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数据类型和序列化

鲁老师大约 8 分钟Flink

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几乎所有的大数据框架都要面临分布式计算、数据传输和持久化问题。数据传输过程前后要进行数据的序列化和反序列化：序列化就是将一个内存对象转换成二进制串，形成可网络传输或者可持久化的数据流。反序列化将二进制串转换为内存对象，这样就可以直接在编程语言中读写和操作这个对象。一种最简单的序列化方法就是将复杂数据结构转化成JSON格式。序列化和反序列化是很多大数据框架必须考虑的问题，在Java和大数据生态圈中，已有不少序列化工具，比如Java自带的序列化工具、Kryo等。一些RPC框架也提供序列化功能，比如最初用于Hadoop的Apache Avro、Facebook开发的Apache Thrift和Google开发的Protobuf，这些工具在速度和压缩比等方面比JSON有明显的优势。

但是Flink依然选择了重新开发了自己的序列化框架，因为序列化和反序列化将关乎整个流处理框架各方面的性能，对数据类型了解越多，可以更早地完成数据类型检查，节省数据存储空间。

Flink支持的数据类型

Flink支持的数据类型
Flink支持的数据类型

Flink支持上图所示的几种数据类型：基础类型、数组、复合类型、辅助类型。其中，Kryo是最后的备选方案，如果能够优化，尽量不要使用Kryo，否则会有大量的性能损失。

基础类型

所有Java和Scala基础数据类型，诸如Int、Double、Long（包括Java原生类型int和装箱后的类型Integer）、String，以及Date、BigDecimal和BigInteger。

数组

基础类型或其他对象类型组成的数组，如String[]。

复合类型

Scala case class

Scala case class是Scala的特色，用这种方式定义一个数据结构非常简洁。例如股票价格的数据结构：

case class StockPrice(symbol: String = "",
                      price: Double = 0d,
                      ts: Long = 0)

这样定义的数据结构，所有的子字段都是public，可以直接读取。另外，我们可以不用new即可获取一个新的对象。

val stock = StockPrice("AAPL", 300d, 1582819200000L)

Java POJO

Java的话，需要定义POJO（Plain Old Java Object）类，定义POJO类有一些注意事项：

  • 该类必须用public修饰。
  • 该类必须有一个public的无参数的构造函数。
  • 该类的所有非静态（non-static）、非瞬态（non-transient）字段必须是public，如果字段不是public则必须有标准的getter和setter方法，比如对于字段A a有A getA()和setA(A a)。
  • 所有子字段也必须是Flink支持的数据类型。

下面三个例子中，只有第一个是POJO，其他两个都不是POJO，非POJO类将使用Kryo序列化工具。

public class StockPrice {
    public String symbol;
    public double price;
    public long ts;

    public StockPrice() {}
    public StockPrice(String symbol, Long timestamp, Double price){
        this.symbol = symbol;
        this.ts = timestamp;
        this.price = price;
    }
}

// NOT POJO
public class StockPriceNoGeterSeter {

    // LOGGER 无getter和setter
    private Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(StockPriceNoGeterSeter.class);

    public String symbol;
    public double price;
    public long ts;

    public StockPriceNoGeterSeter() {}

    public StockPriceNoGeterSeter(String symbol, long timestamp, Double price){
        this.symbol = symbol;
        this.ts = timestamp;
        this.price = price;
    }
}

// NOT POJO
public class StockPriceNoConstructor {

    public String symbol;
    public double price;
    public long ts;

    // 缺少无参数构造函数

    public StockPriceNoConstructor(String symbol, Long timestamp, Double price){
        this.symbol = symbol;
        this.ts = timestamp;
        this.price = price;
    }
}

如果不确定是否是POJO，可以使用下面的代码检查：

System.out.println(TypeInformation.of(StockPrice.class).createSerializer(new ExecutionConfig()));

返回的结果中，如果这个类在使用KryoSerializer，说明不是POJO类。

此外，使用Avro生成的类可以被Flink识别为POJO。

Tuple

Tuple可被翻译为元组，比如我们可以将刚刚定义的股票价格抽象为一个三元组。Scala用括号来定义元组，比如一个三元组：(String, Long, Double)。

相关信息

Scala访问元组中的元素时，要使用下划线。与其他地方从0开始计数不同，这里是从1开始计数，_1为元组中的第一个元素。下面的代码是一个Scala Tuple的例子。

// Scala Tuple Example
def main(args: Array[String]): Unit = {

  val senv: StreamExecutionEnvironment = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment

  val dataStream: DataStream[(String, Long, Double)] =
  senv.fromElements(("0001", 0L, 121.2), ("0002" ,1L, 201.8),
                    ("0003", 2L, 10.3), ("0004", 3L, 99.6))

  dataStream.filter(item => item._3 > 100)

  senv.execute("scala tuple")
}

Flink为Java专门准备了元组类型，比如3元组为Tuple3，最多支持到25元组Tuple25。访问元组中的元素时，要使用Tuple类准备好的公共字段：f0、f1...或者使用getField(int pos)方法，并注意进行类型转换。这里的元组是从0开始计数。

// Java Tuple Example
public static void main(String[] args) throws Exception {

  StreamExecutionEnvironment senv = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();

  DataStream<Tuple3<String, Long, Double>> dataStream = senv.fromElements(
    Tuple3.of("0001", 0L, 121.2),
    Tuple3.of("0002" ,1L, 201.8),
    Tuple3.of("0003", 2L, 10.3),
    Tuple3.of("0004", 3L, 99.6)
  );

  dataStream.filter(item -> item.f2 > 100).print();

  dataStream.filter(item -> ((Double)item.getField(2) > 100)).print();

  senv.execute("java tuple");
}

Scala的Tuple中所有元素都不可变，如果想改变元组中的值，一般需要创建一个新的对象并赋值。Java的Tuple中的元素是可以被更改和赋值的，因此在Java中使用Tuple可以充分利用这一特性，可以减少垃圾回收的压力。

// stock是一个Tuple3
// 获取Tuple3中第三个位置的值
Double price = stock.getField(2);
// 给第三个位置赋值
stock.setField(70, 2);

辅助类型

Flink还支持Java的ArrayList、HashMap和Enum，Scala的Either和Option。

泛型和其他类型

当以上任何一个类型均不满足时，Flink认为该数据结构是一种泛型（GenericType），使用Kryo来进行序列化和反序列化。但Kryo在有些流处理场景效率非常低，有可能造成流数据的积压。我们可以使用senv.getConfig.disableGenericTypes()来禁用Kryo，禁用后，Flink遇到无法处理的数据类型将抛出异常，这种方法对于调试非常有效。

TypeInformation

以上如此多的类型，在Flink中，统一使用TypeInformation类表示。比如，POJO在Flink内部使用PojoTypeInfo来表示，PojoTypeInfo继承自CompositeType，CompositeType继承自TypeInformation。下图展示了TypeInformation的继承关系，可以看到，前面提到的诸多数据类型，在Flink中都有对应的类型。TypeInformation的一个重要的功能就是创建TypeSerializer序列化器，为该类型的数据做序列化。每种类型都有一个对应的序列化器来进行序列化。

TypeInformation继承关系)

使用前面介绍的各类数据类型时，Flink会自动探测传入的数据类型，生成对应的TypeInformation，调用对应的序列化器，因此用户其实无需关心类型推测。比如，Flink的map函数Scala签名为：def map[R: TypeInformation](fun: T => R): DataStream[R]，传入map的数据类型是T，生成的数据类型是R，Flink会推测T和R的数据类型，并使用对应的序列化器进行序列化。

Flink数据类型推断和序列化
Flink数据类型推断和序列化

上图展示了Flink的类型推断和序列化过程，以一个字符串String类型为例，Flink首先推断出该类型，并生成对应的TypeInformation，然后在序列化时调用对应的序列化器，将一个内存对象写入内存块。

注册类

如果传递给Flink算子的数据类型是父类，实际运行过程中使用的是子类，子类中有一些父类没有的数据结构和特性，将子类注册可以提高性能。在执行环境上调用env.registerType(clazz) 来注册类。registerType方法的源码如下所示，其中TypeExtractor对数据类型进行推断，如果传入的类型是POJO，则可以被Flink识别和注册，否则将使用Kryo。

// Flink registerType java源码
public void registerType(Class<?> type) {
  if (type == null) {
    throw new NullPointerException("Cannot register null type class.");
  }

  TypeInformation<?> typeInfo = TypeExtractor.createTypeInfo(type);

  if (typeInfo instanceof PojoTypeInfo) {
    config.registerPojoType(type);
  } else {
    config.registerKryoType(type);
  }
}

注册序列化器

如果你的数据类型不是Flink支持的上述类型，这时Flink会使用Kryo序列化。我们需要对数据类型和序列化器进行注册，以便Flink对该数据类型进行序列化。

// 使用对TestClassSerializer对TestClass进行序列化
env.registerTypeWithKryoSerializer(TestClass.class, new TestClassSerializer());

其中TestClassSerializer要继承com.esotericsoftware.kryo.Serializer。下面的代码是一个序列化示意案例。

static class TestClassSerializer extends Serializer<TestClass> implements Serializable {

  private static final long serialVersionUID = -3585880741695717533L;

  @Override
  public void write(Kryo kryo, Output output, TestClass testClass) {
    ...
  }

  @Override
  public TestClass read(Kryo kryo, Input input, Class<TestClass> aClass) {
    ...
  }
}

相应的包需要添加到pom中：

<dependency>
  <groupId>com.esotericsoftware.kryo</groupId>
  <artifactId>kryo</artifactId>
  <version>2.24.0</version>
</dependency>

对于Apache Thrift和Protobuf的用户，已经有人将序列化器编写好，我们可以直接拿来使用：

// Google Protobuf
env.getConfig().registerTypeWithKryoSerializer(MyCustomType.class, ProtobufSerializer.class);

// Apache Thrift
env.getConfig().addDefaultKryoSerializer(MyCustomType.class, TBaseSerializer.class);

Google Protobuf的pom：

<dependency>
	<groupId>com.twitter</groupId>
	<artifactId>chill-protobuf</artifactId>
	<version>0.7.6</version>
	<exclusions>
		<exclusion>
			<groupId>com.esotericsoftware.kryo</groupId>
			<artifactId>kryo</artifactId>
		</exclusion>
	</exclusions>
</dependency>
<dependency>
	<groupId>com.google.protobuf</groupId>
	<artifactId>protobuf-java</artifactId>
	<version>3.7.0</version>
</dependency>

Apache Thrift的pom：

<dependency>
	<groupId>com.twitter</groupId>
	<artifactId>chill-thrift</artifactId>
	<version>0.7.6</version>
	<exclusions>
		<exclusion>
			<groupId>com.esotericsoftware.kryo</groupId>
			<artifactId>kryo</artifactId>
		</exclusion>
	</exclusions>
</dependency>
<dependency>
	<groupId>org.apache.thrift</groupId>
	<artifactId>libthrift</artifactId>
	<version>0.11.0</version>
	<exclusions>
		<exclusion>
			<groupId>javax.servlet</groupId>
			<artifactId>servlet-api</artifactId>
		</exclusion>
		<exclusion>
			<groupId>org.apache.httpcomponents</groupId>
			<artifactId>httpclient</artifactId>
		</exclusion>
	</exclusions>
</dependency>