知乎利用 JuiceFS 给 Flink 容器启动加速实践

本文作者胡梦宇，知乎大数据架构开发工程师，主要负责知乎内部大数据组件的二次开发和数据平台建设。

背景

Flink 因为其可靠性和易用性，已经成为当前最流行的流处理框架之一，在流计算领域占据了主导地位。早在 18 年知乎就引入了 Flink，发展到现在，Flink 已经成为知乎内部最重要的组件之一，积累了 4000 多个 Flink 实时任务，每天处理 PB 级的数据。

Flink 的部署方式有多种，根据资源调度器来分类，大致可分为 standalone、Flink on YARN、Flink on Kubernetes 等。目前知乎内部使用的部署方式是 Flink 官方提供的 native Kubernetes。谈到 Kubernetes，就不得不说容器镜像的问题，因为 Flink 任务的依赖多种多样，如何给 Flink 打镜像也是一个比较头疼的问题。

Flink 镜像及依赖处理

Flink 的任务大致可分为两类，第一类是 Flink SQL 任务，Flink SQL 任务的依赖大致有以下几种：

官方的 connector JAR 包，如 flink-hive-connector、flink-jdbc-connector、flink-kafka-connector 等;
非官方或者是内部实现的 connector JAR 包；
用户的 UDF JAR 包，一些复杂的计算逻辑，用户可能会自己实现 UDF。

第二类 Flink 任务是 Flink 的 jar 包任务，除了以上三种依赖，还需要依赖用户自己写的 Flink jar 程序包。

显然，对于每一个 Flink 任务，它的依赖不尽相同，我们也不可能为每一个 Flink 任务单独打一个镜像，我们目前的处理如下：

将依赖进行分类，分为稳定依赖和非稳定依赖；
稳定依赖包括组件（如 Flink、JDK 等）以及官方的 connector 包，这类依赖十分稳定，只会在 Flink 版本升级和 bug 修复这两种情况下进行改动，因此我们会在构建镜像时，将这类依赖打入镜像；
非稳定依赖包括第三方的 connector 和用户自己的 JAR 包。第三方的 connector 因为不是 Flink 官方维护，所以出问题需要修复的概率相对更大；用户自己的 JAR 包对于每个任务来说都不相同，而且用户会经常改动重新提交。对于这类不稳定的依赖，我们会动态注入，注入的方式是将依赖存入分布式文件系统，在容器启动的时候，利用 pre command 下载进容器里。

经过以上处理，Flink 镜像具备了一定的动态加载依赖的能力，Flink Job 的启动流程大致如下：

文件系统选取

HDFS 存放依赖的痛点

存放 Flink 依赖的文件系统在之前我们一直都是选用的 HDFS, 但是在使用过程中我们遇到了以下痛点：

NameNode 在任务高峰期压力过大，容器在下载依赖时向 NameNode 请求文件元数据会存在卡顿的情况，有些小的批任务，任务本身可能只需要运行十几秒，但是因为 NameNode 压力过大，导致下载依赖可能需要几分钟；
目前 Flink 集群我们是多数据中心部署，但是 HDFS 只有一个离线机房大集群，这样会存在跨数据中心拉文件的情况，消耗专线带宽；
有一些特殊的 Flink 任务完全不依赖 HDFS，换句话说它既不使用 checkpoint 也不读写 HDFS，但是因为 Flink 容器的依赖存放在 HDFS 上，导致这类任务依然离不开 HDFS。

使用对象存储的痛点

后面我们将 HDFS 换成了对象存储，解决了 HDFS 的一些痛点，但是很快我们发现了新的问题 — 对象存储单线程下载的速度慢。对象存储下载加速可选的方案一般有以下几种：

使用多线程下载进行分段下载，但是容器的 pre command 其实只适合执行一些比较简单的 shell 命令，如果采用分段下载，就必须对这一块进行比较大的改造，这是一个比较大的痛点；
给对象存储加代理层做缓存，加速的事情由代理来做，客户端依然可以单线程读取。这种办法的缺点是需要额外维护一个对象存储的代理组件，组件的稳定性也需要有保障。

尝试 JuiceFS

比较凑巧的是公司内部正在做 JuiceFS 的 POC, 有现成的对象存储代理层可用，我们对其进行了一系列测试，发现 JuiceFS 完全满足我们这个场景的需求，让我们比较惊喜的地方有以下几点：

JuiceFS 自带 S3 gateway 完美兼容 S3 对象存储协议，能够让我们很快上线，无需任何改动，并且 S3 gateway 本身无状态，扩缩容非常方便；
JuiceFS 自带缓存加速功能，经过测试，用 JuiceFS 代理对象存储后，单线程读取文件的速度是原来的 4 倍；
JuiceFS 提供本地文件系统挂载的方式，后面可以尝试依赖直接挂载进容器目录；
JuiceFS 可选用元数据与存储分离部署的方式，存储我们选用原来的对象存储，云厂商保证 11 个 9 的可用性；元数据我们选用分布式 KV 系统—TiKV，选用 TiKV 的原因是我们在线架构组的同事对 TiKV 有着丰富的开发和运维经验，SLA 能够得到极大的保障。这样 JuiceFS 的可用性和扩展性是非常强的。

JuiceFS 上线

JuiceFS 的上线过程分为以下阶段：

数据迁移，我们需要将原先存储在 HDFS 和对象存储上的数据同步到 JuiceFS 上，因为 JuiceFS 提供了数据同步的工具，并且 Flink 的依赖也不是特别大，所以这部分工作我们很快就完成了；
修改 Flink 镜像拉取依赖的地址，因为 JuiceFS 兼容对象存储协议，我们只需要在平台侧修改原来的对象存储的 endpoint 为 JuiceFS S3 gateway 的地址即可。

JuiceFS 上线后，我们 Flink 任务启动的流程图大致如下：

相比于使用 HDFS 的方式，我们能得到一个可预期的容器启动时间，容器下载依赖的速度不会受业务高峰期的影响；相比于原生的对象存储，容器下载依赖的速度提高约 4 倍。

展望

从开始调研 JuiceFS 到 JuiceFS 上线花费时间不到半个月，主要是因为 JuiceFS 的文档十分完备，让我们少走了很多弯路，其次是 JuiceFS 社区的伙伴也有问必答，因此我们的上线过程十分顺利。

初步尝试 JuiceFS 给我们带来的收益还是比较明显的，后续我们会考虑将 JuiceFS 应用在数据湖场景和算法模型加载的场景，让我们数据的使用更加灵活和高效。

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