使用Blink SQL+UDAF实现差值聚合计算

时间  2020-05-07
标签 使用 blink sql+udaf sql udaf 实现 差值 聚合 计算 栏目 SQL 繁體版
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本案例根据某电网公司的真实业务需求，经过Blink SQL+UDAF实现实时流上的差值聚合计算，经过本案例，让读者熟悉UDAF编写，并理解UDAF中的方法调用关系和顺序。
感谢@军长在实现过程当中的指导。笔者水平有限，如有纰漏，请批评指出。
html

1、客户需求

电网公司天天采集各个用户的电表数据（格式以下表），其中data_date为电表数据上报时间，cons_id为电表id，r1为电表度数，其余字段与计算逻辑无关，可忽略。为了后续演示方便，仅输入cons_id=100000002的数据。java

no(string) data_date(string) cons_id(string) org_no(string) r1(double)
101 20190716 100000002 35401 13.76
101 20190717 100000002 35401 14.12
101 20190718 100000002 35401 16.59
101 20190719 100000002 35401 18.89

表1：输入数据
电网公司但愿经过实时计算（Blink）对电表数据处理后，天天获得每一个电表最近两天（当天和前一天）的差值数据，结果相似以下表：sql

cons_id(string) data_date(string) subDegreeR1(double)
100000002 20190717 0.36
100000002 20190718 2.47
100000002 20190719 2.3

表2：指望的输出数据
apache

2、需求分析

根据客户的需求，比较容易获得两种解决方案：一、经过over窗口（2 rows over window）开窗进行差值聚合；二、经过hop窗口（sliding=1天，size=2天）进行差值聚合。
over窗口和hop窗口均是Blink支持的标准窗口，使用起来很是简单。本需求的最大难点在于差值聚合，Blink支持SUM、MAX、MIN、AVG等内置的聚合函数，但没有知足业务需求的差值聚合函数，所以须要经过自定义聚合函数（UDAF）来实现。
api

3、UDAF开发

实时计算自定义函数开发搭建环境请参考UDX概述(https://help.aliyun.com/docum...，在此再也不赘述。本案例使用Blink2.2.7版本，下面简要描述关键代码的编写。
完整代码（为了方便上传，使用了txt格式）：SubtractionUdaf.txt
一、在com.alibaba.blink.sql.udx.SubtractionUdaf包中建立一个继承AggregateFunction类的SubtractionUdaf类。缓存

public class SubtractionUdaf extends AggregateFunction<Double, SubtractionUdaf.Accum>

其中Double是UDAF输出的类型，在本案例中为相邻两天的电表差值度数。SubtractionUdaf.Accum是内部自定义的accumulator数据结构。
二、定义accumulator数据结构，用户保存UDAF的状态。网络

public static class Accum {
        private long currentTime;//最新度数的上报时间
        private double oldDegree;//前一次度数
        private double newDegree;//当前最新度数
        private long num;   //accumulator中已经计算的record数量，主要用于merge
        private List<Tuple2<Double, Long>> listInput;//缓存全部的输入，主要用于retract
    }

三、实现createAccumulator方法，初始化UDAF的accumulator数据结构

//初始化udaf的accumulator
    public SubtractionUdaf.Accum createAccumulator() {
        SubtractionUdaf.Accum acc = new SubtractionUdaf.Accum();
        acc.currentTime = 0;
        acc.oldDegree = 0.0;
        acc.newDegree = 0.0;
        acc.num = 0;
        acc.listInput = new ArrayList<Tuple2<Double, Long>>();
        return acc;
    }

四、实现getValue方法，用于经过存放状态的accumulator计算UDAF的结果，本案例需求是计算新旧数据二者的差值。函数

public Double getValue(SubtractionUdaf.Accum accumulator) {
        return accumulator.newDegree - accumulator.oldDegree;
    }

五、实现accumulate方法，用于根据输入数据更新UDAF存放状态的accumulator。考虑到数据可能乱序以及可能的retract，数据数据包括了对应的度数iValue，还包括上报度数的时间（构造的事件时间ts）。性能

public void accumulate(SubtractionUdaf.Accum accumulator, double iValue, long ts) {
        System.out.println("method : accumulate" );
        accumulator.listInput.add(Tuple2.of(Double.valueOf(iValue),Long.valueOf(ts)));
        Collections.sort(accumulator.listInput,this.comparator);//按照时间排序
        accumulator.num ++;
        if(accumulator.listInput.size() == 1){
            accumulator.newDegree = iValue;
            accumulator.oldDegree = 0.0;
            accumulator.currentTime = ts;
        }else {//处理可能存在的数据乱序问题
            accumulator.newDegree = accumulator.listInput.get(0).f0;
            accumulator.currentTime = accumulator.listInput.get(0).f1;
            accumulator.oldDegree = accumulator.listInput.get(1).f0;
        }
    }

其中accumulator为UDAF的状态，iValue和ts为实际的输入数据。
注意须要处理可能存在的输入数据乱序问题。
六、实现retract方法，用于在某些优化场景下（如使用over窗口）对retract的数据进行处理。

public void retract(SubtractionUdaf.Accum accumulator, double iValue, long ts) throws Exception{
        if(accumulator.listInput.contains(Tuple2.of(iValue, ts))){
            if(accumulator.listInput.indexOf(Tuple2.of(iValue, ts)) == 0){//retract的是最新值
                accumulator.listInput.remove(0);
                accumulator.num--;
                if(accumulator.listInput.isEmpty()){
                    accumulator.currentTime = 0;
                    accumulator.oldDegree = 0.0;
                    accumulator.newDegree = 0.0;
                }else if(accumulator.listInput.size() == 1) {
                    accumulator.currentTime = accumulator.listInput.get(0).f1;
                    accumulator.newDegree = accumulator.listInput.get(0).f0;
                    accumulator.oldDegree = 0.0;
                }else{
                    accumulator.currentTime = accumulator.listInput.get(0).f1;
                    accumulator.newDegree = accumulator.listInput.get(0).f0;
                    accumulator.oldDegree = accumulator.listInput.get(1).f0;
                }
            } else if(accumulator.listInput.indexOf(Tuple2.of(iValue, ts)) == 1){//retract的是次新值
                accumulator.listInput.remove(1);
                accumulator.num--;
                if(accumulator.listInput.size() == 1){
                    accumulator.oldDegree = 0.0;
                }else {
                    accumulator.oldDegree = accumulator.listInput.get(1).f0;
                }
            }else {//retract的是其余值
                accumulator.listInput.remove(Tuple2.of(iValue, ts));
                accumulator.num--;
            }
        }else {
            throw new Exception("Cannot retract a unexist record : iValue = "+ iValue + "timestamp = "+ ts);
        }
    }

须要考虑retract的是最新的数据仍是次新的数据，须要不一样的逻辑处理。
七、实现merge方法，用于某些优化场景（如使用hop窗口）。

public void merge(SubtractionUdaf.Accum accumulator, Iterable<SubtractionUdaf.Accum> its) {
        int i = 0;
        System.out.println("method : merge" );
        System.out.println("accumulator : "+ accumulator.newDegree);
        System.out.println("accumulator : "+ accumulator.currentTime);

        for (SubtractionUdaf.Accum entry : its) {
            if(accumulator.currentTime < entry.currentTime){
                if(entry.num > 1){
                    accumulator.currentTime = entry.currentTime;
                    accumulator.oldDegree = entry.oldDegree;
                    accumulator.newDegree = entry.newDegree;
                    accumulator.num += entry.num;
                    accumulator.listInput.addAll(entry.listInput);
                }else if(entry.num == 1){
                    accumulator.currentTime = entry.currentTime;
                    accumulator.oldDegree = accumulator.newDegree;
                    accumulator.newDegree = entry.newDegree;
                    accumulator.num ++;
                    accumulator.listInput.addAll(entry.listInput);
                }
            }else{
                if(accumulator.num > 1){
                    accumulator.num += entry.num;
                    accumulator.listInput.addAll(entry.listInput);
                }else if(accumulator.num == 1){
                    accumulator.oldDegree = entry.newDegree;
                    accumulator.num += entry.num;
                    accumulator.listInput.addAll(entry.listInput);
                }else if(accumulator.num == 0){
                    accumulator.currentTime = entry.currentTime;
                    accumulator.oldDegree = entry.oldDegree;
                    accumulator.newDegree = entry.newDegree;
                    accumulator.num = entry.num;
                    accumulator.listInput.addAll(entry.listInput);
                }
            }
            Collections.sort(accumulator.listInput,this.comparator);
            System.out.println("merge : "+i);
            System.out.println("newDegree : "+entry.newDegree);
            System.out.println("oldDegree = "+entry.oldDegree);
            System.out.println("currentTime : "+entry.currentTime);
        }
    }

须要考虑merge的是不是比当前新的数据，须要不一样的处理逻辑。
八、其余方面，考虑到须要对输入度数按照事件时间排序，在open方法中实例化了自定义的Comparator类，对accumulator数据结构中的inputList按事件时间的降序排序。

public void open(FunctionContext context) throws Exception {
        //定义record的前后顺序，用于listInput的排序，时间越新的record在list中越前面
        this.comparator = new Comparator<Tuple2<Double, Long>>() {
            public int compare( Tuple2<Double, Long> o1, Tuple2<Double, Long> o2) {
                if (Long.valueOf(o1.f1) < Long.valueOf(o2.f1)) {
                    return 1;
                } else if (Long.valueOf(o1.f1) > Long.valueOf(o2.f1)) {
                    return -1;
                }else {
                    return 0;
                }
            }
        };
    }

请参考[使用IntelliJ IDEA开发自定义函数]()完成UDAF编译、打包，并参考UDX概述完成资源的上传和引用。

4、SQL开发及测试结果

（一）over窗口

SQL代码以下，语法检查、上线、启动做业（选择当前启动位点）。并将表1数据上传至datahub。

CREATE FUNCTION OverWindowSubtractionUdaf as 'com.alibaba.blink.sql.udx.SubtractionUdaf';

CREATE TABLE input_dh_e_mp_read_curve (
    `no`                  VARCHAR,
    data_date             VARCHAR,
    cons_id               VARCHAR,
    org_no                VARCHAR,
    r1                    DOUBLE,
    ts as TO_TIMESTAMP(concat(data_date,'000000'),'yyyyMMddHHmmss')
    ,WATERMARK wk FOR ts as withOffset(ts, 2000)
) WITH (
    type = 'datahub',
    endPoint = 'http://dh-cn-shanghai.aliyun-inc.com',
    roleArn='acs:ram::XXX:role/aliyunstreamdefaultrole',
    project = 'jszc_datahub',
    topic = 'input_dh_e_mp_read_curve'
);
CREATE TABLE data_out(
    cons_id varchar
    ,data_date varchar
    ,subDegreeR1 DOUBLE
)with(
    type = 'print'
);

INSERT into data_out    
SELECT
    cons_id
    ,last_value(data_date) OVER (
        PARTITION BY cons_id 
        ORDER BY ts 
        ROWS BETWEEN 1 preceding AND CURRENT ROW) as data_date
    ,OverWindowSubtractionUdaf(r1,unix_timestamp(ts)) OVER (
        PARTITION BY cons_id 
        ORDER BY ts 
        ROWS BETWEEN 1 preceding AND CURRENT ROW) as data_date
FROM input_dh_e_mp_read_curve

因为使用了print connector，从对应的sink的taskmanager.out日志中能够查看到输出以下（已忽略其余debug日志）：

task-1> (+)100000002,20190716,13.76
task-1> (+)100000002,20190717,0.35999999999999943
task-1> (+)100000002,20190718,2.4700000000000006

对比指望输出（表2），20190717和20190718两个窗口的数据均正确，代表业务逻辑正确，但此输出与指望输出有少量差别：
（1）20190716输出为13.76，这是由于第一个over窗口只有一条数据致使的，这种数据能够在业务层过滤掉；
（2）20190719的数据没有输出，这是由于咱们设置了watermark，测试环境下20190719以后没有数据进来触发20190719对应的窗口的结束。

（二）hop窗口

SQL代码以下：语法检查、上线、启动做业（选择当前启动位点）。并将表1数据上传至datahub。

CREATE FUNCTION HopWindowSubtractionUdaf as 'com.alibaba.blink.sql.udx.SubtractionUdaf';

CREATE TABLE input_dh_e_mp_read_curve (
    `no`                  VARCHAR,
    data_date             VARCHAR,
    cons_id               VARCHAR,
    org_no                VARCHAR,
    r1                    DOUBLE,
    ts as TO_TIMESTAMP(concat(data_date,'000000'),'yyyyMMddHHmmss')
    ,WATERMARK wk FOR ts as withOffset(ts, 2000)
) WITH (
    type = 'datahub',
    endPoint = 'http://dh-cn-shanghai.aliyun-inc.com',
    roleArn='acs:ram::XXX:role/aliyunstreamdefaultrole',
    project = 'jszc_datahub',
    topic = 'input_dh_e_mp_read_curve'
);
CREATE TABLE data_out(
    cons_id varchar
    ,data_date varchar
    ,subDegreeR1 DOUBLE
)with(
    type = 'print'
);
INSERT into data_out    
SELECT
    cons_id
    ,DATE_FORMAT(HOP_end(ts, INTERVAL '1' day,INTERVAL '2' day), 'yyyyMMdd')
    ,HopWindowSubtractionUdaf(r1,unix_timestamp(ts))
FROM input_dh_e_mp_read_curve
group by hop(ts, INTERVAL '1' day,INTERVAL '2' day),cons_id;

因为使用了print connector，从对应的sink的taskmanager.out日志中能够查看到输出以下（已忽略其余debug日志）：

task-1> (+)100000002,20190716,13.76
task-1> (+)100000002,20190717,0.35999999999999943
task-1> (+)100000002,20190718,2.4700000000000006

对比指望输出（表2），20190717和20190718两个窗口的数据均正确，代表业务逻辑正确，但此输出与指望输出有少量差别：
（1）20190716输出为13.76，这是由于第一个hop窗口只有一条数据致使的，这种数据能够在业务层过滤掉；
（2）20190719的数据没有输出，这是由于咱们设置了watermark，测试环境下20190719以后没有数据进来触发20190719对应的窗口的结束。

5、几点思考

一、关于UDAF内部方法的调用关系和顺序

UDAF中主要有createAccumulator、getValue、accumulate、retract和merge方法，其调用关系和顺序并非彻底肯定，而是与Blink底层优化、Blink版本、开窗类型（如hop仍是over窗口）等相关。
比较肯定的是一次正常（没有failover）的做业，createAccumulator方法只在做业启动时调用一次，accumulate方法在每条数据输入时调用一次，在触发数据输出时会调用一次getValue（并不表明只调用一次）。
而retract方法和merge方法则跟具体的优化方式或开窗类型有关，本案例中over窗口调用retract方法而不调用merge方法，hop窗口调用merge方法而不调用retract方法。
你们能够增长日志，观察这几个方法的调用顺序，仍是蛮有意思的。

二、如何知道须要实现UDAF中的哪些方法

UDAF中必须实现createAccumulator、getValue、accumulate方法，可选择实现retract和merge方法。
通常状况下，可先实现createAccumulator、getValue、accumulate三个方法，而后编写SQL后进行语法检查，SQL编译器会提示是否须要retract或merge方法。
好比，若是没有实现retract方法，在使用over窗口时，语法检查会报相似以下错误：

org.apache.flink.table.api.ValidationException: Function class 'com.alibaba.blink.sql.udx.SubtractionUdaf' does not implement at least one method named 'retract' which is public, not abstract and (in case of table functions) not static.

好比，若是没有实现merge方法，在使用over窗口时，语法检查会报相似以下错误：

org.apache.flink.table.api.ValidationException: Function class 'com.alibaba.blink.sql.udx.SubtractionUdaf' does not implement at least one method named 'merge' which is public, not abstract and (in case of table functions) not static.

三、本案例存在优化空间的地方

（1）本案例没有考虑数据缺失的问题，好比由于某种缘由（网络问题、数据采集问题等）缺乏20190717的数据。这种状况下会是什么样的结果？你们能够自行测试下；（2）本案例使用了一个List，而后经过Collections.sort方法进行排序，这不是很优的方法，若是用优先级队列（priority queue）性能应该会更好；

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