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第07章 流处理框架

流处理框架

📚 章节概述

本章将深入讲解流处理框架,包括Apache Beam、Apache Flink等。通过本章学习,你将能够设计和实现流处理应用。

🎯 学习目标

完成本章后,你将能够:

  1. 理解流处理的核心概念
  2. 掌握Apache Beam的使用
  3. 了解Apache Flink的高级特性
  4. 掌握流处理模式
  5. 能够设计和实现流处理应用

7.1 流处理概述

7.1.1 什么是流处理

流处理是对无界数据流进行实时处理和分析的技术。

流处理特点

  1. 无界数据
  2. 数据持续产生
  3. 无固定大小
  4. 需要窗口机制

  5. 实时处理

  6. 低延迟处理
  7. 实时反馈
  8. 快速决策

  9. 状态管理

  10. 状态维护
  11. 窗口操作
  12. 会话管理

7.1.2 流处理vs 批处理

特性 流处理 批处理
延迟 毫秒级 分钟/小时级
数据 无界 有界
处理 逐条 批量
成本
复杂度

7.2 Apache Beam

7.2.1 Beam概述

Apache Beam是统一的数据处理编程模型,支持批处理和流处理。

核心概念

  1. PCollection
  2. 数据集合
  3. 惰性/无界
  4. 分布式

  5. Transform

  6. 数据转换
  7. 映射、过滤、聚合
  8. 组合操作

  9. IO

  10. 数据源
  11. 数据汇
  12. 格式转换

7.2.2 Beam使用

Python
import apache_beam as beam
from apache_beam.options.pipeline_options import PipelineOptions

# 定义Pipeline
with beam.Pipeline(options=PipelineOptions()) as p:
    # 读取数据
    sales = p | 'ReadFromText' >> beam.io.ReadFromText('sales.csv')

    # Beam管道语法:| 连接处理步骤,>> 命名步骤;每个lambda接收上一步输出(x依次为字符串→列表→字典→元组)
    # 解析数据
    parsed = sales | 'ParseCsv' >> beam.Map(lambda x: x.split(','))  # lambda匿名函数:简洁的单行函数

    # 转换数据
    transformed = parsed | 'Transform' >> beam.Map(lambda x: {
        'product_id': int(x[0]),
        'quantity': int(x[1]),
        'amount': float(x[2])
    })

    # 过滤数据
    filtered = transformed | 'Filter' >> beam.Filter(lambda x: x['amount'] > 100)

    # 聚合数据
    aggregated = (filtered
        | 'PairWithKey' >> beam.Map(lambda x: (x['product_id'], x['amount']))
        | 'Aggregate' >> beam.CombinePerKey(sum)
    )

    # 写入数据
    aggregated | 'WriteToText' >> beam.io.WriteToText('output.txt')

7.3.1 Flink概述

Apache Flink是分布式流处理引擎,支持有界和无界数据流。

核心特性

  1. 流批一体
  2. 统一API
  3. 相同语义
  4. 流批切换

  5. 状态管理

  6. Keyed State
  7. 窗口状态
  8. Checkpoint

  9. 时间语义

  10. Event Time
  11. Processing Time
  12. Watermark

7.3.2 Flink使用

Python
from pyflink.datastream import StreamExecutionEnvironment
from pyflink.table import StreamTableEnvironment, EnvironmentSettings, DataTypes
from pyflink.table.schema import Schema
from pyflink.common.types import Row
from pyflink.datastream.functions import MapFunction

# 创建执行环境
env = StreamExecutionEnvironment.get_execution_environment()
t_env = StreamTableEnvironment.create(env)

# 定义数据源
sales = env.from_collection([
    (1, 'product1', 10, 100.0),
    (2, 'product2', 20, 200.0),
    (3, 'product1', 15, 150.0)
])

# 定义转换函数
class SalesMapper(MapFunction):
    def map(self, value):
        product_id, product_name, quantity, amount = value
        return Row(product_id, product_name, quantity, amount, quantity * amount)

# 应用转换
mapped_sales = sales.map(SalesMapper())

# 转换为Table并注册
sales_table = t_env.from_data_stream(mapped_sales).alias(
    'product_id', 'product_name', 'quantity', 'amount', 'total_amount'
)
t_env.create_temporary_view('sales_view', sales_table)

# 执行查询
result = t_env.sql_query("""
    SELECT
        product_id,
        product_name,
        SUM(quantity) as total_quantity,
        SUM(amount) as total_amount,
        SUM(total_amount) as total_revenue
    FROM sales_view
    GROUP BY product_id, product_name
""")

# 输出结果
result.execute().print()

7.4 练习题

基础题

  1. 选择题
  2. 流处理的核心特点不包括什么?

    • A. 无界数据
    • B. 实时处理
    • C. 高成本
    • D. 状态管理
  3. 简答题

  4. 解释流处理vs 批处理的区别。
  5. 说明Apache Beam的核心概念。

进阶题

  1. 实践题
  2. 使用Beam实现数据处理。
  3. 使用Flink实现流处理。
  4. 实现窗口聚合。

  5. 设计题

  6. 设计一个流处理架构。
  7. 设计一个实时分析系统。

答案

1. 选择题答案

  1. C(流处理的核心特点不包括高成本)

2. 简答题答案

流处理vs 批处理的区别: - 流处理:无界数据、实时处理、高成本 - 批处理:有界数据、批量处理、低成本

Apache Beam的核心概念: - PCollection、Transform、IO

3. 实践题答案

参见7.2-7.3节的示例。

4. 设计题答案

参见7.1-7.3节的架构设计。

7.5 面试准备

大厂面试题

字节跳动

  1. 解释流处理的核心概念。
  2. Beam和Flink的区别是什么?
  3. 如何设计流处理应用?
  4. 如何优化流处理性能?

腾讯

  1. 流处理的窗口类型有哪些?
  2. 如何实现状态管理?
  3. 如何处理流处理中的延迟?
  4. 如何设计流处理的容错?

阿里云

  1. 流处理的最佳实践是什么?
  2. 如何设计流处理的扩展性?
  3. 如何处理流处理的数据质量?
  4. 如何设计流处理的监控?

📚 参考资料

🎯 本章小结

本章深入讲解了流处理框架,包括:

  1. 流处理的核心概念
  2. Apache Beam的使用
  3. Apache Flink的高级特性
  4. 流处理模式

通过本章学习,你掌握了流处理的核心技术,能够设计和实现流处理应用。下一章将深入学习数据质量。