Flink 实现Locality 模式调度

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我是靠谱客的博主整齐学姐，最近开发中收集的这篇文章主要介绍Flink 实现Locality 模式调度，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

背景

在计算与存储一体化的情况，spark任务在调度task时会优先将其调度在数据所在的节点上或者相同的rack上，这样可以减少数据在不同节点或者不同rack上移动所带来的性能消耗；目前在Flink on yarn模式下，TaskExecutor的资源位置完全由yarn自主控制的，那么就可能会造成任务所在的节点与kafka数据所在的节点不在同一个机房，从而产生跨机房的流量消耗，在这样的一个环境背景下，需要将任务调度在数据所在机房，以减少流量消耗。（注：基于Flink-1.10.1）

Flink on Yarn调度流程

在Flink-1.9版本以前使用的调度模式是LAZY_FROM_SOURCES即以source-vertex为起始节点开始调度，当有数据输出到下游节点时开始调度下游的vertex，以这种方式部署所有的vertex；在1.9及1.9版本以后使用EAGER调度模式即会立刻调度所有的vertex。下面看一下具体的调度流程图：

任务调度与部署是在JobMaster中通过DefaultScheduler完成，其会首先为所有的ExecutionVertex向SlotPoo(1)l申请资源然后部署，SlotPool会向ResourceManager中SlotManager(2)申请资源，如果没有可用的资源，那么就会向Yarn申请一个Container(3)，待yarn分配了资源之后，回调给YarnResourceManager，进而启动TaskExecutor(4)，TaskExecutor启动之后就会向YarnResourceManager汇报其资源情况(5)，在YarnResourceManager进行资源匹配之后就会向TaskExecutor申请资源(6)，然后TaskExecutor会将自身的资源分配给SlotPool(7)，最后告知给DefaultScheduler(8)将任务部署到对应的TaskExecutor上。至此完成一次完整的任务调度过程。

在SlotPool向SlotManager申请资源前，会生成一个AllocationId的唯一标识(资源ID)，并且在申请的时候会将这个标识一起携带过去，当TaskExecutor向YarnResourceManager汇报自身资源情况时，在YarnResourceManager中会做一个资源请求(携带AllocationId)与实际资源匹配的过程，主要是通过资源大小(cpu、内存)匹配，匹配成功之后YarnResourceManager会向TaskExecutor发送一个申请slot请求(携带AllocationId)，待请求成功之后TaskExecutor会将资源分配给对应的AllocationId的请求(7)，完成资源匹配过程。

Locality 调度实现分析

通常Flink与kafka是部署在不同的集群上，这里所说的Locality仅仅是实现rack级别的调度，即将任务调度在kafka对应分区数据所在的rack上，为了实现此功能，分为以下几个步骤：

1）数据分配：Flink每一个Source-Task拉取partition是按照一定规则进行分配的，为了实现相同rack的partition在同一个task，因此需要改变其分配策略；为了保证每一个rack的数据都被消费到，需要对source并行度进行扩张，以前可能一个task消费所有rack的数据，现在需要每一个rack上的数据都有对应的task去拉取数据

实现：在flink-conf.yaml 中配置yarn集群机器分布情况，包括ip以及对应的rack信息，那么任务启动会获取这些信息；在StreamGraphGenerator中的transformSource方法提前生成每个source-task消费的对应topic与partition信息，以及其需要调度到的rack信息。这里主要说明一下目前的分配策略：

例如：有a,b,c 三个rack, topic1对应partition:[0,1,2,3,4,5]， 可通过KafkaConsumer的partitionsFor方法获取对应的partition信息，parition的分布情况是：a ->[0,1],b->[2,3],c->[4,5]
如果设置的并行度为：1 ，则分配规则是：task0(a)->[0,1],task1(b)->[2,3],task2(c)->[4,5]
如果设置的并行度为：4 ，则分配规则是：task0(a)->[0],task1(b)->[2],task2(c)->[4],task3(a)->[1],task4(b)->[3],task5(c)->[5]
注：task0 表示下标为0的task

扩充规则是：userSourceParallelism%numRack==0?userSourceParallelism:(1+userSourceParallelism/numRack)*numRack，即生成的并行度是rack个数的整数倍。

生成的配置放在ExecutionConfig中的GlobalParameters中，实际效果图：

代表着下标为0的task消费partition-2,同时部署在rack-a中的机器上，下标为1的task消费partition-1,同时部署在rack-b的机器上，下标为2的task消费partition-0,同时部署在rack-c中的机器上。

2）资源申请：默认情况下在Flink向Yarn申请资源是不携带任何NodeManager信息的，通常需要向yarn申请资源的流程是当遇到新的Source-Task时才会去走这个流程(根据slot-shared机制)，因此只需要在Source对应的ExecutionVetex上打上对应的rack标签即可，将这个rack一直传递到YarnResourceManager端，然后获取该rack对应的机器，从这些机器上申请资源。

实现：在申请资源前会给ExecutionVertex配置相关的资源信息，在ExecutionVertexSchedulingRequirementsMapper.getPhysicalSlotResourceProfile中完成，因此在这里对ExecutionVertex的资源信息打上rack信息

boolean hasNoConnectedInputs=
executionVertex.getJobVertex().getJobVertex().hasNoConnectedInputs();
        if(hasNoConnectedInputs){
            try{
                int index=executionVertex.getParallelSubtaskIndex();
                ExecutionConfig executionConfig=executionVertex.getJobVertex().getJobVertex().getJobGraph().getExecutionConfig();
                Map<String,String> map=executionConfig.getGlobalJobParameters().toMap();
                String index2Zone=map.get("index2Zone");
                String zone="";
                ObjectMapper objectMapper=new ObjectMapper();
        //index 表示该ExecutionVertext的下标Index
                zone=objectMapper.readTree(index2Zone).findValue(String.valueOf(index)).asText();


                //赋予区域信息
                ResourceProfile resourceProfile1=resourceProfile.copy2ZoneUnknown(resourceProfile,zone);


                LOG.debug("vertexName:{},ResourceProfile:{}",executionVertex.getJobVertex().getName(),resourceProfile1);
                return resourceProfile1;


            }catch (Throwable e){
                LOG.error("parse resourceProfile error:{}",e);
            }
        }

在这里重新定义了ResourceProfile，赋予了其rack信息，ResourceProfile会一直传递到YarnResourceManager资源申请端：

public Collection<ResourceProfile> startNewWorker(ResourceProfile resourceProfile) {
        if (!resourceProfilesPerWorker.iterator().next().isMatching(resourceProfile)) {
            return Collections.emptyList();
        }
        //zone 表示 rack信息
        String zone=resourceProfile.getZone();
        if(zone!=null){
            requestYarnContainer(zone);
        }else{
            requestYarnContainer();
        }
        return resourceProfilesPerWorker;
    }

重新定义了requestYarnContainer流程，使请求包含rack信息：

AMRMClient.ContainerRequest getContainerRequest(String zone) {
        String[] ipList= ResourceManager.ZONE_IPS.get(zone).split(",");//获取该rack下的所有iplist
        LOG.debug("request slot from [{}] for zone [{}]",ipList,zone);
        AMRMClient.ContainerRequest request= new AMRMClient.ContainerRequest(
            getContainerResource(),
            ipList,
            null,
            RM_REQUEST_PRIORITY,false);//false：RelaxLocality表示不允许资源降级申请，一定要使其分布在指定的机器上
        containerRequestList.add(request);
        return request;
    }

由于yarn返回的是一个满足请求的一个资源集合，因此需要在满足的集合中做资源过滤，将多余资源返回给yarn，因此在回调方法onContainersAllocated中：

public void onContainersAllocated(List<Container> containers) {
        runAsync(() -> {
            log.info("Received {} containers with {} pending container requests.", containers.size(), numPendingContainerRequests);
            //final Collection<AMRMClient.ContainerRequest> pendingReques  ts = getPendingRequests();


            //请求到的host
            List<String> requestedHost=new ArrayList<>();
            containers.stream().map(container -> container.getNodeId().getHost()).forEach(requestedHost::add);


            //获取满足匹配的请求
            final Collection<AMRMClient.ContainerRequest> pendingRequests=containerRequestList.stream().map(containerRequest -> Tuple2.of(containerRequest.getNodes(),containerRequest))
                .filter(tuple2->
                    requestedHost.stream().filter(host->tuple2.f0.contains(host))
                        .count()>0
                )
                  .map(map->map.f1).collect(Collectors.toList());


           int matchRequest=pendingRequests.size();


           log.info("recevied container size : {}, matching request:{}",containers.size(),matchRequest);


            final Iterator<AMRMClient.ContainerRequest> pendingRequestsIterator = pendingRequests.iterator();


            // number of allocated containers can be larger than the number of pending container requests
            //final int numAcceptedContainers = Math.min(containers.size(), numPendingContainerRequests);
            final int numAcceptedContainers = Math.min(matchRequest, numPendingContainerRequests);
            final List<Container> requiredContainers = containers.subList(0, numAcceptedContainers);
            final List<Container> excessContainers = containers.subList(numAcceptedContainers, containers.size());


            for (int i = 0; i < requiredContainers.size(); i++) {
                //removeContainerRequest(pendingRequestsIterator.next());
                AMRMClient.ContainerRequest needRemoveRequest=pendingRequestsIterator.next();
                containerRequestList.remove(needRemoveRequest);
                removeContainerRequest(needRemoveRequest);
            }
      //返回多余的资源
            excessContainers.forEach(this::returnExcessContainer);
            requiredContainers.forEach(this::startTaskExecutorInContainer);


            // if we are waiting for no further containers, we can go to the
            // regular heartbeat interval
            if (numPendingContainerRequests <= 0) {
                resourceManagerClient.setHeartbeatInterval(yarnHeartbeatIntervalMillis);
            }
        });
    }

3) 资源匹配：默认情况下，在YarnResourceManager中做分配到的资源与申请的资源匹配时是按照大小进行的，因此需要改为按照rack进行匹配

实现：匹配的流程在SlotManager.findExactlyMatchingPendingTaskManagerSlot中：

private PendingTaskManagerSlot findExactlyMatchingPendingTaskManagerSlot(ResourceProfile resourceProfile,String zone) {
        for (PendingTaskManagerSlot pendingTaskManagerSlot : pendingSlots.values()) {
            LOG.info("zone:{},request_zone:{}",zone,pendingTaskManagerSlot.getResourceProfile().getZone());


            /**
             * 区域匹配
             */
            if(zone.equals(pendingTaskManagerSlot.getResourceProfile().getZone())){
                LOG.debug("get resource zone:{},resourceProfile:{}",zone,pendingTaskManagerSlot.getResourceProfile());
                return pendingTaskManagerSlot;
            }

完成了这个资源匹配过程，并且在后续的流程中由AllocationId完成资源与具体的ExecutionVertex请求匹配，就可以将ExecutionVertex部署到匹配的机器上。

4) 指定source的消费数据：在数据分配中已经将每个task消费的数据指定好了，因此在source端只需要获取对应的分区信息即可，同时需要放弃默认的分配策略

实现：FlinkKafkaConsumerBase.open 中：

final List<KafkaTopicPartition> allPartitions = new ArrayList<>();


        //从配置里面获取
        Map<String,String> globalMaps=getRuntimeContext().getExecutionConfig().getGlobalJobParameters().toMap();
        String index2TopicPartitionsStr=globalMaps.get("index2TopicPartitions");
        ObjectMapper objectMapper=new ObjectMapper();


        JsonNode rootNode=objectMapper.readTree(index2TopicPartitionsStr);
        JsonNode topicPartitionNode=rootNode.findValue(String.valueOf(getRuntimeContext().getIndexOfThisSubtask()));


        topicPartitionNode.fieldNames().forEachRemaining(topic->{
            JsonNode partitionsNode=topicPartitionNode.findValue(topic);
            partitionsNode.iterator().forEachRemaining(jsonNode -> {
                allPartitions.add(new KafkaTopicPartition(topic,jsonNode.asInt()));
            });
        });


        allPartitions.stream().forEach(x->{
            LOG.debug("consumer topic:{}, partition:{}",x.getTopic(),x.getPartition());
        });

allPartitions 就代表了该task需要消费的数据。

至此整个流程完成。

总结

在实现该方案前，也做过在任务调度后直接在FlinkKafkaConsumerBase中自定义partition的分配，即根据机器的所在rack去获取对应的rack上的数据，但是经常会出现有数据的rack上没有对应的rack任务，只能做降级处理，将这些rack上的分区数据分配给其他rack上的任务，仍然会有部分的数据跨机房拉取，流量成本消耗缩减效果并不好，因此才做了这个Locality的方案，由于涉及的内容比较多，本文只提供了一个实现的思路与关键的部分代码。目前的实现方案仍然存在以下几个限制：

1.一个任务只能消费一个kafka集群的数据，由于slot-share机制，不同的JobVertext可以分配到同一个Slot上，如果有多个kafka集群的话，source就会对应多个JobVertex，那么在后续的JobVertext在申请资源的时候就会寻找前面已经申请到资源的JobVertext，很有可能会匹配到其他的rack的资源，目前并未对这块进行改造。

2.一个TaskExecutor只分配一个Slot，如果有多个slot的话，第一次申请后，后续SlotPool向YarnResourceManager申请资源时，直接发现有可用的Slot就会直接分配，很有可能会匹配到其他的rack的资源，目前并未对这块进行改造。

3.如果topic的partition在rack分配不均匀，可能会造成流量倾斜，因此需要在topic创建中做好partition的分布。

4.由于source-vertext的扩充，会导致需要的资源变多，因此需要在cpu/内存与流量成本消耗之间权衡。

目前在使用上主要是针对大的topic采取该方案，流量成本也有很显著的缩减效果，后续会对以上问题进行优化。