FLIink 1.11 SQL 构建一个端到端的流式应用

最终效果图片

环境准备

创建一个目录,并切换到改目录

[root@bigdata1 ~]# mkdir -p /opt/module/flink-sql/
[root@bigdata1 ~]# cd /opt/module/flink-sql/

从githup上下载 docker-compose.yml 文件到次目录  https://github.com/wuchong/flink-sql-demo/blob/v1.11-EN/docker-compose.yml

该 Docker Compose 中包含的容器有：

• Flink SQL Client: 用于提交 Flink SQL
• Flink集群: 包含一个 JobManager 和 一个 TaskManager 用于运行 SQL 任务。
• DataGen: 数据生成器。容器启动后会自动开始生成用户行为数据，并发送到 Kafka 集群中。默认每秒生成 2000 条数据，能持续生成一个多小时。也可以更改 docker-compose.yml 中 datagen 的 speedup 参数来调整生成速率（重启 docker compose 才能生效）。
• MySQL: 集成了 MySQL 5.7 ，以及预先创建好了类目表（category），预先填入了子类目与顶级类目的映射关系，后续作为维表使用。
• Kafka: 主要用作数据源。DataGen 组件会自动将数据灌入这个容器中。
• Zookeeper: Kafka 容器依赖。
• Elasticsearch: 主要存储 Flink SQL 产出的数据。
• Kibana: 可视化 Elasticsearch 中的数据。

安装Docker Compose

运行以下命令以下载Docker Compose的当前稳定版本：

[root@bigdata1 ~]# sudo curl -L "https://github.com/docker/compose/releases/download/1.27.4/docker-compose-$(uname -s)-$(uname -m)" -o /usr/local/bin/docker-compose

将可执行权限应用于二进制文件：

[root@bigdata1 ~]# sudo chmod +x /usr/local/bin/docker-compose

测试安装

[root@bigdata1 ~]# docker-compose  --version
[81516] Cannot open self /usr/local/bin/docker-compose or archive /usr/local/bin/docker-compose.pkg

切换到 /usr/local/bin/目录下查看docker-compose文件，发现只有1.8M

[root@bigdata1 ~]# cd /usr/local/bin/
[root@bigdata1 bin]# ll
总用量 1752
-rwxr-xr-x. 1 root root 1792577 10月 21 01:29 docker-compose
[root@bigdata1 bin]# du -sh docker-compose 
1.8M    docker-compose

估计是因为wget下载是网络不好，没有完整下载，此时需要去github上手动下载文件  https://github.com/docker/compose/releases

 将文件上传到/usr/local/bin/ 目录下，重命名为docker-compose，修改文件权限：

[root@bigdata1 ~]# cd /usr/local/bin/
[root@bigdata1 bin]# mv docker-compose-Linux-x86_64 docker-compose
mv：是否覆盖"docker-compose"？ y

[root@bigdata1 ~]# sudo chmod +x /usr/local/bin/docker-compose

测试安装

[root@bigdata1 ~]# docker-compose --version
docker-compose version 1.25.0-rc4, build 8f3c9c58

githup上的居然是1.25.0版本的，不是最新的fuck

启动docker

[root@bigdata1 ~]# sudo systemctl start docker

切换到/opt/module/flink-sql/ 启动容器docker-compose

[root@bigdata1 ~]# cd /opt/module/flink-sql/
[root@bigdata1 flink-sql]# docker-compose up -d
Creating network "flink-sql_default" with the default driver
Pulling jobmanager (flink:1.11.0-scala_2.11)...

docker ps 查看五个容器是否正常启动

[root@bigdata1 flink-sql]# docker ps
CONTAINER ID        IMAGE                                                 COMMAND                  CREATED             STATUS              PORTS                                                NAMES
c2fc3162f707        jark/demo-sql-client:0.2                              "/docker-entrypoint.…"   12 seconds ago      Up 10 seconds       6123/tcp, 8081/tcp                                   flink-sql_sql-client_1
f3c79ec39173        jark/datagen:0.2                                      "/usr/local/bin/mvn-…"   12 seconds ago      Up 11 seconds                                                            flink-sql_datagen_1
1ca8862da311        wurstmeister/kafka:2.12-2.2.1                         "start-kafka.sh"         13 seconds ago      Up 11 seconds       0.0.0.0:9092->9092/tcp, 0.0.0.0:9094->9094/tcp       flink-sql_kafka_1
648381b17e15        flink:1.11.0-scala_2.11                               "/docker-entrypoint.…"   13 seconds ago      Up 12 seconds       6123/tcp, 8081/tcp                                   flink-sql_taskmanager_1
bfdff79acdaa        wurstmeister/zookeeper:3.4.6                          "/bin/sh -c '/usr/sb…"   14 seconds ago      Up 12 seconds       22/tcp, 2888/tcp, 3888/tcp, 0.0.0.0:2181->2181/tcp   flink-sql_zookeeper_1
5cca44730188        docker.elastic.co/elasticsearch/elasticsearch:7.6.0   "/usr/local/bin/dock…"   14 seconds ago      Up 12 seconds       0.0.0.0:9200->9200/tcp, 0.0.0.0:9300->9300/tcp       flink-sql_elasticsearch_1
1abf608ff0ed        flink:1.11.0-scala_2.11                               "/docker-entrypoint.…"   14 seconds ago      Up 12 seconds       6123/tcp, 0.0.0.0:8081->8081/tcp                     flink-sql_jobmanager_1
28ae43f07570        docker.elastic.co/kibana/kibana:7.6.0                 "/usr/local/bin/dumb…"   14 seconds ago      Up 12 seconds       0.0.0.0:5601->5601/tcp                               flink-sql_kibana_1
7349b947aab9        jark/mysql-example:0.2                                "docker-entrypoint.s…"   14 seconds ago      Up 13 seconds       0.0.0.0:3306->3306/tcp, 33060/tcp                    flink-sql_mysql_1

访问 http://localhost:5601/ 来查看 Kibana 是否运行正常。

 另外可以通过如下命令停止所有的容器：

[root@bigdata1 flink-sql]# docker-compose down

进入 SQL CLI 客户端

[root@bigdata1 flink-sql]# docker-compose exec sql-client ./sql-client.sh

使用 DDL 创建 Kafka 表

Datagen 容器在启动后会往 Kafka 的 user_behavior topic 中持续不断地写入数据。数据包含了2017年11月27日一天的用户行为（行为包括点击、购买、加购、喜欢），每一行表示一条用户行为，以 JSON 的格式由用户ID、商品ID、商品类目ID、行为类型和时间组成。该原始数据集来自阿里云天池公开数据集，特此鸣谢。

我们可以在 docker-compose.yml 所在目录下运行如下命令，查看 Kafka 集群中生成的前5条数据。

[root@bigdata1 flink-sql]# docker-compose exec kafka bash -c 'kafka-console-consumer.sh --topic user_behavior --bootstrap-server kafka:9094 --from-beginning --max-messages 5'
{"user_id": "952483", "item_id":"310884", "category_id": "4580532", "behavior": "pv", "ts": "2017-11-27 00:00:00"}
{"user_id": "794777", "item_id":"5119439", "category_id": "982926", "behavior": "pv", "ts": "2017-11-27 00:00:00"}
{"user_id": "875914", "item_id":"4484065", "category_id": "1320293", "behavior": "pv", "ts": "2017-11-27 00:00:00"}
{"user_id": "980877", "item_id":"5097906", "category_id": "149192", "behavior": "pv", "ts": "2017-11-27 00:00:00"}
{"user_id": "944074", "item_id":"2348702", "category_id": "3002561", "behavior": "pv", "ts": "2017-11-27 00:00:00"}
Processed a total of 5 messages

有了数据源后，我们就可以用 DDL 去创建并连接这个 Kafka 中的 topic 了。在 Flink SQL CLI 中执行该 DDL。

CREATE TABLE user_behavior (
    user_id BIGINT,
    item_id BIGINT,
    category_id BIGINT,
    behavior STRING,
    ts TIMESTAMP(3),
    proctime AS PROCTIME(),   -- generates processing-time attribute using computed column
    WATERMARK FOR ts AS ts - INTERVAL '5' SECOND  -- defines watermark on ts column, marks ts as event-time attribute
) WITH (
    'connector' = 'kafka',  -- using kafka connector
    'topic' = 'user_behavior',  -- kafka topic
    'scan.startup.mode' = 'earliest-offset',  -- reading from the beginning
    'properties.bootstrap.servers' = 'kafka:9094',  -- kafka broker address
    'format' = 'json'  -- the data format is json
);

如上我们按照数据的格式声明了 5 个字段，除此之外，我们还通过计算列语法和 PROCTIME() 内置函数声明了一个产生处理时间的虚拟列。我们还通过 WATERMARK 语法，在 ts 字段上声明了 watermark 策略（容忍5秒乱序）， ts 字段因此也成了事件时间列。关于时间属性以及 DDL 语法可以阅读官方文档了解更多：

• 时间属性： https://ci.apache.org/projects/flink/flink-docs-release-1.11/dev/table/streaming/time_attributes.html
• DDL： https://ci.apache.org/projects/flink/flink-docs-release-1.11/dev/table/sql/create.html#create-table

在 SQL CLI 中成功创建 Kafka 表后，可以通过 show tables; 和 describe user_behavior; 来查看目前已注册的表，以及表的详细信息。我们也可以直接在 SQL CLI 中运行 SELECT * FROM user_behavior; 预览下数据（按q退出）。

接下来，我们会通过三个实战场景来更深入地了解 Flink SQL 。

统计每小时的成交量

使用 DDL 创建 Elasticsearch 表

我们先在 SQL CLI 中创建一个 ES 结果表，根据场景需求主要需要保存两个数据：小时、成交量。

CREATE TABLE buy_cnt_per_hour (
    hour_of_day BIGINT,
    buy_cnt BIGINT
) WITH (
    'connector' = 'elasticsearch-7', -- using elasticsearch connector
    'hosts' = 'http://elasticsearch:9200',  -- elasticsearch address
    'index' = 'buy_cnt_per_hour'  -- elasticsearch index name, similar to database table name
);

我们不需要在 Elasticsearch 中事先创建 buy_cnt_per_hour 索引，Flink Job 会自动创建该索引。

提交 Query

统计每小时的成交量就是每小时共有多少 "buy" 的用户行为。因此会需要用到 TUMBLE 窗口函数，按照一小时切窗。然后每个窗口分别统计 "buy" 的个数，这可以通过先过滤出 "buy" 的数据，然后 COUNT(*) 实现。

INSERT INTO buy_cnt_per_hour
SELECT HOUR(TUMBLE_START(ts, INTERVAL '1' HOUR)), COUNT(*)
FROM user_behavior
WHERE behavior = 'buy'
GROUP BY TUMBLE(ts, INTERVAL '1' HOUR);

这里我们使用 HOUR 内置函数，从一个 TIMESTAMP 列中提取出一天中第几个小时的值。使用了 INSERT INTO将 query 的结果持续不断地插入到上文定义的 es 结果表中
（可以将 es 结果表理解成 query 的物化视图）。
另外可以阅读该文档了解更多关于窗口聚合的内容：https://ci.apache.org/projects/flink/flink-docs-release-1.11/dev/table/sql/queries.html#group-windows

 在 Flink SQL CLI 中运行上述查询后，在 Flink Web UI 中就能看到提交的任务，该任务是一个流式任务，因此会一直运行。

 可以看到凌晨是一天中成交量的低谷。

使用 Kibana 可视化结果

我们已经通过 Docker Compose 启动了 Kibana 容器，可以通过 http://localhost:5601 访问 Kibana。首先我们需要先配置一个 index pattern。点击左侧工具栏的 "Management"，就能找到 "Index Patterns"。点击 "Create Index Pattern"，然后通过输入完整的索引名 "buy_cnt_per_hour" 创建 index pattern。创建完成后， Kibana 就知道了我们的索引，我们就可以开始探索数据了。

先点击左侧工具栏的"Discovery"按钮，Kibana 就会列出刚刚创建的索引中的内容。

  接下来，我们先创建一个 Dashboard 用来展示各个可视化的视图。点击页面左侧的"Dashboard"，创建一个名为 ”用户行为日志分析“ 的Dashboard。然后点击 "Create New" 创建一个新的视图，选择 "Area" 面积图，选择 "buy_cnt_per_hour" 索引，按照如下截图中的配置（左侧）画出成交量面积图，并保存为”每小时成交量“。

统计一天每10分钟累计独立用户数

另一个有意思的可视化是统计一天中每一刻的累计独立用户数（uv），也就是每一刻的 uv 数都代表从0点到当前时刻为止的总计 uv 数，因此该曲线肯定是单调递增的。

我们仍然先在 SQL CLI 中创建一个 Elasticsearch 表，用于存储结果汇总数据。主要字段有：日期时间和累积 uv 数。我们将日期时间作为 Elasticsearch 中的 document id，便于更新该日期时间的 uv 值。

CREATE TABLE cumulative_uv (
    date_str STRING,
    time_str STRING,
    uv BIGINT,
    PRIMARY KEY (date_str, time_str) NOT ENFORCED
) WITH (
    'connector' = 'elasticsearch-7',
    'hosts' = 'http://elasticsearch:9200',
    'index' = 'cumulative_uv'
);

为了实现该曲线，我们先抽取出日期和时间字段，我们使用 DATE_FORMAT 抽取出基本的日期与时间，再用 SUBSTR 和 字符串连接函数 || 将时间修正到10分钟级别，如: 12:10, 12:20。其次，我们在外层查询上基于日期分组，求当前最大的时间，和 UV，写入到 Elasticsearch 的索引中。UV 的统计我们通过内置的 COUNT(DISTINCT user_id)来完成，Flink SQL 内部对 COUNT DISTINCT 做了非常多的优化，因此可以放心使用。

这里之所以需要求最大的时间，同时又按日期+时间作为主键写入到 Elasticsearch，是因为我们在计算累积 UV 数。

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;

提交上述查询后，在 Kibana 中创建 cumulative_uv 的 index pattern，然后在 Dashboard 中创建一个"Line"折线图，选择 cumulative_uv 索引，按照如下截图中的配置（左侧）画出累计独立用户数曲线，并保存。 

顶级类目排行榜

最后一个有意思的可视化是类目排行榜，从而了解哪些类目是支柱类目。不过由于源数据中的类目分类太细（约5000个类目），对于排行榜意义不大，因此我们希望能将其归约到顶级类目。所以笔者在 mysql 容器中预先准备了子类目与顶级类目的映射数据，用作维表。

在 SQL CLI 中创建 MySQL 表，后续用作维表查询。

CREATE TABLE category_dim (
    sub_category_id BIGINT,
    parent_category_name STRING
) WITH (
    'connector' = 'jdbc',
    'url' = 'jdbc:mysql://mysql:3306/flink',
    'table-name' = 'category',
    'username' = 'root',
    'password' = '123456',
    'lookup.cache.max-rows' = '5000',
    'lookup.cache.ttl' = '10min'
);

同时我们再创建一个 Elasticsearch 表，用于存储类目统计结果。

CREATE TABLE top_category (
    category_name STRING PRIMARY KEY NOT ENFORCED,
    buy_cnt BIGINT
) WITH (
    'connector' = 'elasticsearch-7',
    'hosts' = 'http://elasticsearch:9200',
    'index' = 'top_category'
);

第一步我们通过维表关联，补全类目名称。我们仍然使用 CREATE VIEW 将该查询注册成一个视图，简化逻辑。维表关联使用 temporal join 语法，
可以查看文档了解更多：https://ci.apache.org/projects/flink/flink-docs-release-1.11/dev/table/streaming/joins.html#join-with-a-temporal-tabl

CREATE VIEW rich_user_behavior AS
SELECT U.user_id, U.item_id, U.behavior, C.parent_category_name as category_name
FROM user_behavior AS U LEFT JOIN category_dim FOR SYSTEM_TIME AS OF U.proctime AS C
ON U.category_id = C.sub_category_id;

最后根据 类目名称分组，统计出 buy 的事件数，并写入 Elasticsearch 中。

INSERT INTO top_category
SELECT category_name, COUNT(*) buy_cnt
FROM rich_user_behavior
WHERE behavior = 'buy'
GROUP BY category_name;

提交上述查询后，在 Kibana 中创建 top_category 的 index pattern，然后在 Dashboard 中创建一个"Horizontal Bar"条形图，
选择 top_category 索引，按照如下截图中的配置（左侧）画出类目排行榜，并保存。

可以看到服饰鞋包的成交量远远领先其他类目。

Kibana 还提供了非常丰富的图形和可视化选项，感兴趣的用户可以用 Flink SQL 对数据进行更多维度的分析，并使用 Kibana 展示出可视化图，并观测图形数据的实时变化。

结尾

在本文中，我们展示了如何使用 Flink SQL 集成 Kafka, MySQL, Elasticsearch 以及 Kibana 来快速搭建一个实时分析应用。整个过程无需一行 Java/Scala 代码，使用 SQL 纯文本即可完成。期望通过本文，可以让读者了解到 Flink SQL 的易用和强大，包括轻松连接各种外部系统、对事件时间和乱序数据处理的原生支持、维表关联、丰富的内置函数等等。希望你能喜欢我们的实战演练，并从中获得乐趣和知识！

本文章转自：https://github.com/wuchong/flink-sql-demo#%E5%87%86%E5%A4%87