FlinkSQL怎么實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的Join

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無論在 OLAP 還是 OLTP 領(lǐng)域，Join 都是業(yè)務(wù)常會(huì)涉及到且優(yōu)化規(guī)則比較復(fù)雜的 SQL 語句。對(duì)于離線計(jì)算而言，經(jīng)過數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域多年的積累，Join 語義以及實(shí)現(xiàn)已經(jīng)十分成熟，然而對(duì)于近年來剛興起的 Streaming SQL 來說 Join 卻處于剛起步的狀態(tài)。

其中最為關(guān)鍵的問題在于 Join 的實(shí)現(xiàn)依賴于緩存整個(gè)數(shù)據(jù)集，而 Streaming SQL Join 的對(duì)象卻是無限的數(shù)據(jù)流，內(nèi)存壓力和計(jì)算效率在長期運(yùn)行來說都是不可避免的問題。下文將結(jié)合 SQL 的發(fā)展解析 Flink SQL 是如何解決這些問題并實(shí)現(xiàn)兩個(gè)數(shù)據(jù)流的 Join。

離線 Batch SQL Join 的實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)的離線 Batch SQL （面向有界數(shù)據(jù)集的 SQL）有三種基礎(chǔ)的實(shí)現(xiàn)方式，分別是 Nested-loop Join、Sort-Merge Join 和 Hash Join。

• Nested-loop Join 最為簡單直接，將兩個(gè)數(shù)據(jù)集加載到內(nèi)存，并用內(nèi)嵌遍歷的方式來逐個(gè)比較兩個(gè)數(shù)據(jù)集內(nèi)的元素是否符合 Join 條件。Nested-loop Join 雖然時(shí)間效率以及空間效率都是最低的，但勝在比較靈活適用范圍廣，因此其變體 BNL 常被傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫用作為 Join 的默認(rèn)基礎(chǔ)選項(xiàng)。

• Sort-Merge Join 顧名思義，分為兩個(gè) Sort 和 Merge 階段。首先將兩個(gè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行分別排序，然后對(duì)兩個(gè)有序數(shù)據(jù)集分別進(jìn)行遍歷和匹配，類似于歸并排序的合并。值得注意的是，Sort-Merge 只適用于 Equi-Join（Join 條件均使用等于作為比較算子）。Sort-Merge Join 要求對(duì)兩個(gè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行排序，成本很高，通常作為輸入本就是有序數(shù)據(jù)集的情況下的優(yōu)化方案。

• Hash Join 同樣分為兩個(gè)階段，首先將一個(gè)數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換為 Hash Table，然后遍歷另外一個(gè)數(shù)據(jù)集元素并與 Hash Table 內(nèi)的元素進(jìn)行匹配。第一階段和第一個(gè)數(shù)據(jù)集分別稱為 build 階段和 build table，第二個(gè)階段和第二個(gè)數(shù)據(jù)集分別稱為 probe 階段和 probe table。Hash Join 效率較高但對(duì)空間要求較大，通常是作為 Join 其中一個(gè)表為適合放入內(nèi)存的小表的情況下的優(yōu)化方案。和 Sort-Merge Join 類似，Hash Join 也只適用于 Equi-Join。

實(shí)時(shí) Streaming SQL Join

相對(duì)于離線的 Join，實(shí)時(shí) Streaming SQL（面向無界數(shù)據(jù)集的 SQL）無法緩存所有數(shù)據(jù)，因此 Sort-Merge Join 要求的對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行排序基本是無法做到的，而 Nested-loop Join 和 Hash Join 經(jīng)過一定的改良則可以滿足實(shí)時(shí) SQL 的要求。
我們通過例子來看基本的 Nested Join 在實(shí)時(shí) Streaming SQL 的基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)（案例及圖來自 Piotr Nowojski 在 Flink Forward San Francisco 的分享[2]）。

圖1. Join-in-continuous-query-1

Table A 有 1、42 兩個(gè)元素，Table B 有 42 一個(gè)元素，所以此時(shí)的 Join 結(jié)果會(huì)輸出 42。

圖2. Join-in-continuous-query-2

接著 Table B 依次接受到三個(gè)新的元素，分別是 7、3、1。因?yàn)?1 匹配到 Table A 的元素，因此結(jié)果表再輸出一個(gè)元素 1。

圖3. Join-in-continuous-query-3

隨后 Table A 出現(xiàn)新的輸入 2、3、6，3 匹配到 Table B 的元素，因此再輸出 3 到結(jié)果表。

可以看到在 Nested-Loop Join 中我們需要保存兩個(gè)輸入表的內(nèi)容，而隨著時(shí)間的增長 Table A 和 Table B 需要保存的歷史數(shù)據(jù)無止境地增長，導(dǎo)致很不合理的內(nèi)存磁盤資源占用，而且單個(gè)元素的匹配效率也會(huì)越來越低。類似的問題也存在于 Hash Join 中。

那么有沒有可能設(shè)置一個(gè)緩存剔除策略，將不必要的歷史數(shù)據(jù)及時(shí)清理呢？答案是肯定的，關(guān)鍵在于緩存剔除策略如何實(shí)現(xiàn)，這也是 Flink SQL 提供的三種 Join 的主要區(qū)別。

Flink SQL 的 Join

• Regular Join

Regular Join 是最為基礎(chǔ)的沒有緩存剔除策略的 Join。Regular Join 中兩個(gè)表的輸入和更新都會(huì)對(duì)全局可見，影響之后所有的 Join 結(jié)果。舉例，在一個(gè)如下的 Join 查詢里，Orders 表的新紀(jì)錄會(huì)和 Product 表所有歷史紀(jì)錄以及未來的紀(jì)錄進(jìn)行匹配。

SELECT * FROM Orders
INNER JOIN Product
ON Orders.productId = Product.id

因?yàn)闅v史數(shù)據(jù)不會(huì)被清理，所以 Regular Join 允許對(duì)輸入表進(jìn)行任意種類的更新操作（insert、update、delete）。然而因?yàn)橘Y源問題 Regular Join 通常是不可持續(xù)的，一般只用做有界數(shù)據(jù)流的 Join。

• Time-Windowed Join

Time-Windowed Join 利用窗口給兩個(gè)輸入表設(shè)定一個(gè) Join 的時(shí)間界限，超出時(shí)間范圍的數(shù)據(jù)則對(duì) JOIN 不可見并可以被清理掉。值得注意的是，這里涉及到的一個(gè)問題是時(shí)間的語義，時(shí)間可以指計(jì)算發(fā)生的系統(tǒng)時(shí)間（即 Processing Time），也可以指從數(shù)據(jù)本身的時(shí)間字段提取的 Event Time。如果是 Processing Time，F(xiàn)link 根據(jù)系統(tǒng)時(shí)間自動(dòng)劃分 Join 的時(shí)間窗口并定時(shí)清理數(shù)據(jù)；如果是 Event Time，F(xiàn)link 分配 Event Time 窗口并依據(jù) Watermark 來清理數(shù)據(jù)。

以更常用的 Event Time Windowed Join 為例，一個(gè)將 Orders 訂單表和 Shipments 運(yùn)輸單表依據(jù)訂單時(shí)間和運(yùn)輸時(shí)間 Join 的查詢?nèi)缦?

SELECT *
FROM 
  Orders o, 
  Shipments s
WHERE 
  o.id = s.orderId AND
  s.shiptime BETWEEN o.ordertime AND o.ordertime + INTERVAL '4' HOUR

這個(gè)查詢會(huì)為 Orders 表設(shè)置了 o.ordertime > s.shiptime- INTERVAL ‘4’ HOUR 的時(shí)間下界（圖4）。

圖4. Time-Windowed Join 的時(shí)間下界 - Orders 表

并為 Shipmenets 表設(shè)置了 s.shiptime >= o.ordertime 的時(shí)間下界（圖5）。

圖5. Time-Windowed Join 的時(shí)間下界 - Shipment 表

因此兩個(gè)輸入表都只需要緩存在時(shí)間下界以上的數(shù)據(jù)，將空間占用維持在合理的范圍。

不過雖然底層實(shí)現(xiàn)上沒有問題，但如何通過 SQL 語法定義時(shí)間仍是難點(diǎn)。盡管在實(shí)時(shí)計(jì)算領(lǐng)域 Event Time、Processing Time、Watermark 這些概念已經(jīng)成為業(yè)界共識(shí)，但在 SQL 領(lǐng)域?qū)r(shí)間數(shù)據(jù)類型的支持仍比較弱[4]。因此，定義 Watermark 和時(shí)間語義都需要通過編程 API 的方式完成，比如從 DataStream 轉(zhuǎn)換至 Table ，不能單純靠 SQL 完成。這方面的支持 Flink 社區(qū)計(jì)劃通過拓展 SQL 方言來完成，感興趣的讀者可以通過 FLIP-66[7] 來追蹤進(jìn)度。

• Temporal Table Join

雖然 Timed-Windowed Join 解決了資源問題，但也限制了使用場景: Join 兩個(gè)輸入流都必須有時(shí)間下界，超過之后則不可訪問。這對(duì)于很多 Join 維表的業(yè)務(wù)來說是不適用的，因?yàn)楹芏嗲闆r下維表并沒有時(shí)間界限。針對(duì)這個(gè)問題，F(xiàn)link 提供了 Temporal Table Join 來滿足用戶需求。

Temporal Table Join 類似于 Hash Join，將輸入分為 Build Table 和 Probe Table。前者一般是緯度表的 changelog，后者一般是業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流，典型情況下后者的數(shù)據(jù)量應(yīng)該遠(yuǎn)大于前者。在 Temporal Table Join 中，Build Table 是一個(gè)基于 append-only 數(shù)據(jù)流的帶時(shí)間版本的視圖，所以又稱為 Temporal Table。Temporal Table 要求定義一個(gè)主鍵和用于版本化的字段（通常就是 Event Time 時(shí)間字段），以反映記錄在不同時(shí)間的內(nèi)容。

比如典型的一個(gè)例子是對(duì)商業(yè)訂單金額進(jìn)行匯率轉(zhuǎn)換。假設(shè)有一個(gè) Orders 流記錄訂單金額，需要和 RatesHistory 匯率流進(jìn)行 Join。RatesHistory 代表不同貨幣轉(zhuǎn)為日元的匯率，每當(dāng)匯率有變化時(shí)就會(huì)有一條更新記錄。兩個(gè)表在某一時(shí)間節(jié)點(diǎn)內(nèi)容如下:

圖6. Temporal Table Join Example]

我們將 RatesHistory 注冊為一個(gè)名為 Rates 的 Temporal Table，設(shè)定主鍵為 currency，版本字段為 time。

圖7. Temporal Table Registration]

此后給 Rates 指定時(shí)間版本，Rates 則會(huì)基于 RatesHistory 來計(jì)算符合時(shí)間版本的匯率轉(zhuǎn)換內(nèi)容。

圖8. Temporal Table Content]

在 Rates 的幫助下，我們可以將業(yè)務(wù)邏輯用以下的查詢來表達(dá):

SELECT 
  o.amount * r.rate
FROM
  Orders o,
  LATERAL Table(Rates(o.time)) r
WHERE
  o.currency = r.currency

值得注意的是，不同于在 Regular Join 和 Time-Windowed Join 中兩個(gè)表是平等的，任意一個(gè)表的新記錄都可以與另一表的歷史記錄進(jìn)行匹配，在 Temporal Table Join 中，Temoparal Table 的更新對(duì)另一表在該時(shí)間節(jié)點(diǎn)以前的記錄是不可見的。這意味著我們只需要保存 Build Side 的記錄直到 Watermark 超過記錄的版本字段。因?yàn)?Probe Side 的輸入理論上不會(huì)再有早于 Watermark 的記錄，這些版本的數(shù)據(jù)可以安全地被清理掉。

到此，關(guān)于“Flink SQL怎么實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的Join”的學(xué)習(xí)就結(jié)束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實(shí)踐的搭配能更好的幫助大家學(xué)習(xí)，快去試試吧！若想繼續(xù)學(xué)習(xí)更多相關(guān)知識(shí)，請繼續(xù)關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)網(wǎng)站，小編會(huì)繼續(xù)努力為大家?guī)砀鄬?shí)用的文章！

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