Structured Streaming 之 Event Time 解析

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本文内容适用范围：
* 2017.07.11 update, Spark 2.2 全系列 √ (已发布：2.2.0)
* 2017.10.02 update, Spark 2.1 全系列 √ (已发布：2.1.0, 2.1.1, 2.1.2)

阅读本文前，请一定先阅读 Structured Streaming 实现思路与实现概述 一文，其中概述了 Structured Streaming 的实现思路，有了全局概念后再看本文的细节解释。

Event Time !

Spark Streaming 时代有过非官方的 event time 支持尝试 [1]，而在进化后的 Structured Streaming 里，添加了对 event time 的原生支持。

我们来看一段官方 programming guide 的例子 [2]：

import spark.implicits._val words = ... // streaming DataFrame of schema { timestamp: Timestamp, word: String }// Group the data by window and word and compute the count of each group
// Please note: we'll revise this example in <Structured Streaming 之 Watermark 解析>
val windowedCounts = words.groupBy(window($"timestamp", "10 minutes", "5 minutes"),$"word"
).count()

这里的执行过程如下图。

• 我们有一系列 arriving 的 records
• 首先是一个对着时间列 timestamp 做长度为10m，滑动为5m 的 window() 操作
  • 例如上图右上角的虚框部分，当达到一条记录 12:22|dog 时，会将 12:22 归入两个窗口 12:15-12:25、12:20-12:30，所以产生两条记录：12:15-12:25|dog、12:20-12:30|dog，对于记录 12:24|dog owl 同理产生两条记录：12:15-12:25|dog owl、12:20-12:30|dog owl
  • 所以这里 window() 操作的本质是 explode()，可由一条数据产生多条数据
• 然后对 window() 操作的结果，以 window 列和 word 列为 key，做 groupBy().count() 操作
  • 这个操作的聚合过程是增量的（借助 StateStore）
• 最后得到一个有 window, word, count 三列的状态集

处理 Late Data

还是沿用前面 window() + groupBy().count() 的例子，但注意有一条迟到的数据 12:06|cat ：

可以看到，在这里的 late data，在 State 里被正确地更新到了应在的位置。

OutputModes

我们继续来看前面 window() + groupBy().count() 的例子，现在我们考虑将结果输出，即考虑 OutputModes：

(a) Complete

Complete 的输出是和 State 是完全一致的：

(b) Append

Append 的语义将保证，一旦输出了某条 key，未来就不会再输出同一个 key。

所以，在上图 12:10 这个批次直接输出 12:00-12:10|cat|1, 12:05-12:15|cat|1 将是错误的，因为在 12:20 将结果更新为了 12:00-12:10|cat|2，但是 Append 模式下却不会再次输出 12:00-12:10|cat|2，因为前面输出过了同一条 key 12:00-12:10|cat 的结果12:00-12:10|cat|1。

为了解决这个问题，在 Append 模式下，Structured Streaming 需要知道，某一条 key 的结果什么时候不会再更新了。当确认结果不会再更新的时候（下一篇文章专门详解依靠 watermark 确认结果不再更新），就可以将结果进行输出。

如上图所示，如果我们确定 12:30 这个批次以后不会再有对 12:00-12:10 这个 window 的更新，那么我们就可以把 12:00-12:10 的结果在 12:30 这个批次输出，并且也会保证后面的批次不会再输出 12:00-12:10 的 window 的结果，维护了 Append 模式的语义。

(c) Update

Update 模式已在 Spark 2.1.1 及以后版本获得正式支持。

如上图所示，在 Update 模式中，只有本执行批次 State 中被更新了的条目会被输出：

• 在 12:10 这个执行批次，State 中全部 2 条都是新增的（因而也都是被更新了的），所以输出全部 2 条；
• 在 12:20 这个执行批次，State 中 2 条是被更新了的、 4 条都是新增的（因而也都是被更新了的），所以输出全部 6 条；
• 在 12:30 这个执行批次，State 中 4 条是被更新了的，所以输出 4 条。这些需要特别注意的一点是，如 Append 模式一样，本执行批次中由于（通过 watermark 机制）确认 12:00-12:10 这个 window 不会再被更新，因而将其从 State 中去除，但没有因此产生输出。

总结

本文解析了 Structured Streaming 原生提供的对 event time 的支持，包括 window()、groupBy() 增量聚合、对 late date 的支持、以及在 Complete, Append, Update 模式下的输出结果。

扩展阅读

1. Github: org/apache/spark/sql/catalyst/analysis/Analyzer.scala#TimeWindowing
2. Github: org/apache/spark/sql/catalyst/expressions/TimeWindow

参考资料

1. https://github.com/cloudera/spark-dataflow
2. Structured Streaming Programming Guide - Window Operations on Event Time