Flink集群架构

Flink采用Master-Slave架构，其中JobManager作为集群Master节点，主要负责任务协调和资源分配，TaskWorker作为Salve节点，用于执行流task。除了JobManager和TaskManager，还有一个重要的角色就是Client。Client虽然不是Flink Cluster 运行态的一部分，但也是Flink重要组件之一，用来提交流任务。

Flink集群之间的通信，是通过Akka Actor System来进行管控通信的。包括Client-JobManager和JobManager-TaskManager，而TaskManager之间的数据交换，是基于Netty实现的。

集群架构

Client

Client主要作用是将批或流应用程序编译成Dataflow Graph(也就是JobGraph)，然后将其提交给JobManager。详细来看，Client主要功能如下：

• 执行Application 的Main方法。

• Generate JobGraph。将用户编写的application code(DataStream/DataSet/SQL/Table API)代码翻译成JobGraph。

• Optimize JobGraph。比如将进行Operator Chain，能够减低数据延迟的同时增加系统吞吐。

• 提交JobGraph和dependency jar到JobManager。

JobManager

JobManager负责协调Flink application的分布式执行，比如task调度、Checkpoint协调、Failover协调等等。具体功能如下：

• JobGraph -> Execution Graph。接收Client的JobGraph后，将逻辑执行图JobGraph转换为物理执行图ExecutionGraph。

• Job分发(Job dispatcher)。

• Task的部署和调度。

• Checkpoint Coordinator。

• Recovery metadata。

其中JobManager内部主要功能组件如下：

• ResourceManager。ResourceManager负责Flink cluster中的资源调配工作，而资源调配的基本单位就是task slot。Flink为不同的环境和资源提供者(比如YARN、Mesos、Kubernetes和standalone cluster)提供了多种实现。比如在standalone部署环境下，ResourceManager只能分配可用TaskManager的task slot，不能去启动一个新的TaskManager。

• Dispatcher。Dispatcher提供了一个REST接口来让Client提交任务，并为提交的任务启动一个新的JobMaster。同时Dispatcher还未任务提供了Flink WebUI来展示任务执行信息。

• JobMaster。JobMaster负责管理和执行单个JobGraph。Flink Cluster能够同时运行多个job，每个job都有自己的JobMaster。

一个Flink Cluster至少有一个JobManager，在高可用部署模式下，可以有多个JobManager，但是只能有一个JobManager为leader，其它都为standby。

TaskManager

TaskManager主要用于执行Dataflow的task，并且缓冲和交换数据流。TaskManager中的task slot是集群的最小资源调度单位。TaskManager中的task slot数量，代表了该TaskManager所能并发处理的task数量。

TaskManager的主要功能如下：

• 执行task(Task Execution)。

• 数据交换(Network manager)。

• 内存管理(包括类型系统、数据序列化和反序列化)。

• 向JobManager中的ResourceManager注册自己，以便ResourceManager进行task调度。

• 向ResourceManager发送心跳。

上面的Client、JobManager和TaskManager中都有一个相同的组件，就是Actor System。Akka Actor System用于节点之间消息传输。

Task

对于分布式任务执行，Flink会将能够chain到一起的operator放到一个Task中来执行，每个Task由一个Thread来执行。

将可以chain到一起的operator放到一个task执行，是一种非常有效的优化手段。因为它能够减少线程到线程的切换开销和缓存开销，能够降低延迟的同时增加吞吐量。

JobGraph

上图是Application Dataflow的JobGraph，最上面是Dataflow的逻辑视图JobGraph，下面是带有并发语义的JobGraph。Task代表Dataflow中operator执行任务，而SubTask代表同一Operator(或Chain operator)的并发任务，比如上面的source-map chain operator代表一个task，source-map[1]代表该task的subtask。

Task Slot

Flink集群中的每个TaskManager是一个JVM进程，TaskManager能够执行一个或多个task。而TaskManager能够执行多少task，就是通过task slot来表示的。

每个task slot代表TaskManager中的固定资源子集，比如TaskManager中有3个task slot，则每个task slot所分配的资源为TaskManager所管理内存的1/3。需要注意的是，这里只隔离了内存，像CPU、I/O等资源都没有做隔离。

slot

如果一个TaskManger只有一个task slot的话，意味着每个task group(之所以称为组，是因为task slot会被共享)是JVM进程级别的隔离。而一个TaskManager如果有多个Task slot，则这些task之间能够共享JVM资源，比如TPC链接、心跳信息等；同时也可以共享数据集和数据结构，从而减少每个task的负载。

对于默认情况下，Flink是允许不同task的subtask共享slot的，只要它们属于同一job即可。通过共享slot，一个slot就可以容纳一个job的整个pipeline，比如下面第一个TaskManager中的第一个Task Slot，被source-map[1]、keyby-window[1]和sink[1]整个pipeline所共享，这样整个最大限度的减少数据跨线程/进程的数据通信。

slot共享

共享slot除了可能执行整个pipline外，还有以下两个优点：

1. Flink集群只要保证slot总数与job中最大的并发度一致即可，无需计算job中所有task总和。
2. 提升集群资源利用率。避免非密集型计算task(比如source-map)和密集型计算task(比如window)使用相同的资源。