Flink流计算编程--watermark（水位线）简介

1、watermark的概念

watermark是一种衡量Event Time进展的机制，它是数据本身的一个隐藏属性。通常基于Event Time的数据，自身都包含一个timestamp，例如1472693399700（2016-09-01 09:29:59.700），而这条数据的watermark时间则可能是：

watermark(1472693399700) = 1472693396700(2016-09-01 09:29:56.700)

这条数据的watermark时间是什么含义呢？即：timestamp小于1472693396700(2016-09-01 09:29:56.700)的数据，都已经到达了。

这里写图片描述
图中蓝色虚线和实线代表着watermark的时间。

2、watermark有什么用？

watermark是用于处理乱序事件的，而正确的处理乱序事件，通常用watermark机制结合window来实现。

我们知道，流处理从事件产生，到流经source，再到operator，中间是有一个过程和时间的。虽然大部分情况下，流到operator的数据都是按照事件产生的时间顺序来的，但是也不排除由于网络、背压等原因，导致乱序的产生（out-of-order或者说late element）。

但是对于late element，我们又不能无限期的等下去，必须要有个机制来保证一个特定的时间后，必须触发window去进行计算了。这个特别的机制，就是watermark。

3、watermark如何分配？

通常，在接收到source的数据后，应该立刻生成watermark；但是，也可以在source后，应用简单的map或者filter操作，然后再生成watermark。

生成watermark的方式主要有2大类：

(1):With Periodic Watermarks
(2):With Punctuated Watermarks

第一种可以定义一个最大允许乱序的时间，这种情况应用较多。
我们主要来围绕Periodic Watermarks来说明，下面是生成periodic watermark的方法：

/*** This generator generates watermarks assuming that elements come out of order to a certain degree only.* The latest elements for a certain timestamp t will arrive at most n milliseconds after the earliest* elements for timestamp t.*/
class BoundedOutOfOrdernessGenerator extends AssignerWithPeriodicWatermarks[MyEvent] {val maxOutOfOrderness = 3500L; // 3.5 secondsvar currentMaxTimestamp: Long;override def extractTimestamp(element: MyEvent, previousElementTimestamp: Long): Long = {val timestamp = element.getCreationTime()currentMaxTimestamp = max(timestamp, currentMaxTimestamp)timestamp;}override def getCurrentWatermark(): Watermark = {// return the watermark as current highest timestamp minus the out-of-orderness boundnew Watermark(currentMaxTimestamp - maxOutOfOrderness);}
}

程序中有一个extractTimestamp方法，就是根据数据本身的Event time来获取；还有一个getCurrentWatermar方法，是用currentMaxTimestamp - maxOutOfOrderness来获取的。

这里的概念有点抽象，下面我们结合数据，在window中来实际演示下每个element的timestamp和watermark是多少，以及何时触发window。

4、生成并跟踪watermark代码

4.1、程序说明
我们从socket接收数据，然后经过map后立刻抽取timetamp并生成watermark，之后应用window来看看watermark和event time如何变化，才导致window被触发的。
4.2、代码如下

import java.text.SimpleDateFormatimport org.apache.flink.streaming.api.scala._
import org.apache.flink.streaming.api.TimeCharacteristic
import org.apache.flink.streaming.api.functions.AssignerWithPeriodicWatermarks
import org.apache.flink.streaming.api.scala.StreamExecutionEnvironment
import org.apache.flink.streaming.api.scala.function.WindowFunction
import org.apache.flink.streaming.api.watermark.Watermark
import org.apache.flink.streaming.api.windowing.assigners.TumblingEventTimeWindows
import org.apache.flink.streaming.api.windowing.time.Time
import org.apache.flink.streaming.api.windowing.windows.TimeWindow
import org.apache.flink.util.Collectorobject WatermarkTest {def main(args: Array[String]): Unit = {if (args.length != 2) {System.err.println("USAGE:\nSocketWatermarkTest <hostname> <port>")return}val hostName = args(0)val port = args(1).toIntval env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironmentenv.setStreamTimeCharacteristic(TimeCharacteristic.EventTime)val input = env.socketTextStream(hostName,port)val inputMap = input.map(f=> {val arr = f.split("\\W+")val code = arr(0)val time = arr(1).toLong(code,time)})val watermark = inputMap.assignTimestampsAndWatermarks(new AssignerWithPeriodicWatermarks[(String,Long)] {var currentMaxTimestamp = 0Lval maxOutOfOrderness = 10000L//最大允许的乱序时间是10svar a : Watermark = nullval format = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.SSS")override def getCurrentWatermark: Watermark = {a = new Watermark(currentMaxTimestamp - maxOutOfOrderness)a}override def extractTimestamp(t: (String,Long), l: Long): Long = {val timestamp = t._2currentMaxTimestamp = Math.max(timestamp, currentMaxTimestamp)println("timestamp:" + t._1 +","+ t._2 + "|" +format.format(t._2) +","+  currentMaxTimestamp + "|"+ format.format(currentMaxTimestamp) + ","+ a.toString)timestamp}})val window = watermark.keyBy(_._1).window(TumblingEventTimeWindows.of(Time.seconds(3))).apply(new WindowFunctionTest)window.print()env.execute()}class WindowFunctionTest extends WindowFunction[(String,Long),(String, Int,String,String,String,String),String,TimeWindow]{override def apply(key: String, window: TimeWindow, input: Iterable[(String, Long)], out: Collector[(String, Int,String,String,String,String)]): Unit = {val list = input.toList.sortBy(_._2)val format = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.SSS")out.collect(key,input.size,format.format(list.head._2),format.format(list.last._2),format.format(window.getStart),format.format(window.getEnd))}}}

4.3、程序详解
（1）接收socket数据
（2）将每行数据按照字符分隔，每行map成一个tuple类型（code，time）
（3）抽取timestamp生成watermark。并打印（code，time，格式化的time，currentMaxTimestamp，currentMaxTimestamp的格式化时间，watermark时间）。
（4）event time每隔3秒触发一次窗口，输出（code，窗口内元素个数，窗口内最早元素的时间，窗口内最晚元素的时间，窗口自身开始时间，窗口自身结束时间）

注意：new AssignerWithPeriodicWatermarks[(String,Long)中有抽取timestamp和生成watermark2个方法，在执行时，它是先抽取timestamp，后生成watermark，因此我们在这里print的watermark时间，其实是上一条的watermark时间，我们到数据输出时再解释。

这里写图片描述
生成的Job Graph

5、通过数据跟踪watermark的时间

我们重点看看watermark与timestamp的时间，并通过数据来看看window的触发时机。

首先，我们开启socket，输入第一条数据：

000001,1461756862000

输出的out文件如下：

timestamp:000001,1461756862000|2016-04-27 19:34:22.000,1461756862000|2016-04-27 19:34:22.000,Watermark @ -10000

这里，看下watermark的值，-10000，即0-10000得到的。这就说明程序先执行timestamp，后执行watermark。所以，每条记录打印出的watermark，都应该是上一条的watermark。为了观察方便，我汇总了输出如下：
这里写图片描述

此时，wartermark的时间按照逻辑，已经落后于currentMaxTimestamp10秒了。我们继续输入：

这里写图片描述
此时，输出内容如下：

我们再次汇总，见下表：

我们继续输入，这时我们再次输入：
这里写图片描述
输出如下：

汇总如下：

到这里，window仍然没有被触发，此时watermark的时间已经等于了第一条数据的Event Time了。那么window到底什么时候被触发呢？我们再次输入：
这里写图片描述
输出：

汇总：

OK，window仍然没有触发，此时，我们的数据已经发到2016-04-27 19:34:33.000了，最早的数据已经过去了11秒了，还没有开始计算。那是不是要等到13（10+3）秒过去了，才开始触发window呢？答案是否定的。

我们再次增加1秒，输入：
这里写图片描述
输出：

汇总：

到这里，我们做一个说明：
window的触发机制，是先按照自然时间将window划分，如果window大小是3秒，那么1分钟内会把window划分为如下的形式:

[00:00:00,00:00:03)
[00:00:03,00:00:06)
...
[00:00:57,00:01:00)

如果window大小是10秒，则window会被分为如下的形式：

[00:00:00,00:00:10)
[00:00:10,00:00:20)
...
[00:00:50,00:01:00)

window的设定无关数据本身，而是系统定义好了的。

输入的数据中，根据自身的Event Time，将数据划分到不同的window中，如果window中有数据，则当watermark时间>=Event Time时，就符合了window触发的条件了，最终决定window触发，还是由数据本身的Event Time所属的window中的window_end_time决定。

上面的测试中，最后一条数据到达后，其水位线已经升至19:34:24秒，正好是最早的一条记录所在window的window_end_time，所以window就被触发了。

为了验证window的触发机制，我们继续输入数据：
这里写图片描述
输出：

汇总：

此时，watermark时间虽然已经达到了第二条数据的时间，但是由于其没有达到第二条数据所在window的结束时间，所以window并没有被触发。那么，第二条数据所在的window时间是：

[19:34:24,19:34:27)

也就是说，我们必须输入一个19:34:27秒的数据，第二条数据所在的window才会被触发。我们继续输入：
这里写图片描述
输出：

汇总：

此时，我们已经看到，window的触发要符合以下几个条件：

1、watermark时间 >= window_end_time
2、在[window_start_time,window_end_time)中有数据存在

同时满足了以上2个条件，window才会触发。

而且，这里要强调一点，watermark是一个全局的值，不是某一个key下的值，所以即使不是同一个key的数据，其warmark也会增加，例如：
输入：

000002,1461756879000

输出：

timestamp:000002,1461756879000|2016-04-27 19:34:39.000,1461756879000|2016-04-27 19:34:39.000,Watermark @ 1461756867000

我们看到，currentMaxTimestamp也增加了。

6、watermark+window处理乱序

我们上面的测试，数据都是按照时间顺序递增的，现在，我们输入一些乱序的（late）数据，看看watermark结合window机制，是如何处理乱序的。
输入：
这里写图片描述
输出：

汇总：

可以看到，虽然我们输入了一个19:34:31的数据，但是currentMaxTimestamp和watermark都没变。此时，按照我们上面提到的公式：

1、watermark时间 >= window_end_time
2、在[window_start_time,window_end_time)中有数据存在

watermark时间（19:34:29） < window_end_time（19:34:33），因此不能触发window。

那如果我们再次输入一条19:34:43的数据，此时watermark时间会升高到19:34:33，这时的window一定就会触发了，我们试一试：
输入：
这里写图片描述
输出：

这里，我么看到，窗口中有2个数据，19:34:31和19:34:32的，但是没有19:34:33的数据，原因是窗口是一个前闭后开的区间，19:34:33的数据是属于[19:34:33,19:34:36)的窗口的。

上边的结果，已经表明，对于out-of-order的数据，Flink可以通过watermark机制结合window的操作，来处理一定范围内的乱序数据。那么对于“迟到”太多的数据，Flink是怎么处理的呢？

7、late element的处理

我们输入一个乱序很多的（其实只要Event Time < watermark时间）数据来测试下：
输入：
这里写图片描述
输出：

我们看到，我们输入的数据是19:34:32的，而当前watermark时间已经来到了19:34:33，Event Time < watermark时间，所以来一条就触发一个window。

8、总结

8.1、Flink如何处理乱序？

watermark+window机制

window中可以对input进行按照Event Time排序，使得完全按照Event Time发生的顺序去处理数据，以达到处理乱序数据的目的。

8.2、Flink何时触发window？

1、Event Time < watermark时间（对于late element太多的数据而言）

或者

1、watermark时间 >= window_end_time（对于out-of-order以及正常的数据而言）
2、在[window_start_time,window_end_time)中有数据存在

8.3、Flink应该如何设置最大乱序时间？

这个要结合自己的业务以及数据情况去设置。如果maxOutOfOrderness设置的太小，而自身数据发送时由于网络等原因导致乱序或者late太多，那么最终的结果就是会有很多单条的数据在window中被触发，数据的正确性影响太大。

最后，我们通过一张图来看看watermark、Event Time和window的关系：
这里写图片描述

9、参考

http://data-artisans.com/how-apache-flink-enables-new-streaming-applications-part-1/
https://ci.apache.org/projects/flink/flink-docs-release-1.1/apis/streaming/event_time.html
https://ci.apache.org/projects/flink/flink-docs-release-1.1/apis/streaming/event_timestamps_watermarks.html
https://www.oreilly.com/ideas/the-world-beyond-batch-streaming-101
https://static.googleusercontent.com/media/research.google.com/en//pubs/archive/43864.pdf
http://www.cnblogs.com/fxjwind/p/5627187.html