Flink可靠性的基石-checkpoint机制详细解析

Checkpoint介绍

checkpoint机制是Flink可靠性的基石，可以保证Flink集群在某个算子因为某些原因(如异常退出)出现故障时，能够将整个应用流图的状态恢复到故障之前的某一状态，保证应用流图状态的一致性。Flink的checkpoint机制原理来自“Chandy-Lamport algorithm”算法。

每个需要checkpoint的应用在启动时，Flink的JobManager为其创建一个 CheckpointCoordinator(检查点协调器)，CheckpointCoordinator全权负责本应用的快照制作。

CheckpointCoordinator(检查点协调器) 周期性的向该流应用的所有source算子发送 barrier(屏障)。
当某个source算子收到一个barrier时，便暂停数据处理过程，然后将自己的当前状态制作成快照，并保存到指定的持久化存储中，最后向CheckpointCoordinator报告自己快照制作情况，同时向自身所有下游算子广播该barrier，恢复数据处理
下游算子收到barrier之后，会暂停自己的数据处理过程，然后将自身的相关状态制作成快照，并保存到指定的持久化存储中，最后向CheckpointCoordinator报告自身快照情况，同时向自身所有下游算子广播该barrier，恢复数据处理。
每个算子按照步骤3不断制作快照并向下游广播，直到最后barrier传递到sink算子，快照制作完成。
当CheckpointCoordinator收到所有算子的报告之后，认为该周期的快照制作成功; 否则，如果在规定的时间内没有收到所有算子的报告，则认为本周期快照制作失败。

如果一个算子有两个输入源，则暂时阻塞先收到barrier的输入源，等到第二个输入源相同编号的barrier到来时，再制作自身快照并向下游广播该barrier。具体如下图所示：

假设算子C有A和B两个输入源
在第i个快照周期中，由于某些原因(如处理时延、网络时延等)输入源A发出的 barrier 先到来，这时算子C暂时将输入源A的输入通道阻塞，仅收输入源B的数据。
当输入源B发出的barrier到来时，算子C制作自身快照并向 CheckpointCoordinator 报告自身的快照制作情况，然后将两个barrier合并为一个，向下游所有的算子广播。
当由于某些原因出现故障时，CheckpointCoordinator通知流图上所有算子统一恢复到某个周期的checkpoint状态，然后恢复数据流处理。分布式checkpoint机制保证了数据仅被处理一次(Exactly Once)。

持久化存储

MemStateBackend

该持久化存储主要将快照数据保存到JobManager的内存中，仅适合作为测试以及快照的数据量非常小时使用，并不推荐用作大规模商业部署。

MemoryStateBackend 的局限性：

默认情况下，每个状态的大小限制为 5 MB。可以在MemoryStateBackend的构造函数中增加此值。

无论配置的最大状态大小如何，状态都不能大于akka帧的大小（请参阅配置）。

聚合状态必须适合 JobManager 内存。

建议MemoryStateBackend 用于：

本地开发和调试。

状态很少的作业，例如仅包含一次记录功能的作业（Map，FlatMap，Filter，...），kafka的消费者需要很少的状态。

FsStateBackend

该持久化存储主要将快照数据保存到文件系统中，目前支持的文件系统主要是 HDFS和本地文件。如果使用HDFS，则初始化FsStateBackend时，需要传入以 “hdfs://”开头的路径(即: new FsStateBackend("hdfs:///hacluster/checkpoint"))，如果使用本地文件，则需要传入以“file://”开头的路径(即:new FsStateBackend("file:///Data"))。在分布式情况下，不推荐使用本地文件。如果某个算子在节点A上失败，在节点B上恢复，使用本地文件时，在B上无法读取节点 A上的数据，导致状态恢复失败。

建议FsStateBackend：

具有大状态，长窗口，大键 / 值状态的作业。

所有高可用性设置。

RocksDBStateBackend

RocksDBStatBackend介于本地文件和HDFS之间，平时使用RocksDB的功能，将数据持久化到本地文件中，当制作快照时，将本地数据制作成快照，并持久化到 FsStateBackend中(FsStateBackend不必用户特别指明，只需在初始化时传入HDFS 或本地路径即可，如new RocksDBStateBackend("hdfs:///hacluster/checkpoint")或new RocksDBStateBackend("file:///Data"))。

如果用户使用自定义窗口(window)，不推荐用户使用RocksDBStateBackend。在自定义窗口中，状态以ListState的形式保存在StatBackend中，如果一个key值中有多个value值，则RocksDB读取该种ListState非常缓慢，影响性能。用户可以根据应用的具体情况选择FsStateBackend+HDFS或RocksStateBackend+HDFS。

语法

val env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment()

// start a checkpoint every 1000 ms

env.enableCheckpointing(1000)

// advanced options:

// 设置checkpoint的执行模式，最多执行一次或者至少执行一次

env.getCheckpointConfig.setCheckpointingMode(CheckpointingMode.EXACTLY_ONCE)

// 设置checkpoint的超时时间

env.getCheckpointConfig.setCheckpointTimeout(60000)

// 如果在只做快照过程中出现错误，是否让整体任务失败：true是  false不是

env.getCheckpointConfig.setFailTasksOnCheckpointingErrors(false)

//设置同一时间有多少 个checkpoint可以同时执行

env.getCheckpointConfig.setMaxConcurrentCheckpoints(1)

修改State Backend的两种方式

第一种：单任务调整

修改当前任务代码

env.setStateBackend(new FsStateBackend("hdfs://namenode:9000/flink/checkpoints"));

或者new MemoryStateBackend()

或者new RocksDBStateBackend(filebackend, true);【需要添加第三方依赖】

第二种：全局调整

修改flink-conf.yaml

state.backend: filesystem

state.checkpoints.dir: hdfs://namenode:9000/flink/checkpoints

注意：state.backend的值可以是下面几种：jobmanager(MemoryStateBackend), filesystem(FsStateBackend), rocksdb(RocksDBStateBackend)

Checkpoint的高级选项

默认checkpoint功能是disabled的，想要使用的时候需要先启用checkpoint开启之后，默认的checkPointMode是Exactly-once

//配置一秒钟开启一个checkpoint

env.enableCheckpointing(1000)

//指定checkpoint的执行模式

//两种可选：

//CheckpointingMode.EXACTLY_ONCE：默认值

//CheckpointingMode.AT_LEAST_ONCE

env.getCheckpointConfig.setCheckpointingMode(CheckpointingMode.EXACTLY_ONCE)

一般情况下选择CheckpointingMode.EXACTLY_ONCE，除非场景要求极低的延迟（几毫秒）

注意：如果需要保证EXACTLY_ONCE，source和sink要求必须同时保证EXACTLY_ONCE

//如果程序被cancle，保留以前做的checkpoint

env.getCheckpointConfig.enableExternalizedCheckpoints(ExternalizedCheckpointCleanup.RETAIN_ON_CANCELLATION)

默认情况下，检查点不被保留，仅用于在故障中恢复作业，可以启用外部持久化检查点，同时指定保留策略:

ExternalizedCheckpointCleanup.RETAIN_ON_CANCELLATION:在作业取消时保留检查点，注意，在这种情况下，您必须在取消后手动清理检查点状态

ExternalizedCheckpointCleanup.DELETE_ON_CANCELLATION：当作业在被cancel时，删除检查点，检查点仅在作业失败时可用

//设置checkpoint超时时间

env.getCheckpointConfig.setCheckpointTimeout(60000)

//Checkpointing的超时时间，超时时间内没有完成则被终止

//Checkpointing最小时间间隔，用于指定上一个checkpoint完成之后

//最小等多久可以触发另一个checkpoint，当指定这个参数时，maxConcurrentCheckpoints的值为1

env.getCheckpointConfig.setMinPauseBetweenCheckpoints(500)

//设置同一个时间是否可以有多个checkpoint执行

env.getCheckpointConfig.setMaxConcurrentCheckpoints(1)

指定运行中的checkpoint最多可以有多少个

env.getCheckpointConfig.setFailOnCheckpointingErrors(true)

用于指定在checkpoint发生异常的时候，是否应该fail该task，默认是true，如果设置为false，则task会拒绝checkpoint然后继续运行

Flink的重启策略

Flink支持不同的重启策略，这些重启策略控制着job失败后如何重启。集群可以通过默认的重启策略来重启，这个默认的重启策略通常在未指定重启策略的情况下使用，而如果Job提交的时候指定了重启策略，这个重启策略就会覆盖掉集群的默认重启策略。

概览

默认的重启策略是通过Flink的 flink-conf.yaml 来指定的，这个配置参数 restart-strategy 定义了哪种策略会被采用。如果checkpoint未启动，就会采用 no restart 策略，如果启动了checkpoint机制，但是未指定重启策略的话，就会采用 fixed-delay 策略，重试 Integer.MAX_VALUE 次。请参考下面的可用重启策略来了解哪些值是支持的。

每个重启策略都有自己的参数来控制它的行为，这些值也可以在配置文件中设置，每个重启策略的描述都包含着各自的配置值信息。

重启策略	重启策略值
Fixed delay	fixed-delay
Failure rate	failure-rate
No restart	None

除了定义一个默认的重启策略之外，你还可以为每一个Job指定它自己的重启策略，这个重启策略可以在 ExecutionEnvironment 中调用 setRestartStrategy() 方法来程序化地调用，注意这种方式同样适用于 StreamExecutionEnvironment。

下面的例子展示了如何为Job设置一个固定延迟重启策略，一旦有失败，系统就会尝试每10秒重启一次，重启3次。

val env = ExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment()

env.setRestartStrategy(RestartStrategies.fixedDelayRestart(

  3, // 重启次数

  Time.of(10, TimeUnit.SECONDS) // 延迟时间间隔

))

固定延迟重启策略(Fixed Delay Restart Strategy)

固定延迟重启策略会尝试一个给定的次数来重启Job，如果超过了最大的重启次数，Job最终将失败。在连续的两次重启尝试之间，重启策略会等待一个固定的时间。

重启策略可以配置flink-conf.yaml的下面配置参数来启用，作为默认的重启策略:

restart-strategy: fixed-delay

配置参数	描述	默认值
restart-strategy.fixed-delay.attempts	在Job最终宣告失败之前，Flink尝试执行的次数	1，如果启用checkpoint的话是Integer.MAX_VALUE
restart-strategy.fixed-delay.delay	延迟重启意味着一个执行失败之后，并不会立即重启，而是要等待一段时间。	akka.ask.timeout,如果启用checkpoint的话是1s

例子:

restart-strategy.fixed-delay.attempts: 3

restart-strategy.fixed-delay.delay: 10 s

固定延迟重启也可以在程序中设置:

val env = ExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment()

env.setRestartStrategy(RestartStrategies.fixedDelayRestart(

  3, // 重启次数

  Time.of(10, TimeUnit.SECONDS) // 重启时间间隔

))

失败率重启策略

失败率重启策略在Job失败后会重启，但是超过失败率后，Job会最终被认定失败。在两个连续的重启尝试之间，重启策略会等待一个固定的时间。

失败率重启策略可以在flink-conf.yaml中设置下面的配置参数来启用:

restart-strategy:failure-rate

配置参数	描述	默认值
restart-strategy.failure-rate.max-failures-per-interval	在一个Job认定为失败之前，最大的重启次数	1
restart-strategy.failure-rate.failure-rate-interval	计算失败率的时间间隔	1分钟
restart-strategy.failure-rate.delay	两次连续重启尝试之间的时间间隔	akka.ask.timeout

例子:

restart-strategy.failure-rate.max-failures-per-interval: 3

restart-strategy.failure-rate.failure-rate-interval: 5 min

restart-strategy.failure-rate.delay: 10 s

失败率重启策略也可以在程序中设置:

val env = ExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment()

env.setRestartStrategy(RestartStrategies.failureRateRestart(

  3, // 每个测量时间间隔最大失败次数

  Time.of(5, TimeUnit.MINUTES), //失败率测量的时间间隔

  Time.of(10, TimeUnit.SECONDS) // 两次连续重启尝试的时间间隔

))

无重启策略

Job直接失败，不会尝试进行重启

restart-strategy: none

无重启策略也可以在程序中设置

val env = ExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment()

env.setRestartStrategy(RestartStrategies.noRestart())

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