Flink State Rescale性能优化

背景

今天我们来聊一聊flink中状态rescale的性能优化。我们知道flink是一个支持带状态计算的引擎，其中的状态分为了operator state和 keyed state两类。简而言之operator state是和key无关只是到operator粒度的一些状态，而keyed state是和key绑定的状态。而Rescale，意味着某个状态节点发生了并发的缩扩。在任务不修改并发重启的情况下，我们只需要按照task，将先前job的各个并发的state handle重新分发处理下载远程的持久化的state文件即可恢复。而发生rescale时，状态的数据分布将发生变化，因此存在一个reshuffle的过程，那么我们就来看看这个rescale的实现是怎么做的，以及其问题和优化手段。

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Rescale的实现

2017年社区有一篇博客就比较深入的介绍了Operator 和 keyed state的rescale的实现，感兴趣的话可以去了解下。



这两张图对比了是否基于keyGroup来划区的一个差别，社区中的版本使用的是基于keygroup的版本实现的，可以看到可以减少对于数据的random的访问。但是从B中我们看到，以rescale后的subtask为例:

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• subtask-0: 需要将原先subtask-0的dfs文件下载后将KG-3的数据剔除掉。这里需要剔除的原因是: 虽然我们任务启动后由于keyshuffle的原因，subtask-0不会再接收到KG-3的数据，但是后续如果继续做checkpoint，会导致这部分数据重新被上传到DFS文件中，而如果继续发生rescale，就可能导致和其他subtask-1上的KG-3的数据发生冲突导致数据问题
• subtask-1: 需要download原先subtask-0和subtask-1的数据dfs文件，并将subtask-0中的KG-1和KG-2的数据删除，以及原先subtask-1中的 KG-5 和 KG-6删除，并将其导入到新的RocksDB实例中。

因此我们可以总结出rescale的大致流程中，首先会将当前task所涉及的db文件恢复到本地，并从中挑选出属于当前keygroup的数据重新构建出新的db。

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从理论上分析，在不同的并发调整场景下，其rescale的代价也不尽相同



并发翻倍

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1.5倍扩并发

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并发减半

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接下来，我们在代码中确认相关的逻辑（代码基于Flink1.15版本）。

根据stateHandle元信息判断是否是rescale

我们可以看到当restoreStateHandles的数量大于1，或者stateHandle的keyGroupRange和当前task的range不一致时就是rescale的过程



在不是rescale的场景下，恢复的流程只需要将相应IncrementalRemoteKeyedStateHandle对应的文件下载到本地或者是直接使用local recovery中的 IncrementalLocalKeyedStateHandle所对应的本地文件的目录，直接执行 RocksDB.open()就可以将db数据恢复。

initialDB

首先根据keygroup的重叠比较，挑选出和当前keygroup有最大重叠范围的stateHandle作为initial state handle。这样的好处是可以尽可能利用最大重叠部分的数据，减少后续数据遍历的过程。在挑选出initial state handle 创建db之后，首先需要将db中不属于当前的task的keygroup的数据进行遍历删除。



因为flink中存储的keyed state的数据已经按照keygroup作为前缀作为排序，所以只需要删除头部和尾部的数据即可，这样就不用遍历全量的数据。



在当前的deleteRange的实现中是依赖遍历db，通过writeBatch的方式进行批量执行删除，这种方式当需要删除的key的基数较大时会比较耗时，并且都会触发io和compaction的开销，而rocksdb提供了deleteRange的接口，可以通过指定start和end key来进行快速的删除，经过测试下来基本只要ms级别就可以完成。参考 FLINK-21321

Bulk load

在完成base db裁剪之后，就需要将其他db的数据导入到base db中，目前的实现还是通过writeBatch来加速写入



在 FLINK-17971 中作者提供了sst ingest 写入的实现，本质上是利用rocksdb 的sst writer的工具，通过sst writer能直接构建出sst 文件，避免了直接写的过程中的compaction的问题，然后通过 db.ingestExternalFile直接将其导入db中。实际测试的过程中这样的写入性能有2-3倍的提升。

Rescale的优化应该迭代优化了很多次，最开始的实现应该是将所有的statehandle的数据download下来，将其遍历写入新的db，在 FLINK-8790 中首先将其优化成 base db + delete Range + bulk load的方式，后续的两个pr又通过Rocksdb提供的deleteRange + SSTIngest 特性加速。虽然这些优化应用上只有rescale的提速很明显，但是当我们遇到key的基数非常大时，就会出现我们遍历原先的db next调用和 写入的耗时也非常的大，因此rescale的场景可能还需要继续优化。

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关于RocksDB中deleteRange和SST Ingest功能笔者也做了一些研究，在后续的文章中会陆续更新出来，敬请期待

参考

https://blog.csdn.net/Z_Stand/article/details/115799605 sst ingest 原理

http://rocksdb.org/blog/2017/02/17/bulkoad-ingest-sst-file.html

https://rocksdb.org/blog/2018/11/21/delete-range.html delete range原理