10.Table API和Flink SQL之窗口操作

Leefs 2022-03-03 PM 1791℃ 0条

[TOC]

### 前言

时间语义，要配合窗口操作才能发挥作用。最主要的用途，当然就是开窗口、根据时间段做计算了。下面我们就来看看 Table API 和 SQL 中，怎么利用时间字段做窗口操作。

在 Table API 和 SQL 中，主要有两种窗口：**Group Windows 和 Over Windows**

**数据准备**

+ **sensor.txt**

```basic
sensor_1,1547718199,35.8
sensor_6,1547718201,15.4
sensor_7,1547718202,6.7
sensor_10,1547718205,38.1
sensor_1,1547718206,32
sensor_1,1547718208,36.2
sensor_1,1547718210,29.7
sensor_1,1547718213,30.9
```

### 一、分组窗口（Group Windows）

分组窗口（Group Windows）会根据时间或行计数间隔，将行聚合到有限的组（Group）中，并对每个组的数据执行一次聚合函数。

Table API 中的 Group Windows 都是使用`.window（w:GroupWindow）`子句定义的，并且必须由 as 子句指定一个别名。为了按窗口对表进行分组，窗口的别名必须在 group by 子句中，像常规的分组字段一样引用。

```java
val table = input
	.window([w: GroupWindow] as 'w) // 定义窗口，别名 w
	.groupBy('w, 'a) // 以属性 a 和窗口 w 作为分组的 key
	.select('a, 'b.sum) // 聚合字段 b 的值，求和
```

或者，还可以把窗口的相关信息，作为字段添加到结果表中：

```java
val table = input
    .window([w: GroupWindow] as 'w)
    .groupBy('w, 'a)
    .select('a, 'w.start, 'w.end, 'w.rowtime, 'b.count)
```

Table API 提供了一组具有特定语义的预定义 Window 类，这些类会被转换为底层 DataStream 或 DataSet 的窗口操作。

Table API 支持的窗口定义，和我们熟悉的一样，主要也是三种：**滚动（Tumbling）、滑 动（Sliding）和会话（Session）**。

#### 1.1 滚动窗口

滚动窗口（Tumbling windows）要用 Tumble 类来定义，另外还有三个方法：

+ **over**：定义窗口长度
+ **on**：用来分组（按时间间隔）或者排序（按行数）的时间字段
+ **as**：别名，必须出现在后面的 groupBy 中

**代码如下：**

```java
// Tumbling Event-time Window（事件时间字段 rowtime）
.window(Tumble over 10.minutes on 'rowtime as 'w)

// Tumbling Processing-time Window（处理时间字段 proctime）
.window(Tumble over 10.minutes on 'proctime as 'w)

// Tumbling Row-count Window (类似于计数窗口，按处理时间排序，10 行一组)
.window(Tumble over 10.rows on 'proctime as 'w)
```

**案例**

> 需求：设置`滚动窗口为10秒钟`统计`id`出现的次数。

**代码**

```java
import org.apache.flink.streaming.api.windowing.time.Time
import org.apache.flink.streaming.api.TimeCharacteristic
import org.apache.flink.streaming.api.functions.timestamps.BoundedOutOfOrdernessTimestampExtractor
import org.apache.flink.streaming.api.scala._
import org.apache.flink.table.api.{EnvironmentSettings, Table, Tumble}
import org.apache.flink.table.api.scala._
import org.apache.flink.types.Row

/**
  * @author lilinchao
  * @date 2022/3/2
  * @description 设置滚动窗口
  **/
object FlinkSQLTumBlingTie {

def main(args: Array[String]): Unit = {
    val env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment
    env.setParallelism(1)
    env.setStreamTimeCharacteristic(TimeCharacteristic.EventTime)

val settings = EnvironmentSettings.newInstance()
      .useBlinkPlanner()
      .inStreamingMode()
      .build()

val tableEnv = StreamTableEnvironment.create(env,settings)

//读取数据
    val inputStream = env.readTextFile("datas/sensor.txt")

// 先转换成样例类类型（简单转换操作)
    val dataStream = inputStream.map(data => {
      val arr = data.split(",")
      SensorReading(arr(0), arr(1).toLong, arr(2).toDouble)
    }).assignTimestampsAndWatermarks(new BoundedOutOfOrdernessTimestampExtractor[SensorReading](Time.seconds(1)) {
      override def extractTimestamp(t: SensorReading): Long = t.timestamp * 1000L
    })

val sensorTable: Table = tableEnv.fromDataStream(dataStream, 'id, 'temperature, 'timestamp.rowtime as 'ts)
    //注册表
    tableEnv.createTemporaryView("sensor",sensorTable)
    //Table API 实现
    val resultTable = sensorTable
      .window(Tumble over 10.seconds on 'ts as 'tw) //每10秒统计一次，滚动时间窗口
      .groupBy('id, 'tw)
      .select('id, 'id.count, 'tw.end)

resultTable.toAppendStream[Row].print("table")
    sqlTable.toRetractStream[Row].print("sqlTable")

env.execute("FlinkSQLTumBlingTie")
  }

case class SensorReading(id: String, timestamp: Long, temperature: Double)
}
```

#### 1.2 滑动窗口

滑动窗口（Sliding windows）要用 Slide 类来定义，另外还有四个方法：

+ **over**：定义窗口长度
+ **every**：定义滑动步长
+ **on**：用来分组（按时间间隔）或者排序（按行数）的时间字段
+ **as**：别名，必须出现在后面的 groupBy 中

代码如下：

```java
// Sliding Event-time Window
.window(Slide over 10.minutes every 5.minutes on 'rowtime as 'w)

// Sliding Processing-time window
.window(Slide over 10.minutes every 5.minutes on 'proctime as 'w)

// Sliding Row-count window
.window(Slide over 10.rows every 5.rows on 'proctime as 'w)
```

**案例**

> 需求： 设置`窗口大小为10秒钟设置滑动距离为5秒钟`，统计`id`的出现的次数。

**代码实现**

```java
import com.lilinchao.flink.sqldemo.TumbleWindowExample.SensorReading
import org.apache.flink.streaming.api.TimeCharacteristic
import org.apache.flink.streaming.api.functions.timestamps.BoundedOutOfOrdernessTimestampExtractor
import org.apache.flink.streaming.api.scala._
import org.apache.flink.streaming.api.windowing.time.Time
import org.apache.flink.table.api.{EnvironmentSettings, Slide}
import org.apache.flink.table.api.scala._
import org.apache.flink.types.Row

/**
  * @author lilinchao
  * @date 2022/3/2
  * @description 滑动窗口
  **/
object FlinkSQLSlideTime {

def main(args: Array[String]): Unit = {
    //构建运行环境
    val env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment
    env.setParallelism(1) // 设置分区为1 方便后面测试
    env.setStreamTimeCharacteristic(TimeCharacteristic.EventTime) //事件时间

val settings = EnvironmentSettings.newInstance()
      .useBlinkPlanner()
      .inStreamingMode()
      .build()

//创建表 env
    val tableEnv = StreamTableEnvironment.create(env,settings)

//读取数据
    val inputStream = env.readTextFile("datas/sensor.txt")
    // 先转换成样例类类型（简单转换操作)
    val dataStream = inputStream.map(data => {
      val arr = data.split(",")
      SensorReading(arr(0), arr(1).toLong, arr(2).toDouble)
    }).assignTimestampsAndWatermarks(new BoundedOutOfOrdernessTimestampExtractor[SensorReading](Time.seconds(1)) {
      override def extractTimestamp(t: SensorReading): Long = t.timestamp * 1000L
    })

val sensorTable = tableEnv.fromDataStream(dataStream,'id,'temperature,'timestamp.rowtime as 'ts)
    //注册表
    tableEnv.createTemporaryView("sensor",sensorTable)
    //table API实现
    val tableApi = sensorTable.window(Slide over 10.seconds every 5.seconds on 'ts as 'w)
      .groupBy('w, 'id)
      .select('id, 'id.count, 'w.end)

tableApi.toAppendStream[Row].print("tableApi====")
    tableSQL.toAppendStream[Row].print("result")

env.execute("FlinkSQLSlideTime")
  }
}
```

#### 1.3 会话窗口

会话窗口（Session windows）要用 Session 类来定义，另外还有三个方法：

+ **withGap**：会话时间间隔
+ **on**：用来分组（按时间间隔）或者排序（按行数）的时间字段
+ **as**：别名，必须出现在后面的 groupBy 中

**代码如下：**

```java
// Session Event-time Window
.window(Session withGap 10.minutes on 'rowtime as 'w)

// Session Processing-time Window
.window(Session withGap 10.minutes on 'proctime as 'w)
```

**案例**

> 需求：设置一个`session 为10秒钟` 统计`id`的个数

**代码**

```java
import com.lilinchao.flink.sqldemo.TumbleWindowExample.SensorReading
import org.apache.flink.streaming.api.TimeCharacteristic
import org.apache.flink.streaming.api.functions.timestamps.BoundedOutOfOrdernessTimestampExtractor
import org.apache.flink.streaming.api.scala._
import org.apache.flink.streaming.api.windowing.time.Time
import org.apache.flink.table.api.{EnvironmentSettings, Session, Table}
import org.apache.flink.table.api.scala._
import org.apache.flink.types.Row

/**
  * @author lilinchao
  * @date 2022/3/2
  * @description 会话窗口
  **/
object FlinkSqlSessionTime {

val settings = EnvironmentSettings.newInstance()
      .useBlinkPlanner()
      .inStreamingMode()
      .build()

//创建表env
    val tableEnv = StreamTableEnvironment.create(env,settings)

val sensorTable = tableEnv.fromDataStream(dataStream,'id,'temperature,'timestamp.rowtime as 'ts)
    //注册表
    tableEnv.createTemporaryView("sensor",sensorTable)

val tableApi: Table = sensorTable
      .window(Session withGap 10.seconds on 'ts as 'w)
      .groupBy('id, 'w)
      .select('id, 'id.count, 'w.end)

env.execute("FlinkSqlSessionTime")
  }
}
```

### 二、Over Windows

Over window 聚合是标准 SQL 中已有的（Over 子句），可以在查询的 SELECT 子句中定义。 Over window 聚合，会针对每个输入行，计算相邻行范围内的聚合。

Over windows 使用`.window（w:overwindows*）`子句定义，并在 select（）方法中通过别名来引用。

**代码如下：**

```java
val table = input
    .window([w: OverWindow] as 'w)
    .select('a, 'b.sum over 'w, 'c.min over 'w)
```

Table API 提供了 Over 类，来配置 Over 窗口的属性。可以在事件时间或处理时间，以及指定为时间间隔、或行计数的范围内，定义 Over windows。

无界的over window是使用常量指定的。也就是说，时间间隔要指定`UNBOUNDED_RANGE`， 或者行计数间隔要指定`UNBOUNDED_ROW`。而有界的 over window 是用间隔的大小指定的。

**实际代码应用如下：**

**（1）无界的over window**

```java
// 无界的事件时间 over window (时间字段 "rowtime")
.window(Over partitionBy 'a orderBy 'rowtime preceding UNBOUNDED_RANGE as 'w)

//无界的处理时间 over window (时间字段"proctime")
.window(Over partitionBy 'a orderBy 'proctime preceding UNBOUNDED_RANGE as 'w)

// 无界的事件时间 Row-count over window (时间字段 "rowtime")
.window(Over partitionBy 'a orderBy 'rowtime preceding UNBOUNDED_ROW as 'w)

//无界的处理时间 Row-count over window (时间字段 "rowtime")
.window(Over partitionBy 'a orderBy 'proctime preceding UNBOUNDED_ROW as 'w)
```

**（2）有界的 over window**

```java
// 有界的事件时间 over window (时间字段 "rowtime"，之前 1 分钟)
.window(Over partitionBy 'a orderBy 'rowtime preceding 1.minutes as 'w)

// 有界的处理时间 over window (时间字段 "rowtime"，之前 1 分钟)
.window(Over partitionBy 'a orderBy 'proctime preceding 1.minutes as 'w)

// 有界的事件时间 Row-count over window (时间字段 "rowtime"，之前 10 行)
.window(Over partitionBy 'a orderBy 'rowtime preceding 10.rows as 'w)

// 有界的处理时间 Row-count over window (时间字段 "rowtime"，之前 10 行)
.window(Over partitionBy 'a orderBy 'proctime preceding 10.rows as 'w)
```

**案例**

> 需求：我们可以综合学习过的内容，用一段完整的代码实现一个具体的需求。例如，**统计每个sensor每条数据，与之前两行数据的平均温度。**

**实现代码**

```java
import com.lilinchao.flink.sqldemo.TumbleWindowExample.SensorReading
import org.apache.flink.streaming.api.TimeCharacteristic
import org.apache.flink.streaming.api.functions.timestamps.BoundedOutOfOrdernessTimestampExtractor
import org.apache.flink.streaming.api.scala._
import org.apache.flink.streaming.api.windowing.time.Time
import org.apache.flink.table.api.{EnvironmentSettings, Over}
import org.apache.flink.table.api.scala._
import org.apache.flink.types.Row

/**
  * @author lilinchao
  * @date 2022/3/3
  * @description 1.0 
  **/
object FlinkSqlTumBlingOverTime {

val settings = EnvironmentSettings.newInstance()
      .useBlinkPlanner()
      .inStreamingMode()
      .build()

//创建表env
    val tableEnv = StreamTableEnvironment.create(env,settings)

// 将数据注册成一张临时表
    val sensorTable = tableEnv.fromDataStream(dataStream,'id,'temperature,'timestamp.rowtime as 'ts)
    //注册表
    tableEnv.createTemporaryView("sensor",sensorTable)

val tableRes = sensorTable.window(Over partitionBy 'id orderBy 'ts preceding 2.rows as 'ow)
      .select('id,'ts,'id.count over 'ow,'temperature.avg over 'ow)

tableRes.toAppendStream[Row].print("tableRes")
    tableSQL.toAppendStream[Row].print("tableSQL")

env.execute("FlinkSqlTumBlingOverTime")
  }
}
```

*附参考文章链接：*

*https://cloud.tencent.com/developer/article/1785228*

标签: Flink

非特殊说明，本博所有文章均为博主原创。

如若转载，请注明出处：https://lilinchao.com/archives/1931.html

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