深入解读 Flink SQL 1.13

2021-09-07 15:50:37

本文由社区志愿者陈政羽整理，Apache Flink 社区在 5 月份发布了 1.13 版本，带来了很多新的变化。文章整理自徐榜江(雪尽) 5 月 22 日在北京的 Flink Meetup 分享的《深入解读 Flink SQL 1.13》，内容包括：

Flink SQL 1.13 概览

核心 feature 解读

重要改进解读

Flink SQL 1.14 未来规划

总结

GitHub 地址
https://github.com/apache/flink
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一、Flink SQL 1.13 概览

Flink 1.13 是一个社区大版本，解决的 issue 在 1000 个以上，通过上图我们可以看到，解决的问题大部分是关于 Table/SQL 模块，一共 400 多个 issue 占了总体的 37% 左右。这些 issue 主要围绕了 5 个 FLIP 展开，在本文中我们也会根据这 5 个方面进行介绍，它们分别是：

下面我们对这些 FLIP 进行详细解读。

二、核心 feature 解读

1. FLIP-145：支持 Window TVF

社区的小伙伴应该了解，在腾讯、阿里巴巴、字节跳动等公司的内部分支已经开发了这个功能的基础版本。这次 Flink 社区也在 Flink 1.13 推出了 TVF 的相关支持和优化。下面将从 Window TVF 语法、近实时累计计算场景、 Window 性能优化、多维数据分析，来分析这个新功能。

1.1 Window TVF 语法

在 1.13 版本前，window 的实现是通过一个特殊的 SqlGroupedWindowFunction：

SELECT 
    TUMBLE_START(bidtime,INTERVAL '10' MINUTE),
  TUMBLE_END(bidtime,INTERVAL '10' MINUTE),
  TUMBLE_ROWTIME(bidtime,INTERVAL '10' MINUTE),
  SUM(price)
FROM MyTable
GROUP BY TUMBLE(bidtime,INTERVAL '10' MINUTE)

在 1.13 版本中，我们对它进行了 Table-Valued Function 的语法标准化：

SELECT WINDOW_start,WINDOW_end,WINDOW_time,SUM(price) 
FROM Table(TUMBLE(Table myTable,DESCRIPTOR(biztime),INTERVAL '10' MINUTE))
GROUP BY WINDOW_start,WINDOW_end

通过对比两种语法，我们可以发现：TVF 语法更加灵活，不需要必须跟在 GROUP BY 关键字后面，同时 Window TVF 基于关系代数，使得其更加标准。在只需要划分窗口场景时，可以只用 TVF，无需用 GROUP BY 做聚合，这使得 TVF 扩展性和表达能力更强，支持自定义 TVF（例如实现 TOP-N 的 TVF）。

上图中的示例就是利用 TVF 做的滚动窗口的划分，只需要把数据划分到窗口，无需聚合；如果后续需要聚合，再进行 GROP BY 即可。同时，对于熟悉批 SQL 的用户来说，这种操作是非常自然的，我们不再需要像 1.13 版本之前那样必须要用特殊的 SqlGroupedWindowFunction 将窗口划分和聚合绑定在一起。

目前 Window TVF 支持 tumble window，hop window，新增了 cumulate window；session window 预计在 1.14 版本也会支持。

1.2 Cumulate Window

Cumulate window 就是累计窗口，简单来说，以上图里面时间轴上的一个区间为窗口步长。

第一个 window 统计的是一个区间的数据；
第二个 window 统计的是第一区间和第二个区间的数据；
第三个 window 统计的是第一区间，第二个区间和第三个区间的数据。

累积计算在业务场景中非常常见，如累积 UV 场景。在 UV 大盘曲线中：我们每隔 10 分钟统计一次当天累积用户 UV。

在 1.13 版本之前，当需要做这种计算时，我们一般的 SQL 写法如下：

INSERT INTO cumulative_UV
SELECT date_str,MAX(time_str),COUNT(DISTINCT user_id) as UV
FROM (
    SELECT
      DATE_FORMAT(ts,'yyyy-MM-dd') as date_str,
      SUBSTR(DATE_FORMAT(ts,'HH:mm'),1,4) || '0' as time_str,
      user_id
  FROM user_behavior
)
GROUP BY date_str

先将每条记录所属的时间窗口字段拼接好，然后再对所有记录按照拼接好的时间窗口字段，通过 GROUP BY 做聚合，从而达到近似累积计算的效果。

1.13 版本前的写法有很多缺点，首先这个聚合操作是每条记录都会计算一次。其次，在追逆数据的时候，消费堆积的数据时，UV 大盘的曲线就会跳变。
在 1.13 版本支持了 TVF 写法，基于 cumulate window，我们可以修改为下面的写法，将每条数据按照 Event Time 精确地分到每个 Window 里面, 每个窗口的计算通过 watermark 触发，即使在追数据场景中也不会跳变。

INSERT INTO cumulative_UV
SELECT WINDOW_end,COUNT(DISTINCT user_id) as UV
FROM Table(
    CUMULATE(Table user_behavior,DESCRIPTOR(ts),INTERVAL '10' MINUTES,INTERVAL '1' DAY))
)
GROUP BY WINDOW_start,WINDOW_end

UV 大盘曲线效果如下图所示：

1.3 Window 性能优化

Flink 1.13 社区开发者们对 Window TVF 进行了一系列的性能优化，包括：

内存优化：通过内存预分配，缓存 window 的数据，通过 window watermark 触发计算，通过申请一些内存 buffer 避免高频的访问 state；
切片优化：将 window 切片，尽可能复用已计算结果，如 hop window，cumulate window。计算过的分片数据无需再次计算，只需对切片的计算结果进行复用；
算子优化：window 算子支持 local-global 优化；同时支持 count(distinct) 自动解热点优化；
迟到数据：支持将迟到数据计算到后续分片，保证数据准确性。

基于这些优化，我们通过开源 Benchmark (Nexmark) 进行性能测试。结果显示 window 的普适性能有 2x 提升，且在 count(distinct) 场景会有更好的性能提升。

1.4 多维数据分析

语法的标准化带来了更多的灵活性和扩展性，用户可以直接在 window 窗口函数上进行多维分析。如下图所示，可以直接进行 GROUPING SETS、ROLLUP、CUBE 的分析计算。如果是在 1.13 之前的版本，我们可能需要对这些分组进行单独的 SQL 聚合，再对聚合结果做 union 操作才能达到类似的效果。而现在，类似这种多维分析的场景，可以直接在 window TVF 上支持。

支持 Window Top-N

除了多维分析，Window TVF 也支持 Top-N 语法，使得在 Window 上取 Top-N 的写法更加简单。

2. FLIP-162：时区和时间函数

2.1 时区问题分析

大家在使用 Flink SQL 时反馈了很多时区相关的问题，造成时区问题的原因可以归纳为 3 个：

PROCTIME() 函数应该考虑时区，但未考虑时区；
CURRENT_TIMESTAMP/CURRENT_TIME/CURRENT_DATE/NOW() 函数未考虑时区；
Flink 的时间属性，只支持定义在 TIMESTAMP 这种数据类型上面，这个类型是无时区的，TIMESTAMP 类型不考虑时区，但用户希望是本地时区的时间。

针对 TIMESTAMP 类型没有考虑时区的问题，我们提议通过TIMESTAMP_LTZ类型支持 (TIMESTAMP_LTZ 是 timestamp with local time zone 的缩写)。可以通过下面的表格来进行和 TIMESTAMP 的对比：

TIMESTAMP_LTZ 区别于之前我们使用的 TIMESTAMP，它表示绝对时间的含义。通过对比我们可以发现：

如果我们配置使用 TIMESTAMP，它可以是字符串类型的。用户不管是从英国还是中国时区来观察，这个值都是一样的；
但是对于 TIMSTAMP_TLZ 来说，它的来源就是一个 Long 值，表示从时间原点流逝过的时间。同一时刻，从时间原点流逝的时间在所有时区都是相同的，所以这个 Long 值是绝对时间的概念。当我们在不同的时区去观察这个值，我们会用本地的时区去解释成 “年-月-日-时-分-秒” 的可读格式，这就是 TIMSTAMP_TLZ 类型，TIMESTAMP_LTZ 类型也更加符合用户在不同时区下的使用习惯。

下面的例子展示了 TIMESTAMP 和 TIMESTAMP_LTZ 两个类型的区别。

2.2 时间函数纠正

订正 PROCTIME() 函数

当我们有了 TIMESTAMP_LTZ 这个类型的时候，我们对 PROCTIME() 类型做了纠正：在 1.13 版本之前，它总是返回 UTC 的 TIMESTAMP；而现在，我们把返回类型变为了 TIMESTAMP_LTZ。PROCTIME 除了表示函数之外，也可以表示时间属性的标记。

订正 CURRENT_TIMESTAMP/CURRENT_TIME/CURRENT_DATE/NOW() 函数

这些函数在不同时区下出来的值是会发生变化的。例如在英国 UTC 时区时候是凌晨 2 点；但是如果你设置了时区是 UTC+8，时间就是在早上的 10 点。不同时区的实际时间会发生变化，效果如下图：

解决 processing time Window 时区问题

大家都知道 proctime 可以表示一个时间属性，对 proctime 的 window 操作：

在 1.13 版本之前，如果我们需要做按天的 window 操作，你需要手动解决时区问题，去做一些 8 小时的偏移然后再减回去；
在 FLIP-162 中我们解决了这个问题，现在用户使用的时候十分简单，只需要声明 proctime 属性，因为 PROCTIME() 函数的返回值是TIMESTAMP_LTZ，所以结果是会考虑本地的时区。下图的例子显示了在不同的时区下，proctime 属性的 window 的聚合是按照本地时区进行的。

订正 Streaming 和 Batch 模式下函数取值方式

时间函数其实在流和批上面的表现形式会有所区别，这次修正主要是让其更加符合用户实际的使用习惯。例如以下函数：

在流模式中是 per-record 计算，即每条数据都计算一次；
在 Batch 模式是 query-start 计算，即在作业开始前计算一次。例如我们常用的一些 Batch 计算引擎，如 Hive 也是在每一个批开始前计算一次。

2.3 时间类型使用

在 1.13 版本也支持了在 TIMESTAMP 列上定义 Event time，也就是说Event time 现在既支持定义在 TIMESTAMP 列上，也支持定义在 TIMESTAMP_ LTZ 列上。那么作为用户，具体什么场景用什么类型呢？

当作业的上游源数据包含了字符串的时间（如：2021-4-15 14:00:00）这样的场景，直接声明为 TIMESTAMP 然后把 Event time 定义在上面即可，窗口在计算的时候会基于时间字符串进行切分，最终会计算出符合你实际想要的预想结果；
当上游数据源的打点时间属于 long 值，表示的是一个绝对时间的含义。在 1.13 版本你可以把 Event time 定义在 TIMESTAMP_LTZ 上面。此时定义在 TIMESTAMP_LTZ 类型上的各种 WINDOW 聚合，都能够自动的解决 8 小时的时区偏移问题，无需按照之前的 SQL 写法额外做时区的修改和订正。

小提示：Flink SQL 中关于时间函数，时区支持的这些提升，是版本不兼容的。用户在进行版本更新的时候需要留意作业逻辑中是否包含此类函数，避免升级后业务受到影响。

2.4 夏令时支持

在 Flink 1.13 以前，对于国外夏令时时区的用户，做窗口相关的计算操作是十分困难的一件事，因为存在夏令时和冬令时切换的跳变。

Flink 1.13 通过支持在 TIMESTAMP_LTZ 列上定义时间属性，同时 Flink SQL 在 WINDOW 处理时巧妙地结合 TIMESTAMP 和 TIMESTAMP_LTZ 类型，优雅地支持了夏令时。这对国外夏令时时区用户，以及有海外业务场景的公司比较有用。

三、重要改进解读

1. FLIP-152：提升 Hive 语法兼容性

FLIP-152 主要是做了 Hive 语法的兼容性增强，支持了 Hive 的一些常用 DML 和 DQL 语法，包括：

通过 Hive dialect 支持 Hive 常用语法。Hive 有很多的内置函数，Hive dialect 需要配合 HiveCatalog 和 Hive Module 一起使用，Hive Module 提供了 Hive 所有内置函数，加载后可以直接访问。

与此同时，我们还可以通过 Hive dialect 创建/删除 Catalog 函数以及一些自定义的函数，这样使得 Flink SQL 与 Hive 的兼容性得到了极大的提升，让熟悉 Hive 的用户使用起来会更加方便。

2. FLIP-163：改进 SQL Client

在 1.13 版本之前，大家觉得 Flink SQL Client 就是周边的一个小工具。但是，FLIP-163 在 1.13 版本进行了重要改进：

通过 -i 的参数，提前把 DDL 一次性加载初始化，方便初始化表的多个 DDL 语句，不需要多次执行命令创建表，替代了之前用 yaml 文件方式创建表；
支持 -f 参数，其中 SQL 文件支持 DML（insert into）语句；
支持更多实用的配置：
- 通过 SET SQL-client.verbose = true , 开启 verbose，通过开启 verbose 打印整个信息，相对以前只输出一句话更加容易追踪错误信息；
- 通过 SET execution.runtime-mode=streaming / batch 支持设置批/流作业模式；
- 通过 SET pipline.name=my_Flink_job 设置作业名称；
- 通过 SET execution.savepoint.path=/tmp/Flink-savepoints/savepoint-bb0dab 设置作业 savepoint 路径；
- 对于有依赖的多个作业，通过 SET Table.dml-sync=true 去选择是否异步执行，例如离线作业，作业 a 跑完才能跑作业 b ，通过设置为 true 实现执行有依赖关系的 pipeline 调度。
同时支持 STATEMENT SET语法：

有可能我们的一个查询不止写到一个 sink 里面，而是需要输出到多个 sink，比如一个 sink 写到 jdbc，一个 sink 写到 HBase。
- 在 1.13 版本之前需要启动 2 个 query 去完成这个作业；
- 在 1.13 版本，我们可以把这些放到一个 statement 里面，以一个作业的方式去执行，能够实现节点的复用，节约资源。

3. FLIP-136：增强 DataStream 和 Table 的转换

虽然 Flink SQL 大大降低了我们使用实时计算的一些使用门槛，但 Table/SQL 这种高级封装也屏蔽了一些底层实现，如 timer，state 等。不少高级用户希望能够直接操作 DataStream 获得更多的灵活性，这就需要在 Table 和 DataStream 之间进行转换。FLIP-136 增强了 Table 和 DataStream 间的转换，使得用户在两者之间的转换更加容易。

支持 DataStream 和 Table 转换时传递 EVENT TIME 和 WATERMARK；

Table Table = TableEnv.fromDataStream(
    dataStream,
  Schema.newBuilder()
  .columnByMetadata("rowtime","TIMESTMP(3)")
  .watermark("rowtime","SOURCE_WATERMARK()")
  .build());
)

支持 Changelog 数据流在 Table 和 DataStream 间相互转换。

//DATASTREAM 转 Table
StreamTableEnvironment.fromChangelogStream(DataStream<ROW>): Table
StreamTableEnvironment.fromChangelogStream(DataStream<ROW>,Schema): Table
//Table 转 DATASTREAM
StreamTableEnvironment.toChangelogStream(Table): DataStream<ROW>
StreamTableEnvironment.toChangelogStream(Table,Schema): DataStream<ROW>

四、Flink SQL 1.14 未来规划

1.14 版本主要有以下几点规划：

删除 Legacy Planner：从 Flink 1.9 开始，在阿里贡献了 Blink-Planner 之后，很多一些新的 Feature 已经基于此 Blink Planner 进行开发，以前旧的 Legacy Planner 会彻底删除；
完善 Window TVF：支持 session window，支持 window TVF 的 allow -lateness 等；
提升 Schema Handling：全链路的 Schema 处理能力以及关键校验的提升；
增强 Flink CDC 支持：增强对上游 CDC 系统的集成能力，Flink SQL 内更多的算子支持 CDC 数据流。

五、总结

本文详细解读了 Flink SQL 1.13 的核心功能和重要改进。

支持 Window TVF；
系统地解决时区和时间函数问题；
提升 Hive 和 Flink 的兼容性；
改进 SQL Client；
增强 DataStream 和 Table 的转换。

同时还分享了社区关于 Flink SQL 1.14 的未来规划，相信看完文章的同学可以对 Flink SQL 在这个版本中的变化有更多的了解，在实践过程中大家可以多多关注这些新的改动和变化，感受它们所带来的业务层面上的便捷。

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