Flink处理函数实战之一：深入了解ProcessFunction的状态(Flink-1.10)

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关于ProcessFunction状态的疑惑

• 学习Flink的ProcessFunction过程中，官方文档中涉及状态处理的时候，不止一次提到只适用于keyed stream的元素，如下图红框所示：
  
• 之前写过一些flink应用，keyed stream常用但不是必须用的，所以产生了疑问：

1. 为何只有keyed stream的元素能读写状态？
2. 每个key对应的状态是如何操作的？

Flink的"状态"

• 先去回顾Flink"状态"的知识点：

1. 官方文档说就两种状态：keyed state和operator state：
   
2. 如上图，keyed stream的元素是具有key的特征，与ProcessFunction的操作状态时要求匹配，其他steam的元素由于没有key的特征，所以也就没有状态一说了；
3. 另一种状态是Operator State，如下图，这是和多并行度计算时的算子实例绑定的，例如当前算子消费kafka的某个分区的最新offset，而ProcessFunction是用来处理stream元素的，不会涉及到Operator State：
   

官方demo

• 为了学习ProcessFunction就去看官方demo，地址是：https://ci.apache.org/projects/flink/flink-docs-release-1.10/dev/stream/operators/process_function.html ，简单说说这个demo的功能：

1. 数据源在不间断的产生单词，每个单词对应一个Tuple2<String,String>的实例；
2. 数据源被keyBy方法转成KeyedStream，key是Tuple2实例的f0字段；
3. 一个KeyedProcessFunction的子类CountWithTimeoutFunction，被用来处理KeyedStream的每个元素，处理的逻辑：为每个key维护一个状态，状态的内容是这个key的出现次数和最后一次出现时间；
4. 如果那个key连续一分钟没有出现，KeyedProcessFunction就向下游发送这个元素；

• 以上就是官方demo的功能，本来是想通过demo来加深认识，结果看完不但没有明白，反而更晕了，下图是我对demo代码的疑惑：
  
• 从上图可见我的疑惑，这里再复述一下：

5. 入参value是Tuple2类型，假设其f0字段等于aaa，那么processElement方法的作用，就是取出aaa的状态，更新后保存；
6. 从代码上看，state.value()返回了aaa的状态，这个value方法并没有将aaa作为入参，那怎么做到返回aaa的状态呢？如果下一个入参value的f0字段等于bbb了，这个state.value()能返回bbb的状态吗？
7. 对更新状态的代码state.update(current)也是同样的疑惑；
8. 然后又产生了新的疑惑：成员变量state难道是一直在变？每执行一次processElement，都会变成该key对应的state实例？

先反思为何会有上述疑惑

1. 上述疑惑产生的原因，应该是受到平时使用HashMap的影响，HashMap获取值就是在调用get方法时指定key，设置值也是在put时指定key，所以看到state.value()方法没有用key做入参就不习惯了
2. 要消除这种不适应，要做的第一件事就是提醒自己：processElement是在框架内运行的，很多数据在之前已经由框架准备好了；
3. 接下来要做的，就是把框架准备数据的逻辑看一遍，除了弄明白自己的问题，由于ProcessFunction属于最低阶抽象(如下图的最下方位置)，看懂了这些，其实也是在了解DataStream/DataSet API的设计思路：
   

跟踪源码

1. 如下图，让我们从一个断点的堆栈开始吧，这是在执行上面demo中的processElement方法之前的一个断点，可见根源是个线程的run方法，也就是KeyedProcessFunction对应的算子执行任务的线程：
   
2. 上面的堆栈不必每一层都细看，只关注重要的部分，下图这段很重要：StreamTask.run方法中，有个无限循环（猜测是每次执行processInput方法都处理KeyedStream的一个元素）：
   
3. 如下图，StreamOneInputProcessor.processInput方法取出KeyedStream的一个元素，调用processElement方法，并将此元素作为入参，再结合上一幅图可以看出：在编写KeyedProcessFunction子类的时候，KeyedStream的每个元素都会作为入参，在调用你重写的processElement方法时传进去；这一点，在做ProcessFunction和KeyedProcessFunction开发时都是要格外注意的：
   
4. 接下来到了最关键的地方了，下图红框中的streamOperator.setKeyContextElement1(record)会解答我前面的疑惑，一定要进去看个清楚，(后面的黄线上的代码，您应该猜到了，里面其实就是调用demo中的processElement方法)
   
5. 下图中，AbstractStreamOperator.setKeyContextElement给出了答案：对于KeyedStream的每个元素，都会在这里算出key，再调用setCurrentKey保存这个key：
   
6. 展开setCurrentKey，如下图，发现key的保存和当前状态的存储策略(StateBackend)有关，我这里是默认策略HeapKeyedStateBackend：
   
7. 最终，根据当前元素得到的key会在StateBackend的keyContext对象中找地方保存，StateBackend的具体实现和Flink设置有关，我这里是保存到了InternalKeyContextImpl实例的currentKey变量中：
   
8. 代码读到这里，对我前面的疑惑，您应该能推测出答案了：state.value()里面会通过StateBackend的keyContext取出刚才保存的key，接下来就能像HashMap那样根据key查出该key的状态了，接下来是愉快的印证我们推测的过程；
9. 在state.value()代码位置打断点一次看个明白，如下图，果然，state里面有StateBackend的keyContext对象的引用，访问刚才保存的key就不成问题了：
   
10. 展开state.value()方法如下，简单明了，直接拿keyContext保存的key作为入参去取对应的状态：
    
11. 再展开上面的get方法，可见最终是从stateMap中取得的，而这个stateMap的具体实现是CopyOnWriteStateMap类型的实例：
    
12. 代码读到这里，只剩最后一处需要印证了：更新状态的state.update(current)方法，应该也是以StateBackend的keyContext中的key作为自己的key，再将入参的current作为value，更新到stateMap中，来吧，一起印证这个推测；
13. 展开方法，看到的是stateTable.put方法（前面刚看过stateTable的get方法，稳了）：
    
14. stateTable.put方法里面和前面的get方法一样，直接拿keyContext保存的key作为自己的key：
    
15. 最终是调用了stateMap.put方法，将数据保存在CopyOnWriteStateMap实例中：
    
16. 得益于Flink代码自身规范、清晰的设计和实现，再加上IDEA强大的debug功能，整个阅读和分析过程十分顺利，这其中的收获会逐渐在今后深入学习DataStreamAPI的过程中见效；

• 最后，根据上面的分析过程绘制了一幅简陋的流程图，希望能帮助您加快理解：
  

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