Apache Flink架构介绍

一、Flink组件栈

在Flink的整个软件架构体系中，同样遵循这分层的架构设计理念，在降低系统耦合度的同时，也为上层用户构建Flink应用提供了丰富且友好的接口。

上图是Flink基本组件栈，从上图可以看出整个Flink的架构体系可以分为三层，从下往上依次是物理部署层、Runtime 核心层、API&Libraries层。

该层主要涉及Flink的部署模式，目前Flink支持多种部署模式：本地Local、集群（Standalone/Yarn）、Kubernetes，Flink能够通过该层支撑不同平台的部署，用户可以根据需要来选择对应的部署模式，目前在企业中使用最多的是基于Yarn进行部署，也就是Flink On Yarn。

(资料图片仅供参考)

该层主要负责对上层不同接口提供基础服务，也是Flink分布式计算框架的核心实现层，支持分布式Stream作业的执行、JobGraph到ExecutionGraph的映射转换、任务调度等，将DataStream和DataSet转成统一可执行的Task Oparator，达到在流式引擎下同时处理批量计算和流式计算的目的。

作为分布式计算框架，Flink同时提供了支撑流计算和批计算接口，未来批计算接口会被弃用，在Flink1.15 版本中批计算接口已经标记为Legacy（已过时），后续版本建议使用Flink流计算接口，基于此接口之上抽象出不同应用类型的组件库，例如：FlinkML 机器学习库、FlinkCEP 复杂事件处理库、Flink Gelly 图处理库、SQL&Table 库。DataSet API 和DataStream API 两者都提供给用户丰富的数据处理高级API，例如：Map、FlatMap操作等，同时也提供了比较底层的ProcessFunction API ,用户可以直接操作状态和时间等底层数据。这些API将在后面进行介绍。

二、Flink运行时架构

Flink整个系统主要由两个组件组成，分别为JobManager和TaskManager，Flink架构也遵循Master-Slave架构设计原则，JobManager为Master节点，TaskManager为Worker（Slave）节点。所有组件之间的通信都是借助于Akka Framework，包括任务的状态以及Checkpoint触发等信息。

Flink运行时架构如下，下面分别介绍下架构中涉及到的角色作用。

Flink客户端负责将任务提交到集群，与JobManager构建Akka连接，然后将任务提交到JobManager，通过和JobManager之间进行交互获取任务执行状态。Flink客户端Clients不是Flink程序运行时的一部分，作用是向JobManager准备和发送dataflow，之后，客户端可以断开（detached mode）连接或者保持连接(attached mode)。客户端提交任务可以采用CLI方式或者通过使用Flink WebUI提交，也可以在应用程序中指定JobManager的RPC网络端口构建ExecutionEnvironment提交Flink应用。

JobManager负责整个Flink集群任务的调度以及资源的管理，从客户端中获取提交的应用，然后根据集群中TaskManager上TaskSlot的使用情况，为提交的应用分配相应的TaskSlots资源并命令TaskManger启动从客户端中获取的应用。

JobManager相当于整个集群的Master节点，Flink HA 集群中可以有多个JobManager，但整个集群中有且仅有一个活跃的JobManager，其他的都是StandBy。JobManager和TaskManager之间通过Actor System进行通信，获取任务执行的情况并通过Actor System将应用的任务执行情况发送给客户端。同时在任务执行过程中，Flink JobManager会触发Checkpoints操作，每个TaskManager节点收到Checkpoint触发指令后，完成Checkpoint操作，所有的Checkpoint协调过程都是在Flink JobManager中完成。当任务完成后，Flink会将任务执行的信息反馈给客户端，并且释放掉TaskManager中的资源以供下一次提交任务使用。

JobManager由三个不同的组件组成：

这里说的ResourceManager不是Yarn资源管理中的ResourceManager，而是Flink中的ResourceManager，其主要负责Flink集群资源分配、管理和回收。在Flink中这里说的资源主要是TaskManager节点上的Task Slot计算资源，Flink中每个提交的任务最终会转换成task，每个task需要发送到TaskManager 上的slot中执行（slot是资源调度最小的单位），Flink为不同的环境和资源提供者（例如：Yarn/Kubernetes和Standalone）实现了对应的ResourceManager，这些ResourceManager负责申请启动TaskManager获取Slot资源。

在Standalone集群中，集群启动会同时启动TaskManager，不支持提交任务时启动TaskManager（没有Per-Job任务提交模式），ResourceManager只能分配可用TaskManager的slots，而不支持自行启动新的TaskManager，而基于其他资源调度框架执行任务时，当ResourceManager管理对应的TaskManager没有足够的slot，会申请启动新的TaskManager进程。

Dispatcher提供了一个REST接口，用来提交Flink应用程序执行，例如CLI客户端或Flink Web UI提交的任务最终都会发送至Dispatcher组件，由Dispatcher组件对JobGraph进行分发和执行，并为每个提交的作业启动一个新的 JobMaster，它还运行 Flink WebUI 用来提供作业执行信息。

JobMaster负责管理整个任务的生命周期，负责将Dispatcher提交上来的JobGraph转换成ExecutionGraph（执行图）结构，通过内部调度程序对ExecutionGraph执行图进行调度和执行，最终向TaskManager中提交和运行Task实例，同时监控各个Task的运行状况，直到整个作业中所有的Task都执行完毕。

JobManager和ResourceManager组件一样，JobManager组件本身也是RPC服务，具备通信能力，可以与ResourceManager进行RPC通信申请任务的计算资源，资源申请到位后，就会将对应Task任务发送到TaskManager上执行，当Flink Task任务执行完毕后，JobMaster服务会关闭，同时释放任务占用的计算资源。所以JobMaster与对应的Flink job是一一对应的。

TaskManager负责向整个集群提供Slot计算资源，同时管理了JobMaster提交的Task任务。TaskManager会提供JobManager从ResourceManager中申请和分配的Slot计算资源，JobMaster最终会根据分配到的Slot计算资源将Task提交到TaskManager上运行。另外，TaskManager还可缓存数据，TaskManager之间可以进行DataStream数据的交换。

一个Flink集群中至少有一个TaskManager，在TaskManager中资源调度的最小单位是 task slot ,一个TaskManger中的task Slot个数决定了当前TaskManger最高支持的并发task个数，一个task Slot中可以执行多个算子。

可以看出，Flink的任务运行其实是采用多线程的方式，这和MapReduce多JVM进程的方式有很大的区别Fink能够极大提高CPU使用效率，在多个任务和Task之间通过TaskSlot方式共享系统资源，每个TaskManager中通过管理多个TaskSlot资源池进行对资源进行有效管理。

关键词：