高性能Flink SQL优化技巧 - 实时计算Flink版

本文将从作业配置和Flink SQL优化两方面为您介绍如何提升Flink SQL作业性能。

作业配置优化推荐方案

资源优化技巧
VVP中限制了JobManager和TaskManager的CPU的实际使用大小，配置了多少个CPU，最大就只能使用多少个CPU。因此在资源优化时，建议：
- 作业并发大时：在作业的部署详情页签的资源配置中，增加JobManager的资源，提高CPU和内存的大小，例如：
  - Job Manager CPUs设置为4。
  - Job Manager Memory设置为8 GiB。
- 作业拓扑较复杂时，在作业的部署详情页签的资源配置中，增加TaskManager的资源，提高CPU和内存的大小，例如：
  - Task Manager CPUs设置为2。
  - Task Manager Memory设置为4 GiB。
- 不建议修改taskmanager.numberOfTaskSlots，保持默认值1。

提升吞吐和解决数据热点的推荐配置

在其他配置中添加以下代码，具体操作请参见如何配置作业运行参数？和Group Aggregate优化技巧。

execution.checkpointing.interval: 180s
table.exec.state.ttl: 129600000
table.exec.mini-batch.enabled: true
table.exec.mini-batch.allow-latency: 5s
table.optimizer.distinct-agg.split.enabled: true

参数解释如下表所示。

参数	说明
execution.checkpointing.interval	Checkpoint间隔时间，单位为毫秒。
state.backend	State backend的配置。
table.exec.state.ttl	State数据的生命周期，单位为毫秒。
table.exec.mini-batch.enabled	是否开启minibatch。
table.exec.mini-batch.allow-latency	批量输出数据的时间间隔。
table.exec.mini-batch.size	微批操作所缓存的最大数据条数。说明实时计算引擎VVR已对Minibatch机制进行了优化，建议不设置该参数，具体参考重要参数说明。
table.optimizer.distinct-agg.split.enabled	是否开启PartialFinal优化，解决COUNT DISTINCT热点问题。

提升双流Join类型作业的性能配置
流式SQL中双流Join算子支持自动推导开启KV分离优化。在实时计算引擎VVR 6.0.1及以上版本中，SQL作业双流Join算子会根据作业特点，自动推导并开启State KV分离优化功能，无需您额外配置。开启State KV分离优化功能后，可以显著提升双流Join类型作业的性能。在典型场景的性能测试中，有40%以上的性能提升。
您可以通过table.exec.join.kv-separate配置项对该功能进行显式控制，参数取值详情如下：
- AUTO（默认值）：表示引擎内部会根据双流Join算子的State特点自动开启。
- FORCE：表示强制开启KV分离优化。
- NONE：表示强制关闭KV分离优化。
说明
该功能仅对Gemini StateBackend生效。

Group Aggregate优化技巧

开启MiniBatch（提升吞吐）

MiniBatch是缓存一定的数据后再触发处理，以减少对State的访问，从而提升吞吐并减少数据的输出量。

MiniBatch主要基于事件消息来触发微批处理，事件消息会按您指定的时间间隔在源头插入。

适用场景
微批处理通过增加延迟换取高吞吐，如果您有超低延迟的要求，不建议开启微批处理。对于一般聚合场景，微批处理可以显著提升系统性能，建议开启。

开启方式

MiniBatch默认关闭，在其他配置中填写以下代码即可开启，具体操作请参见如何配置作业运行参数？。

table.exec.mini-batch.enabled: true
table.exec.mini-batch.allow-latency: 5s

参数解释如下表所示。

参数	说明
table.exec.mini-batch.enabled	是否开启mini-batch。
table.exec.mini-batch.allow-latency	批量输出数据的时间间隔。
table.exec.mini-batch.size	微批操作所缓存的最大数据条数。说明该参数需要同时与上述两个参数一起使用才会生效。实时计算引擎VVR已对Minibatch机制进行了优化，建议不设置该参数，具体参考重要参数说明。

开启LocalGlobal（解决常见数据热点问题）
LocalGlobal本质上能够靠LocalAgg的聚合筛除部分倾斜数据，从而降低GlobalAgg的热点，提升性能。
LocalGlobal优化将原先的Aggregate分成Local和Global两阶段聚合，即MapReduce模型中的Combine和Reduce两阶段处理模式。第一阶段在上游节点积攒一批数据进行聚合（localAgg），并输出这次微批的增量值（Accumulator）。第二阶段再将收到的Accumulator合并（Merge），得到最终的结果（GlobalAgg）。
- 适用场景
  提升普通聚合（例如SUM、COUNT、MAX、MIN和AVG）的性能，以及这些场景下的数据热点问题。
- 使用限制
  LocalGlobal是默认开启的，但是有以下限制：
  - 在minibatch开启的前提下才能生效。
  - 需要使用AggregateFunction实现Merge。
- 判断是否生效
  观察最终生成的拓扑图的节点名字中是否包含GlobalGroupAggregate或LocalGroupAggregate。
开启PartialFinal（解决COUNT DISTINCT热点问题）
为了解决COUNT DISTINCT的热点问题，通常需要手动改写为两层聚合（增加按Distinct Key取模的打散层）。目前，实时计算提供了COUNT DISTINCT自动打散，即PartialFinal优化，您无需自行改写为两层聚合。
LocalGlobal优化针对普通聚合（例如SUM、COUNT、MAX、MIN和AVG）有较好的效果，对于COUNT DISTINCT收效不明显，因为COUNT DISTINCT在Local聚合时，对于DISTINCT KEY的去重率不高，导致在Global节点仍然存在热点问题。
- 适用场景
  使用COUNT DISTINCT，但无法满足聚合节点性能要求。
  说明
  不能在包含UDAF的Flink SQL中使用PartialFinal优化方法。
  数据量较少的情况，不建议使用PartialFinal优化方法，浪费资源。因为PartialFinal优化会自动打散成两层聚合，引入额外的网络Shuffle。
- 开启方式
  默认不开启。如果您需要开启，在其他配置中填写以下代码，具体操作请参见如何配置作业运行参数？。
```
table.optimizer.distinct-agg.split.enabled: true
```
- 判断是否生效
  观察最终生成的拓扑图，是否由原来一层的聚合变成了两层的聚合。
AGG WITH CASE WHEN改写为AGG WITH FILTER语法（提升大量COUNT DISTINCT场景性能）
统计作业需要计算各种维度的UV，例如全网UV、来自手机客户端的UV、来自PC的UV等等。建议使用标准的AGG WITH FILTER语法来代替CASE WHEN实现多维度统计的功能。实时计算目前的SQL优化器能分析出Filter参数，从而同一个字段上计算不同条件下的COUNT DISTINCT能共享State，减少对State的读写操作。性能测试中，使用AGG WITH FILTER语法来代替CASE WHEN能够使性能提升1倍。
- 适用场景
  对于同一个字段上计算不同条件下的COUNT DISTINCT结果的场景，性能提升很大。
- 原始写法
```
COUNT(distinct visitor_id) as UV1 , COUNT(distinct case when is_wireless='y' then visitor_id else null end) as UV2
```
- 优化写法
```
COUNT(distinct visitor_id) as UV1 , COUNT(distinct visitor_id) filter (where is_wireless='y') as UV2
```

TopN优化技巧

TopN算法
当TopN的输入是非更新流（例如SLS数据源），TopN只有1种算法AppendRank。当TopN的输入是更新流时（例如经过了AGG或JOIN计算），TopN有2种算法，性能从高到低分别是：UpdateFastRank和RetractRank。算法名字会显示在拓扑图的节点名字上。
- AppendRank：对于非更新流，只支持该算法。
- UpdateFastRank：对于更新流，最优算法。
- RetractRank：对于更新流，保底算法。性能不佳，在某些业务场景下可优化成UpdateFastRank。
下面介绍RetractRank如何能优化成UpdateFastRank。使用UpdateFastRank算法需要具备3个条件：
- 输入流为更新流，但不能包含DELETE（D）、UPDATE_BEFORE（UB）类型的消息，否则会影响排序字段的单调性。关于输入流的消息类型，可以通过执行EXPLAIN CHANGELOG_MODE <query_statement_or_insert_statement_or_statement_set>命令来获取对应节点输出的消息类型，语法详情请参见EXPLAIN语句。
- 输入流有Primary Key信息，例如上游做了GROUP BY聚合操作。
- 排序字段的更新是单调的，且单调方向与排序方向相反。例如，ORDER BY COUNT/COUNT_DISTINCT/SUM（正数）DESC。
如果您要获取到UpdateFastRank的优化Plan，则您需要在使用ORDER BY SUM DESC时，添加SUM为正数的过滤条件，确保total_fee为正数。
说明
如下示例中的random_test表为非更新流，对应的GROUP分组聚合的结果不会包含DELETE（D）、UPDATE_BEFORE（UB）消息，所以对应的聚合结果字段才能保持单调性。
可以优化成UpdateFastRank的示例：
```
insert
  into print_test
SELECT
  cate_id,
  seller_id,
  stat_date,
  pay_ord_amt  -- 不输出rownum字段，能减小结果表的输出量。
FROM (
    SELECT
      *,
      ROW_NUMBER () OVER (        
 -- 注意：PARTITION BY的列要被子查询中的GROUP BY分组聚合字段包含；另外要有时间字段，否则State过期会导致数据错乱。
        PARTITION BY cate_id,
        stat_date  
        ORDER
          BY pay_ord_amt DESC
      ) as rownum  --根据上游sum结果排序。
    FROM (
        SELECT
          cate_id,
          seller_id,
          stat_date,
          -- 重点：声明Sum的参数都是正数，所以Sum的结果是单调递增的，因此TopN能使用优化算法，只获取前100个数据。
          sum (total_fee) filter (
            where
              total_fee >= 0
          ) as pay_ord_amt
        FROM
          random_test
        WHERE
          total_fee >= 0
        GROUP
          BY seller_id,
          stat_date,
          cate_id
      ) a
    ) WHERE
      rownum <= 100;
```
TopN优化方法
- 无排名优化
  TopN的输出结果不需要显示rownum值，仅需在最终前端显示时进行1次排序，极大地减少输入结果表的数据量。无排名优化方法详情请参见Top-N。
- 增加TopN的Cache大小
  TopN为了提升性能有一个State Cache层，Cache层能提升对State的访问效率。TopN的Cache命中率的计算公式如下。
```
cache_hit = cache_size*parallelism/top_n/partition_key_num
```
  例如，Top100配置缓存10000条，并发50，当您的PartitionBy的Key维度较大时，例如10万级别时，Cache命中率只有10000*50/100/100000=5%，命中率会很低，导致大量的请求都会击中State（磁盘），观察state seek metric可能会有很多毛刺。性能会大幅下降。
  因此当partitionKey维度特别大时，可以适当加大TopN的cache size，相对应的也建议适当加大TopN节点的heap memory，详情请参见配置作业部署信息。
```
table.exec.rank.topn-cache-size: 200000
```
  默认10000条，调整TopN cache到200000，那么理论命中率能达到200000*50/100/100000 = 100%。
- PartitionBy的字段中要有时间类字段
  例如每天的排名，要带上Day字段，否则TopN的最终结果会由于State TTL产生错乱。

高效去重方案

实时计算的源数据在部分场景中存在重复数据，去重成为了用户经常反馈的需求。实时计算有保留第一条（Deduplicate Keep FirstRow）和保留最后一条（Deduplicate Keep LastRow）2种去重方案。

语法

由于SQL上没有直接支持去重的语法，还要灵活地保留第一条或保留最后一条。因此我们使用了SQL的ROW_NUMBER OVER WINDOW功能来实现去重语法。去重本质上是一种特殊的TopN。

SELECT *
FROM (
   SELECT *,
    ROW_NUMBER() OVER (PARTITION BY col1[, col2..]
     ORDER BY timeAttributeCol [asc|desc]) AS rownum
   FROM table_name)
WHERE rownum = 1

参数	说明
ROW_NUMBER()	计算行号的OVER窗口函数。行号从1开始计算。
PARTITION BY col1[, col2..]	可选。指定分区的列，即去重的KEYS。
ORDER BY timeAttributeCol [asc\|desc])	指定排序的列，必须是一个时间属性的字段（即Proctime或Rowtime）。可以指定顺序（Keep FirstRow）或者倒序（Keep LastRow）。
rownum	仅支持`rownum=1`或`rownum<=1`。

如上语法所示，去重需要两层Query：

使用ROW_NUMBER() 窗口函数来对数据根据时间属性列进行排序并标上排名。
- 当排序字段是Proctime列时，Flink就会按照系统时间去重，其每次运行的结果是不确定的。
- 当排序字段是Rowtime列时，Flink就会按照业务时间去重，其每次运行的结果是确定的。
对排名进行过滤，只取第一条，达到了去重的目的。
排序方向可以是按照时间列的顺序，也可以是倒序：
- Deduplicate Keep FirstRow：顺序并取第一条行数据。
- Deduplicate Keep LastRow：倒序并取第一条行数据。

Deduplicate Keep FirstRow
保留首行的去重策略：保留KEY下第一条出现的数据，之后出现该KEY下的数据会被丢弃掉。因为STATE中只存储了KEY数据，所以性能较优，示例如下。
```
SELECT *
FROM (
  SELECT *,
    ROW_NUMBER() OVER (PARTITION BY b ORDER BY proctime) as rowNum
  FROM T
)
WHERE rowNum = 1
```
以上示例是将表T按照字段b进行去重，并按照系统时间保留第一条数据。proctime在这里是源表T中的一个具有Processing Time属性的字段。如果您按照系统时间去重，也可以将proctime字段简化proctime()函数调用，可以省略proctime字段的声明。
Deduplicate Keep LastRow
保留末行的去重策略：保留KEY下最后一条出现的数据。保留末行的去重策略性能略优于LAST_VALUE函数，示例如下。
```
SELECT *
FROM (
  SELECT *,
    ROW_NUMBER() OVER (PARTITION BY b, d ORDER BY rowtime DESC) as rowNum
  FROM T
)
WHERE rowNum = 1
```
以上示例是将T表按照b和d字段进行去重，并按照业务时间保留最后一条数据。rowtime在这里是源表T中的一个具有Event Time属性的字段。

高效的内置函数

在使用内置函数时，您需要注意以下几点：

使用内置函数替换自定义函数
实时计算的内置函数在持续的优化当中，请尽量使用内置函数替换自定义函数。实时计算对内置函数主要进行了如下优化：
- 优化数据序列化和反序列化的耗时。
- 新增直接对字节单位进行操作的功能。
KEY VALUE函数使用单字符的分隔符
KEY VALUE的签名：KEYVALUE(content, keyValueSplit, keySplit, keyName)，当keyValueSplit和KeySplit是单字符，例如，冒号（:）、逗号（,）时，系统会使用优化算法，在二进制数据上直接寻找所需的keyName值，而不会将整个content进行切分，性能约提升30%。
LIKE操作注意事项
- 如果需要进行StartWith操作，使用LIKE 'xxx%'。
- 如果需要进行EndWith操作，使用LIKE '%xxx'。
- 如果需要进行Contains操作，使用LIKE '%xxx%'。
- 如果需要进行Equals操作，使用LIKE 'xxx'，等价于str = 'xxx'。
- 如果需要匹配下划线（_），请注意要完成转义LIKE '%seller/_id%' ESCAPE '/'。下划线（_）在SQL中属于单字符通配符，能匹配任何字符。如果声明为 LIKE '%seller_id%'，则不单会匹配seller_id，还会匹配seller#id、sellerxid或seller1id等，导致结果错误。
慎用正则函数（REGEXP）
正则表达式是非常耗时的操作，对比加减乘除通常有百倍的性能开销，而且正则表达式在某些极端情况下可能会进入无限循环，导致作业阻塞，因此建议使用LIKE。正则函数包括：
- REGEXP
- REGEXP_REPLACE

SQL Hints

为了更加灵活地提升引擎的优化能力Flink支持了SQL提示（SQL Hints），SQL提示一般可以用于以下场景：

修改执行计划：使用SQL提示，您可以更好地控制执行计划。
增加元数据（或者统计信息）：一些统计数据对于查询来说是动态的，例如已扫描的表索引、一些shuffle keys的倾斜信息等，从planner获得的计划元数据可能不准确，此时可以使用提示来配置它们。
动态表配置选项：动态表选项允许用户动态地指定或覆盖表选项，这些选项可以在每个查询的每个表范围内灵活地指定。

查询提示（Query Hints）是SQL提示的一种，用于为优化器修改执行计划提供建议，该修改只能在当前查询提示所在的查询块中生效（Query block）。目前查询提示只支持联接提示（Join Hints）。

语法

Flink中的查询提示语法与Apache Calcite的语法一致。

# Query hints:
SELECT /*+ hint [, hint ] */ ...

hint:
        hintName '(' hintOption [, hintOption ]* ')'

hintOption:
        simpleIdentifier
    |   numericLiteral
    |   stringLiteral

联接提示
联接提示（Join Hints）是查询提示的一种，该提示允许您动态的优化Join，目前支持维表JOIN Hints和双流JOIN hints。