大数据学习之Flink算子、了解（Transformation）转换算子（基础篇三）

发布时间：2024年01月23日

Transformation转换算子（基础篇三）

三、转换算子（Transformation）

1.基本转换算子

3.1?函数类（Function Classes）

3.2?富函数类（Rich Function Classes）

4.物理分区（Physical Partitioning）

4.1?随机分区（shuffle）

4.2?轮询分区（Round-Robin）

三、转换算子（Transformation）

数据源读入数据之后，我们就可以使用各种转换算子，将一个或多个 DataStream 转换为新的 DataStream，如图所示。一个Flink程序的核心，其实就是所有的转换操作，它们决定了处理的业务逻辑。

1.基本转换算子

1.1 映射（Map）

map算子接收一个函数作为参数，并把这个函数应用于DataStream的每个元素，最后将函数的返回结果作为结果DataStream中对应元素的值，即将DataStream的每个元素转换成新的元素。

1.2 过滤（filter）

filter 转换操作，顾名思义是对数据流执行一个过滤，通过一个布尔条件表达式设置过滤条件，对于每一个流内元素进行判断，若为 true 则元素正常输出，若为 false 则元素被过滤掉。

1.3 扁平映射（flatmap）

flatMap 操作又称为扁平映射，主要是将数据流中的整体（一般是集合类型）拆分成一个一个的个体使用。消费一个元素，可以产生 0 到多个元素。flatMap 可以认为是“扁平化”（flatten）和“映射”（map）两步操作的结合，也就是先按照某种规则对数据进行打散拆分，再对拆分后的元素做转换处理

1.4基本转换算子的例子

代码如下：

import org.apache.flink.streaming.api.scala._

object Practice_of_Simple_Operators {
  def main(args: Array[String]): Unit = {
    val env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment
    env.setParallelism(1) //设置并行度为1
    //常见的简单算子 有：map、flatmap、filter
    //map
    //从集合中获取不同数据类型数据
    val dataStream1 = env.fromCollection(List(1,2,3))
    //对每一个数 都乘以2
    val resultStream1 = dataStream1.map(data => data * 2)
    resultStream1.print("resultStream1")
    //flatmap
    val dataStream2 = env.fromCollection(List("hello word","hello flink","hello spark"))
    val resultStream2 = dataStream2.flatMap(_.split(" "))
    resultStream2.print("resultStream2")
    //filter
    val resultStream3 = dataStream1.filter(_%2==0)
    resultStream3.print("resultStream3")

    env.execute("Stream Transform")//启动flink作业
  }
}

运行结果：

2.聚合算子（Aggregation）

直观上看，基本转换算子确实是在“转换”——因为它们都是基于当前数据，去做了处理和输出。
而在实际应用中，我们往往需要对大量的数据进行统计或整合，从而提炼出更有用的信息。比如之前 word count 程序中，要对每个词出现的频次进行叠加统计。这种操作，计算的结果不仅依赖当前数据，还跟之前的数据有关，相当于要把所有数据聚在一起进行汇总合并——这就是所谓的“聚合”（Aggregation），也对应着 MapReduce 中的 reduce 操作。

2.1 按键分区（keyBy）

对于 Flink 而言，DataStream是没有直接进行聚合的API 的。因为我们对海量数据做聚合肯定要进行分区并行处理，这样才能提高效率。所以在 Flink 中，要做聚合，需要先进行分区； 这个操作就是通过keyBy来完成的。

keyBy 是聚合前必须要用到的一个算子。keyBy 通过指定键（key），可以将一条流从逻辑上划分成不同的分区（partitions）。这里所说的分区，其实就是并行处理的子任务，也就对应着任务槽（task slot）。

基于不同的key，流中的数据将被分配到不同的分区中去；这样一来，所有具有相同的key 的数据，都将被发往同一个分区，那么下一步算子操作就将会在同一个 slot 中进行处理了。

keyBy算子主要作用于元素类型是元组或数组的DataStream上。使用该算子可以将DataStream中的元素按照指定的key(字段)进行分组，具有相同key的元素将进入同一个分区中(不进行聚合)，并且不改变原来元素的数据结构。在逻辑上将流划分为不相交的分区，在内部是通过哈希分区实现的。

//配置执行环境
val env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment
//fromElements --> 给一个固定的元素集合 创建一个数据流（DataStream）
//数据流是以键值对的形式存在的
val source = env.fromElements((1, 2), (2, 1),(1, 6), (1, 9), (1, 7),  (2, 2), (2, 10), (3, 1))
//keyby算子
source.keyBy(temp => temp._1).print("result")
 // 执行 Flink 作业
env.execute("Flink FromElements Example")

运行结果：

2.2 简单聚合

有了按键分区的数据流 KeyedStream，我们就可以基于它进行聚合操作了。Flink 为我们内置实现了一些最基本、最简单的聚合 API，主要有以下几种：
- sum()：在输入流上，对指定的字段做叠加求和的操作。
- min()：在输入流上，对指定的字段求最小值。
- max()：在输入流上，对指定的字段求最大值。
- minBy()：与 min()类似，在输入流上针对指定字段求最小值。
  
  不同的是，min()只计算指定字段的最小值，其他字段会保留最初第一个数据的值；
  
  而 minBy()则会返回包含字段最小值的整条数据。
- maxBy()：与 max()类似，在输入流上针对指定字段求最大值。
  
  不同的是，max()只计算指定字段的最大值，其他字段会保留最初第一个数据的值；
  
  而 maxBy()则会返回包含字段最大值的整条数据。
简单聚合算子使用非常方便，语义也非常明确。这些聚合方法调用时，也需要传入参数；但并不像基本转换算子那样需要实现自定义函数，只要说明聚合指定的字段就可以了。指定字段的方式有两种：指定位置，和指定名称。对于元组类型的数据，同样也可以使用这两种方式来指定字段。需要注意的是，元组中字段的名称，是以1、2、_3、…来命名的。例如，下面就是对元组数据流进行聚合的测试：
对于元组类型的数据，同样也可以使用这两种方式来指定字段。需要注意的是，元组中字段的名称，是以1、2、_3、…来命名的。

测试：

import org.apache.flink.streaming.api.scala._

object TransTupleAggregation {
  def main(args: Array[String]): Unit = {
    val env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment
    env.setParallelism(1)
    val stream = env
      .fromElements(
        ("a", 1), ("a", 3), ("b", 3), ("b", 4)
      )
    stream.print("原数据")
    stream.keyBy(_._1).sum(1).print() //对元组的索引 1 位置数据求和
    stream.keyBy(_._1).sum("_2").print() //对元组的第 2 个位置数据求和
    stream.keyBy(_._1).max(1).print() //对元组的索引 1 位置求最大值
    stream.keyBy(_._1).max("_2").print() //对元组的第 2 个位置数据求最大值
    stream.keyBy(_._1).min(1).print() //对元组的索引 1 位置求最小值
    stream.keyBy(_._1).min("_2").print() //对元组的第 2 个位置数据求最小值
    stream.keyBy(_._1).maxBy(1).print() //对元组的索引 1 位置求最大值
    stream.keyBy(_._1).maxBy("_2").print() //对元组的第 2 个位置数据求最大值
    stream.keyBy(_._1).minBy(1).print() //对元组的索引 1 位置求最小值
    stream.keyBy(_._1).minBy("_2").print() //对元组的第 2 个位置数据求最小值
    env.execute()
  }
}

而如果数据流的类型是样例类，那么就只能通过字段名称来指定，不能通过位置来指定了。

import org.apache.flink.streaming.api.scala._
object TransAggregationCaseClass {
  def main(args: Array[String]): Unit = {
    val env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment
    env.setParallelism(1)
    val stream = env.fromElements(
      Event("Mary", "./home", 1000L),
      Event("Bob", "./cart", 2000L)
    )
    // 使用 user 作为分组的字段，并计算最大的时间戳
    stream.keyBy(_.user).max("timestamp").print()
    env.execute()
  }
}

一个聚合算子，会为每一个key保存一个聚合的值，在Flink中我们把它叫作“状态”（state）。所以每当有一个新的数据输入，算子就会更新保存的聚合结果，并发送一个带有更新后聚合值的事件到下游算子。对于无界流来说，这些状态是永远不会被清除的，所以我们使用聚合算子，应该只用在含有有限个 key 的数据流上。

2.3 归约聚合（reduce）

与简单聚合类似，reduce()操作也会将 KeyedStream 转换为 DataStream。它不会改变流的元素数据类型，所以输出类型和输入类型是一样的。
调用 KeyedStream 的 reduce()方法时，需要传入一个参数，实现 ReduceFunction 接口。接口在源码中的定义如下：

public interface ReduceFunction<T> extends Function, Serializable {
    T reduce(T value1, T value2) throws Exception;
}

ReduceFunction 接口里需要实现 reduce()方法，这个方法接收两个输入事件，经过转换处理之后输出一个相同类型的事件；所以，对于一组数据，我们可以先取两个进行合并，然后再将合并的结果看作一个数据、再跟后面的数据合并，最终会将它“简化”成唯一的一个数据，这也就是 reduce“归约”的含义。在流处理的底层实现过程中，实际上是将中间“合并的结果” 作为任务的一个状态保存起来的；之后每来一个新的数据，就和之前的聚合状态进一步做归约。

下面我们来看一个稍复杂的例子。

我们将数据流按照用户 id 进行分区，然后用一个 reduce()算子实现 sum()的功能，统计每个用户访问的频次；进而将所有统计结果分到一组，用另一个 reduce()算子实现 maxBy()的功能，记录所有用户中访问频次最高的那个，也就是当前访问量最大的用户是谁。

import org.apache.flink.streaming.api.scala._

object TransReduce {
  def main(args: Array[String]): Unit = {
    val env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment
    env.setParallelism(1)
    env
      .addSource(new ClickSource)
      .map(r => (r.user, 1L))
      //按照用户名进行分组
      .keyBy(_._1)
      //计算每个用户的访问频次
      .reduce((r1, r2) => (r1._1, r1._2 + r2._2))
      //将所有数据都分到同一个分区
      .keyBy(_ => true)
      //通过 reduce 实现 max 功能，计算访问频次最高的用户
      .reduce((r1, r2) => if (r1._2 > r2._2) r1 else r2)
      .print()
    env.execute()
  }
}

reduce()同简单聚合算子一样，也要针对每一个 key 保存状态。因为状态不会清空，所以我们需要将 reduce()算子作用在一个有限 key 的流上。