AND 
p.payTime BETWEEN orderTime AND 
orderTime + INTERVAL '1' HOUR

Orders訂單數(shù)據(jù)

Payment付款數(shù)據(jù)

符合語義的預(yù)期結(jié)果是訂單id為003的信息不出現(xiàn)在結(jié)果表中，因為下單時間2018-12-26 04:53:24.0, 付款時間是 2018-12-26 05:53:30.0超過了1小時付款。

那么預(yù)期的結(jié)果信息如下：

這樣Id為003的訂單是無效訂單，可以更新庫存繼續(xù)售賣。

接下來我們以圖示的方式直觀說明Interval JOIN的語義，我們對上面的示例需求稍微變化一下：訂單可以預(yù)付款(不管是否合理，我們只是為了說明語義)也就是訂單前后 1小時的付款都是有效的。SQL語句如下：

SELECT 
... 
FROM 
Orders AS o JOIN Payment AS p ON 
o.orderId = p.orderId AND 
p.payTime BETWEEN orderTime - INTERVAL '1' HOUR AND 
orderTime + INTERVAL '1' HOUR

這樣的查詢語義示意圖如下：

上圖有幾個關(guān)鍵點，如下：

數(shù)據(jù)JOIN的區(qū)間 - 比如Order時間為3的訂單會在付款時間為[2, 4]區(qū)間進行JOIN。
WaterMark - 比如圖示Order***一條數(shù)據(jù)時間是3，Payment***一條數(shù)據(jù)時間是5，那么WaterMark是根據(jù)實際最小值減去UpperBound生成，即：Min(3,5)-1 = 2
過期數(shù)據(jù) - 出于性能和存儲的考慮，要將過期數(shù)據(jù)清除，如圖當(dāng)WaterMark是2的時候時間為2以前的數(shù)據(jù)過期了，可以被清除。

3. Interval JOIN 實現(xiàn)原理

由于Interval JOIN和雙流JOIN類似都要存儲左右兩邊的數(shù)據(jù)，所以底層實現(xiàn)中仍然是利用State進行數(shù)據(jù)的存儲。流計算的特點是數(shù)據(jù)不停的流入，我們可以不停的進行增量計算，也就是我們每條數(shù)據(jù)流入都可以進行JOIN計算。我們還是以具體示例和圖示來說明內(nèi)部計算邏輯，如下圖：

簡單解釋一下每條記錄的處理邏輯如下：

實際的內(nèi)部邏輯會比描述的復(fù)雜的多，大家可以根據(jù)如上簡述理解內(nèi)部原理即可。

四、示例代碼

我們還是以訂單和付款示例，將完整代碼分享給大家，具體如下(代碼基于flink-1.7.0)：

import java.sql.Timestamp 
 
import org.apache.flink.api.scala._ 
import org.apache.flink.streaming.api.TimeCharacteristic 
import org.apache.flink.streaming.api.functions.timestamps.BoundedOutOfOrdernessTimestampExtractor 
import org.apache.flink.streaming.api.scala.StreamExecutionEnvironment 
import org.apache.flink.streaming.api.windowing.time.Time 
import org.apache.flink.table.api.TableEnvironment 
import org.apache.flink.table.api.scala._ 
import org.apache.flink.types.Row 
 
import scala.collection.mutable 
 
object SimpleTimeIntervalJoin { 
def main(args: Array[String]): Unit = { 
val env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment 
val tEnv = TableEnvironment.getTableEnvironment(env) 
env.setParallelism(1) 
env.setStreamTimeCharacteristic(TimeCharacteristic.EventTime) 
// 構(gòu)造訂單數(shù)據(jù) 
val ordersData = new mutable.MutableList[(String, String, Timestamp)] 
ordersData.+=(("001", "iphone", new Timestamp(1545800002000L))) 
ordersData.+=(("002", "mac", new Timestamp(1545800003000L))) 
ordersData.+=(("003", "book", new Timestamp(1545800004000L))) 
ordersData.+=(("004", "cup", new Timestamp(1545800018000L))) 
 
// 構(gòu)造付款表 
val paymentData = new mutable.MutableList[(String, String, Timestamp)] 
paymentData.+=(("001", "alipay", new Timestamp(1545803501000L))) 
paymentData.+=(("002", "card", new Timestamp(1545803602000L))) 
paymentData.+=(("003", "card", new Timestamp(1545803610000L))) 
paymentData.+=(("004", "alipay", new Timestamp(1545803611000L))) 
val orders = env 
.fromCollection(ordersData) 
.assignTimestampsAndWatermarks(new TimestampExtractor[String, String]()) 
.toTable(tEnv, 'orderId, 'productName, 'orderTime.rowtime) 
val ratesHistory = env 
.fromCollection(paymentData) 
.assignTimestampsAndWatermarks(new TimestampExtractor[String, String]()) 
.toTable(tEnv, 'orderId, 'payType, 'payTime.rowtime) 
 
tEnv.registerTable("Orders", orders) 
tEnv.registerTable("Payment", ratesHistory) 
 
var sqlQuery = 
""" 
|SELECT 
| o.orderId, 
| o.productName, 
| p.payType, 
| o.orderTime, 
| cast(payTime as timestamp) as payTime 
|FROM 
| Orders AS o JOIN Payment AS p ON o.orderId = p.orderId AND 
| p.payTime BETWEEN orderTime AND orderTime + INTERVAL '1' HOUR 
|""".stripMargin 
tEnv.registerTable("TemporalJoinResult", tEnv.sqlQuery(sqlQuery)) 
 
val result = tEnv.scan("TemporalJoinResult").toAppendStream[Row] 
result.print() 
env.execute() 
} 
 
} 
 
class TimestampExtractor[T1, T2] 
extends BoundedOutOfOrdernessTimestampExtractor[(T1, T2, Timestamp)](Time.seconds(10)) { 
override def extractTimestamp(element: (T1, T2, Timestamp)): Long = { 
element._3.getTime 
} 
}

運行結(jié)果如下：

五、小節(jié)

本篇由實際業(yè)務(wù)需求場景切入，介紹了相同業(yè)務(wù)需求既可以利用Unbounded 雙流JOIN實現(xiàn)，也可以利用Time Interval JOIN來實現(xiàn)，Time Interval JOIN 性能優(yōu)于UnBounded的雙流JOIN，并且Interval JOIN之后可以進行Window Aggregate算子計算。然后介紹了Interval JOIN的語法，語義和實現(xiàn)原理，***將訂單和付款的完整示例代碼分享給大家。期望本篇能夠讓大家對Apache Flink Time Interval JOIN有一個具體的了解!

關(guān)于點贊和評論

本系列文章難免有很多缺陷和不足，真誠希望讀者對有收獲的篇章給予點贊鼓勵，對有不足的篇章給予反饋和建議，先行感謝大家!

作者：孫金城，花名金竹，目前就職于阿里巴巴，自2015年以來一直投入于基于Apache Flink的阿里巴巴計算平臺Blink的設(shè)計研發(fā)工作。

【本文為51CTO專欄作者“金竹”原創(chuàng)稿件，轉(zhuǎn)載請聯(lián)系原作者】

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責(zé)任編輯：趙寧寧來源： 51CTO專欄

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