本文將分享Flink中Checkpoint的應用實踐，包括四個部分，分別是Checkpoint 與 state 的關係、什麼是 state、如何在 Flink 中使用state和Checkpoint 的執行機制。如果你對於Apache Flink瞭解不多，可以先閱讀Apache Flink 零基礎入門系列文章。
Checkpoint 與 state 的關係
Checkpoint 是從 source 觸發到下游所有節點完成的一次全局操作。下圖可以有一個對 Checkpoint 的直觀感受，紅框裏面可以看到一共觸發了 569K 次 Checkpoint，然後全部都成功完成，沒有 fail 的。
state 其實就是 Checkpoint 所做的主要持久化備份的主要數據，看下圖的具體數據統計，其 state 也就 9kb 大小 。
什麼是 state
我們接下來看什麼是 state。先看一個非常經典的 word count 代碼，這段代碼會去監控本地的 9000 端口的數據並對網絡端口輸入進行詞頻統計，我們本地行動 netcat，然後在終端輸入 hello world，執行程序會輸出什麼？
答案很明顯，(hello, 1) 和 (word,1)
那麼問題來了，如果再次在終端輸入 hello world，程序會輸入什麼？
答案其實也很明顯，(hello, 2) 和 (world, 2)。爲什麼 Flink 知道之前已經處理過一次 hello world，這就是 state 發揮作用了，這裏是被稱爲 keyed state 存儲了之前需要統計的數據，所以幫助 Flink 知道 hello 和 world 分別出現過一次。
回顧一下剛纔這段 word count 代碼。keyby 接口的調用會創建 keyed stream 對 key 進行劃分，這是使用 keyed state 的前提。在此之後，sum 方法會調用內置的 StreamGroupedReduce 實現。
什麼是 keyed state
對於 keyed state，有兩個特點：
- 只能應用於 KeyedStream 的函數與操作中，例如 Keyed UDF, window state
- keyed state 是已經分區/劃分好的，每一個 key 只能屬於某一個 keyed state
對於如何理解已經分區的概念，我們需要看一下 keyby 的語義，大家可以看到下圖左邊有三個併發，右邊也是三個併發，左邊的詞進來之後，通過 keyby 會進行相應的分發。例如對於 hello word，hello 這個詞通過 hash 運算永遠只會到右下方併發的 task 上面去。
什麼是operator state
- 又稱爲 non-keyed state，每一個 operator state 都僅與一個 operator 的實例綁定。
- 常見的 operator state 是 source state，例如記錄當前 source 的 offset
再看一段使用 operator state 的 word count 代碼：
這裏的fromElements會調用FromElementsFunction的類，其中就使用了類型爲 list state 的 operator state。根據 state 類型做一個分類如下圖：
除了從這種分類的角度，還有一種分類的角度是從 Flink 是否直接接管：
- Managed State：由 Flink 管理的 state，剛纔舉例的所有 state 均是 managed state
- Raw State：Flink 僅提供 stream 可以進行存儲數據，對 Flink 而言 raw state 只是一些 bytes
在實際生產中，都只推薦使用 managed state，本文將圍繞該話題進行討論。
如何在 Flink 中使用 state
下圖就前文 word count 的 sum 所使用的StreamGroupedReduce類爲例講解了如何在代碼中使用 keyed state：
下圖則對 word count 示例中的FromElementsFunction類進行詳解並分享如何在代碼中使用 operator state：
Checkpoint 的執行機制
在介紹 Checkpoint 的執行機制前，我們需要了解一下 state 的存儲，因爲 state 是 Checkpoint 進行持久化備份的主要角色。
Statebackend 的分類
下圖闡釋了目前 Flink 內置的三類 state backend，其中MemoryStateBackend和FsStateBackend在運行時都是存儲在 java heap 中的，只有在執行 Checkpoint 時，FsStateBackend纔會將數據以文件格式持久化到遠程存儲上。而RocksDBStateBackend則借用了 RocksDB（內存磁盤混合的 LSM DB）對 state 進行存儲。
對於HeapKeyedStateBackend，有兩種實現：
- 支持異步 Checkpoint（默認）：存儲格式 CopyOnWriteStateMap
- 僅支持同步 Checkpoint：存儲格式 NestedStateMap
特別在 MemoryStateBackend 內使用HeapKeyedStateBackend時，Checkpoint 序列化數據階段默認有最大 5 MB數據的限制
對於RocksDBKeyedStateBackend，每個 state 都存儲在一個單獨的 column family 內，其中 keyGroup，Key 和 Namespace 進行序列化存儲在 DB 作爲 key。
Checkpoint 執行機制詳解
本小節將對 Checkpoint 的執行流程逐步拆解進行講解，下圖左側是 Checkpoint Coordinator，是整個 Checkpoint 的發起者，中間是由兩個 source，一個 sink 組成的 Flink 作業，最右側的是持久化存儲，在大部分用戶場景中對應 HDFS。
a. 第一步，Checkpoint Coordinator 向所有 source 節點 trigger Checkpoint；。
b. 第二步，source 節點向下遊廣播 barrier，這個 barrier 就是實現 Chandy-Lamport 分佈式快照算法的核心，下游的 task 只有收到所有 input 的 barrier 纔會執行相應的 Checkpoint。
c. 第三步，當 task 完成 state 備份後，會將備份數據的地址（state handle）通知給 Checkpoint coordinator。
d. 第四步，下游的 sink 節點收集齊上游兩個 input 的 barrier 之後，會執行本地快照，這裏特地展示了 RocksDB incremental Checkpoint 的流程，首先 RocksDB 會全量刷數據到磁盤上（紅色大三角表示），然後 Flink 框架會從中選擇沒有上傳的文件進行持久化備份（紫色小三角）。
e. 同樣的，sink 節點在完成自己的 Checkpoint 之後，會將 state handle 返回通知 Coordinator。
f. 最後，當 Checkpoint coordinator 收集齊所有 task 的 state handle，就認爲這一次的 Checkpoint 全局完成了，向持久化存儲中再備份一個 Checkpoint meta 文件。
Checkpoint 的 EXACTLY_ONCE 語義
爲了實現 EXACTLY ONCE 語義，Flink 通過一個 input buffer 將在對齊階段收到的數據緩存起來，等對齊完成之後再進行處理。而對於 AT LEAST ONCE 語義，無需緩存收集到的數據，會對後續直接處理，所以導致 restore 時，數據可能會被多次處理。下圖是官網文檔裏面就 Checkpoint align 的示意圖：
需要特別注意的是，Flink 的 Checkpoint 機制只能保證 Flink 的計算過程可以做到 EXACTLY ONCE，端到端的 EXACTLY ONCE 需要 source 和 sink 支持。
Savepoint 與 Checkpoint 的區別
作業恢復時，二者均可以使用，主要區別如下：
| Savepoint | Externalized Checkpoint |
|---|---|
| 用戶通過命令觸發，由用戶管理其創建與刪除 | Checkpoint 完成時，在用戶給定的外部持久化存儲保存 |
| 標準化格式存儲，允許作業升級或者配置變更 | 當作業 FAILED（或者CANCELED）時，外部存儲的 Checkpoint 會保留下來 |
| 用戶在恢復時需要提供用於恢復作業狀態的 savepoint 路徑 | 用戶在恢復時需要提供用於恢復的作業狀態的 Checkpoint 路徑 |
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