Flink计算pv和uv的通用方法

PV(访问量)：即Page View, 即页面浏览量或点击量，用户每次刷新即被计算一次。

UV(独立访客)：即Unique Visitor,访问您网站的一台电脑客户端为一个访客。00:00-24:00内相同的客户端只被计算一次。

计算网站App的实时pv和uv，是很常见的统计需求，这里提供通用的计算方法，不同的业务需求只需要小改即可拿来即用。

需求

利用Flink实时统计，从0点到当前的pv、uv。

一、需求分析

从Kafka发送过来的数据含有：时间戳、时间、维度、用户id，需要从不同维度统计从0点到当前时间的pv和uv，第二天0点重新开始计数第二天的。

二、技术方案

• Kafka数据可能会有延迟乱序，这里引入watermark；
• 通过keyBy分流进不同的滚动window，每个窗口内计算pv、uv；
• 由于需要保存一天的状态，process里面使用ValueState保存pv、uv；
• 使用BitMap类型ValueState，占内存很小，引入支持bitmap的依赖；
• 保存状态需要设置ttl过期时间，第二天把第一天的过期，避免内存占用过大。

三、数据准备

这里假设是用户订单数据，数据格式如下：

{"time":"2021-10-31 22:00:01","timestamp":"1635228001","product":"苹果手机","uid":255420}
{"time":"2021-10-31 22:00:02","timestamp":"1635228001","product":"MacBook Pro","uid":255421}

四、代码实现

整个工程代码截图如下（抹去了一些不方便公开的信息）：

1. 环境

kafka：1.0.0；

Flink：1.11.0；

2. 发送测试数据

首先发送数据到kafka测试集群，maven依赖：

<dependency>
    <groupId>org.apache.kafka</groupId>
    <artifactId>kafka-clients</artifactId>
    <version>2.4.1</version>
</dependency>

发送代码：

import com.alibaba.fastjson.JSON;
import com.alibaba.fastjson.JSONObject;
import jodd.util.ThreadUtil;
import org.apache.commons.lang3.StringUtils;
import org.junit.Test;

import java.io.*;

public class SendDataToKafka {

    @Test
    public void sendData() throws IOException {
        String inpath = "E:\我的文件\click.txt";
        String topic = "click_test";
        int cnt = 0;
        String line;
        InputStream inputStream = new FileInputStream(inpath);
        Reader reader = new InputStreamReader(inputStream);
        LineNumberReader lnr = new LineNumberReader(reader);
        while ((line = lnr.readLine()) != null) {
            // 这里的KafkaUtil是个生产者、消费者工具类，可以自行实现
            KafkaUtil.sendDataToKafka(topic, String.valueOf(cnt), line);
            cnt = cnt + 1;
            ThreadUtil.sleep(100);
        }
    }
}

3. 主要程序

先定义个pojo：

@NoArgsConstructor
@AllArgsConstructor
@Data
@ToString
public class UserClickModel {
    private String date;
    private String product;
    private int uid;
    private int pv;
    private int uv;
}

接着就是使用Flink消费kafka，指定Watermark，通过KeyBy分流，进入滚动窗口函数通过状态保存pv和uv。

public class UserClickMain {

    private static final Map<String, String> config = Configuration.initConfig("commons.xml");

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        // 初始化环境，配置相关属性
        StreamExecutionEnvironment senv = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        senv.setStreamTimeCharacteristic(TimeCharacteristic.EventTime);
        senv.enableCheckpointing(5000, CheckpointingMode.EXACTLY_ONCE);
        senv.setStateBackend(new FsStateBackend("hdfs://bigdata/flink/checkpoints/userClick"));

        // 读取kafka
        Properties kafkaProps = new Properties();
        kafkaProps.setProperty("bootstrap.servers", config.get("kafka-ipport"));
        kafkaProps.setProperty("group.id", config.get("kafka-groupid"));
        // kafkaProps.setProperty("auto.offset.reset", "earliest");

        // watrmark 允许数据延迟时间
        long maxOutOfOrderness = 5 * 1000L;
        SingleOutputStreamOperator<UserClickModel> dataStream = senv.addSource(
                new FlinkKafkaConsumer<>(
                        config.get("kafka-topic"),
                        new SimpleStringSchema(),
                        kafkaProps
                ))
                //设置watermark
                .assignTimestampsAndWatermarks(WatermarkStrategy.<String>forBoundedOutOfOrderness(Duration.ofMillis(maxOutOfOrderness))
                        .withTimestampAssigner((element, recordTimestamp) -> {
                            // 时间戳须为毫秒
                            return Long.valueOf(JSON.parseObject(element).getString("timestamp")) * 1000;
                        })).map(new FCClickMapFunction()).returns(TypeInformation.of(new TypeHint<UserClickModel>() {
                }));

        // 按照 (date, product) 分组
        dataStream.keyBy(new KeySelector<UserClickModel, Tuple2<String, String>>() {
            @Override
            public Tuple2<String, String> getKey(UserClickModel value) throws Exception {
                return Tuple2.of(value.getDate(), value.getProduct());
            }
        })
                // 一天为窗口，指定时间起点比时间戳时间早8个小时
                .window(TumblingEventTimeWindows.of(Time.days(1), Time.hours(-8)))
                // 10s触发一次计算，更新统计结果
                .trigger(ContinuousEventTimeTrigger.of(Time.seconds(10)))
                // 计算pv uv
                .process(new MyProcessWindowFunctionBitMap())
                // 保存结果到mysql
                .addSink(new FCClickSinkFunction());

        senv.execute(UserClickMain.class.getSimpleName());
    }
}

代码都是一些常规代码，但是还是有几点需要注意的。

注意

1. 设置watermark，flink1.11中使用WatermarkStrategy，老的已经废弃了；
2. 我的数据里面时间戳是秒，需要乘以1000，flink提取时间字段，必须为毫秒；
3. .window只传入一个参数，表明是滚动窗口，TumblingEventTimeWindows.of(Time.days(1), Time.hours(-8))这里指定了窗口的大小为一天，由于中国北京时间是东8区，比国际时间早8个小时，需要引入offset，可以自行进入该方法源码查看英文注释。

Rather than that,if you are living in somewhere which is not using UTC±00:00 time,
* such as China which is using UTC+08:00,and you want a time window with size of one day,
* and window begins at every 00:00:00 of local time,you may use {@code of(Time.days(1),Time.hours(-8))}.
* The parameter of offset is {@code Time.hours(-8))} since UTC+08:00 is 8 hours earlier than UTC time.

4. 一天大小的窗口，根据watermark机制一天触发计算一次，显然是不合理的，需要用trigger函数指定触发间隔为10s一次，这样我们的pv和uv就是10s更新一次结果。

4. 关键代码，计算uv

由于这里用户id刚好是数字，可以使用bitmap去重，简单原理是：把 user_id 作为 bit 的偏移量 offset，设置为 1 表示有访问，使用 1 MB的空间就可以存放 800 多万用户的一天访问计数情况。

redis是自带bit数据结构的，不过为了尽量少依赖外部存储媒介，这里自己实现bit，引入相应maven依赖即可：

<dependency>
    <groupId>org.roaringbitmap</groupId>
    <artifactId>RoaringBitmap</artifactId>
    <version>0.8.0</version>
</dependency>

计算pv、uv的代码其实都是通用的，可以根据自己的实际业务情况快速修改的：

public class MyProcessWindowFunctionBitMap extends ProcessWindowFunction<UserClickModel, UserClickModel, Tuple<String, String>, TimeWindow> {

    private transient ValueState<Integer> pvState;
    private transient ValueState<Roaring64NavigableMap> bitMapState;

    @Override
    public void open(Configuration parameters) throws Exception {
        super.open(parameters);
        ValueStateDescriptor<Integer> pvStateDescriptor = new ValueStateDescriptor<>("pv", Integer.class);
        ValueStateDescriptor<Roaring64NavigableMap> bitMapStateDescriptor = new ValueStateDescriptor("bitMap"
                , TypeInformation.of(new TypeHint<Roaring64NavigableMap>() {}));

        // 过期状态清除
        StateTtlConfig stateTtlConfig = StateTtlConfig
                .newBuilder(Time.days(1))
                .setUpdateType(StateTtlConfig.UpdateType.OnCreateAndWrite)
                .setStateVisibility(StateTtlConfig.StateVisibility.NeverReturnExpired)
                .build();
        // 开启ttl
        pvStateDescriptor.enableTimeToLive(stateTtlConfig);
        bitMapStateDescriptor.enableTimeToLive(stateTtlConfig);

        pvState = this.getRuntimeContext().getState(pvStateDescriptor);
        bitMapState = this.getRuntimeContext().getState(bitMapStateDescriptor);
    }

    @Override
    public void process(Tuple2<String, String> key, Context context, Iterable<UserClickModel> elements, Collector<UserClickModel> out) throws Exception {

        // 当前状态的pv uv
        Integer pv = pvState.value();
        Roaring64NavigableMap bitMap = bitMapState.value();
        if(bitMap == null){
            bitMap = new Roaring64NavigableMap();
            pv = 0;
        }

        Iterator<UserClickModel> iterator = elements.iterator();
        while (iterator.hasNext()){
            pv = pv + 1;
            int uid = iterator.next().getUid();
            //如果userId可以转成long
            bitMap.add(uid);
        }

        // 更新pv
        pvState.update(pv);

        UserClickModel UserClickModel = new UserClickModel();
        UserClickModel.setDate(key.f0);
        UserClickModel.setProduct(key.f1);
        UserClickModel.setPv(pv);
        UserClickModel.setUv(bitMap.getIntCardinality());

        out.collect(UserClickModel);
    }
}

注意

1. 由于计算uv第二天的时候，就不需要第一天数据了，要及时清理内存中前一天的状态，通过ttl机制过期；
2. 最终结果保存到mysql里面，如果数据结果分类聚合太多，要注意mysql压力，这块可以自行优化；

五、其它方法

除了使用bitmap去重外，还可以使用Flink SQL,编码更简洁，还可以借助外面的媒介Redis去重：

1. 基于 set
2. 基于 bit
3. 基于 HyperLogLog
4. 基于bloomfilter

具体思路是，计算pv、uv都塞入redis里面，然后再获取值保存统计结果，也是比较常用的。

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