2.4 Apache Flink Time 与 Window

1. Time

在Flink的流式处理中，会涉及到时间的不同概念，如下图所示：

图 Flink 时间概念

Event Time：是事件创建的时间。它通常由事件中的时间戳描述，例如采集的日志数据中，每一条日志都会记录自己的生成时间，Flink通过时间戳分配器访问事件时间戳。
Ingestion Time：是数据进入Flink的时间。
Processing Time：是每一个执行基于时间操作的算子的本地系统时间，与机器相关，默认的时间属性就是Processing Time。

例如，一条日志进入Flink的时间为2018-11-12 10:00:00.123，到达Window的系统时间为2018-11-12 10:00:01.234，日志的内容如下：
2018-11-02 18:37:15.624 INFO Fail over to rm2

对于业务来说，要统计1min内的故障日志个数，哪个时间是最有意义的？—— eventTime，因为我们要根据日志的生成时间进行统计。

2. Window

2.1 Window 概述

streaming流式计算是一种被设计用于处理无限数据集的数据处理引擎，而无限数据集是指一种不断增长的本质上无限的数据集，而window是一种切割无限数据为有限块进行处理的手段。

Window是无限数据流处理的核心，Window将一个无限的stream拆分成有限大小的”buckets”桶，我们可以在这些桶上做计算操作。

2.2 Window 类型

Window可以分成两类：

CountWindow：按照指定的数据条数生成一个Window，与时间无关。
TimeWindow：按照时间生成Window。

对于TimeWindow 和 CountWindow，可以根据窗口实现原理的不同分成：滚动窗口（Tumbling Window）、滑动窗口（Sliding Window），另外还有会话窗口（Session Window）。

(1) 滚动窗口（Tumbling Windows）

将数据依据固定的窗口长度对数据进行切片。

特点：时间对齐，窗口长度固定，没有重叠。

滚动窗口分配器将每个元素分配到一个指定窗口大小的窗口中，滚动窗口有一个固定的大小，并且不会出现重叠。例如：如果你指定了一个5分钟大小的滚动窗口，窗口的创建如下图所示：

图滚动窗口

适用场景：适合做BI统计等（做每个时间段的聚合计算）。

（2）滑动窗口（Sliding Windows）

滑动窗口是固定窗口的更广义的一种形式，滑动窗口由固定的窗口长度和滑动间隔组成。

特点：时间对齐，窗口长度固定，有重叠。

滑动窗口分配器将元素分配到固定长度的窗口中，与滚动窗口类似，窗口的大小由窗口大小参数来配置，另一个窗口滑动参数控制滑动窗口开始的频率。因此，滑动窗口如果滑动参数小于窗口大小的话，窗口是可以重叠的，在这种情况下元素会被分配到多个窗口中。

例如，你有10分钟的窗口和5分钟的滑动，那么每个窗口中5分钟的窗口里包含着上个10分钟产生的数据，如下图所示：

图滑动窗口

适用场景：对最近一个时间段内的统计（求某接口最近5min的失败率来决定是否要报警）。

（3）会话窗口（Session Windows）

由一系列事件组合一个指定时间长度的timeout间隙组成，类似于web应用的session，也就是一段时间没有接收到新数据就会生成新的窗口。

特点：时间无对齐。

session窗口分配器通过session活动来对元素进行分组，session窗口跟滚动窗口和滑动窗口相比，不会有重叠和固定的开始时间和结束时间的情况，相反，当它在一个固定的时间周期内不再收到元素，即非活动间隔产生，那个这个窗口就会关闭。一个session窗口通过一个session间隔来配置，这个session间隔定义了非活跃周期的长度，当这个非活跃周期产生，那么当前的session将关闭并且后续的元素将被分配到新的session窗口中去。

图会话窗口

3. Window API

3.1 CountWindow

CountWindow根据窗口中相同key元素的数量来触发执行，执行时只计算元素数量达到窗口大小的key对应的结果。

注意：CountWindow的window_size指的是相同Key的元素的个数，不是输入的所有元素的总数。

（1）滚动窗口（Tumbling Windows）

默认的CountWindow是一个滚动窗口，只需要指定窗口大小即可，当元素数量达到窗口大小时，就会触发窗口的执行。

// 获取执行环境
val env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment

// 创建SocketSource
val stream = env.socketTextStream("localhost", 11111)

// 对Stream进行处理并按key聚合
val streamKeyBy = stream.map(item => (item.split(" ")(0), item.split(" ")(1).toLong)).keyBy(0)

// 引入滚动窗口
// 这里的5指的是5个相同key的元素计算一次
val streamWindow = streamKeyBy.countWindow(5)

// 执行聚合操作
val streamReduce = streamWindow.reduce(
  (item1, item2) => (item1._1, item1._2 + item2._2)
)

// 将聚合操作写入文件
streamReduce.print()

// 执行程序
env.execute("TumbingWindow")

（2）滑动窗口（Sliding Windows）

滑动窗口和滚动窗口的函数名是完全一致的，只是在传参数时需要传入两个参数，一个是window_size，一个是sliding_size。

下面代码中的sliding_size设置为了2，也就是说，每收到两个相同key的数据就计算一次，每一次计算的window范围是5个元素。

 // 获取执行环境
val env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment
 
// 创建SocketSource
val stream = env.socketTextStream("localhost", 11111)
 
// 对stream进行处理并按key聚合
val streamKeyBy = stream.map(item => (item.split(" ")(0), item.split(" ")(1).toLong)).keyBy(0)
 
// 引入滚动窗口
// 当相同key的元素个数达到2个时，触发窗口计算，计算的窗口范围为5
val streamWindow = streamKeyBy.countWindow(5,2)
 
// 执行聚合操作
val streamReduce = streamWindow.reduce(
  (item1, item2) => (item1._1, item1._2 + item2._2)
)
 
// 将聚合数据写入文件
streamReduce.print()
 
// 执行程序
env.execute("TumblingWindow")

3.2 TimeWindow

TimeWindow是将指定时间范围内的所有数据组成一个window，一次对一个window里面的所有数据进行计算。

（1）滚动窗口（Tumbling Windows）

Flink默认的时间窗口根据Processing Time 进行窗口的划分，将Flink获取到的数据根据进入Flink的时间划分到不同的窗口中。

// 获取执行环境
val env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment

// 创建SocketSource
val stream = env.socketTextStream("localhost", 11111)

// 对stream进行处理并按key聚合
val streamKeyBy = stream.map(item => (item, 1)).keyBy(0)

// 引入时间窗口
val streamWindow = streamKeyBy.timeWindow(Time.seconds(5))

// 执行聚合操作
val streamReduce = streamWindow.reduce(
  (item1, item2) => (item1._1, item1._2 + item2._2)
)

// 将聚合数据写入文件
streamReduce.print()

// 执行程序
env.execute("TimeWindow")

时间间隔可以通过Time.milliseconds(x)，Time.seconds(x)，Time.minutes(x)等其中的一个来指定。

(2) 滑动窗口（SlidingEventTimeWindows）

滑动窗口和滚动窗口的函数名是完全一致的，只是在传参数时需要传入两个参数，一个是window_size，一个是sliding_size。

下面代码中的sliding_size设置为了2s，也就是说，窗口每2s就计算一次，每一次计算的window范围是5s内的所有元素。

// 获取执行环境
val env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment
 
// 创建SocketSource
val stream = env.socketTextStream("localhost", 11111)
 
// 对stream进行处理并按key聚合
val streamKeyBy = stream.map(item => (item, 1)).keyBy(0)
 
// 引入滚动窗口
val streamWindow = streamKeyBy.timeWindow(Time.seconds(5), Time.seconds(2))
 
// 执行聚合操作
val streamReduce = streamWindow.reduce(
  (item1, item2) => (item1._1, item1._2 + item2._2)
)
 
// 将聚合数据写入文件
streamReduce.print()
 
// 执行程序
env.execute("TumblingWindow")

时间间隔可以通过Time.milliseconds(x)，Time.seconds(x)，Time.minutes(x)等其中的一个来指定。

3.3 Window Reduce

WindowedStream → DataStream：给window赋一个reduce功能的函数，并返回一个聚合的结果。

// 获取执行环境
val env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment
 
// 创建SocketSource
val stream = env.socketTextStream("localhost", 11111)
 
// 对stream进行处理并按key聚合
val streamKeyBy = stream.map(item => (item, 1)).keyBy(0)
 
// 引入时间窗口
val streamWindow = streamKeyBy.timeWindow(Time.seconds(5))
 
// 执行聚合操作
val streamReduce = streamWindow.reduce(
  (item1, item2) => (item1._1, item1._2 + item2._2)
)
 
// 将聚合数据写入文件
streamReduce.print()
 
// 执行程序
env.execute("TumblingWindow")

3.4 Window Fold

WindowedStream → DataStream：给窗口赋一个fold功能的函数，并返回一个fold后的结果。

// 获取执行环境
val env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment
 
// 创建SocketSource
val stream = env.socketTextStream("localhost", 11111,'\n',3)
 
// 对stream进行处理并按key聚合
val streamKeyBy = stream.map(item => (item, 1)).keyBy(0)
 
// 引入滚动窗口
val streamWindow = streamKeyBy.timeWindow(Time.seconds(5))
 
// 执行fold操作
val streamFold = streamWindow.fold(100){
  (begin, item) =>
     begin + item._2
}
 
// 将聚合数据写入文件
streamFold.print()
 
// 执行程序
env.execute("TumblingWindow")

3.5 Aggregation on Window

WindowedStream → DataStream：对一个window内的所有元素做聚合操作。min和 minBy的区别是min返回的是最小值，而minBy返回的是包含最小值字段的元素(同样的原理适用于 max 和 maxBy)。

// 获取执行环境
val env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment
 
// 创建SocketSource
val stream = env.socketTextStream("localhost", 11111)
 
// 对stream进行处理并按key聚合
val streamKeyBy = stream.map(item => (item.split(" ")(0), item.split(" ")(1))).keyBy(0)
 
// 引入滚动窗口
val streamWindow = streamKeyBy.timeWindow(Time.seconds(5))
 
// 执行聚合操作
val streamMax = streamWindow.max(1)
 
// 将聚合数据写入文件
streamMax.print()
 
// 执行程序
env.execute("TumblingWindow")