Flink如何管理Kafka的消费偏移量
在这篇文章中我们将结合例子逐步讲解 Flink 是如何与 Kafka 工作来确保将 Kafka Topic 中的消息以 Exactly-Once 语义处理。
检查点(Checkpoint)是一种能使 Flink 从故障恢复的内部机制。检查点是 Flink 应用程序状态的一致性副本，包括了输入的读取位点。如果发生故障，Flink 通过从检查点加载应用程序状态来恢复应用程序，并从恢复的读取位点继续处理，就好像什么事情都没发生一样。你可以把检查点理解为电脑游戏的存档。如果你在游戏中存档之后发生了什么事情，你可以随时读档重来一次。
检查点使 Flink 具有容错能力，并确保在发生故障时也能保证流应用程序的语义。检查点每隔固定的间隔来触发，该间隔可以在应用中配置。
Flink 中的 Kafka 消费者是一个有状态的算子(operator)并且集成了 Flink 的检查点机制，它的状态是所有 Kafka 分区的读取偏移量。当一个检查点被触发时，每一个分区的偏移量都保存到这个检查点中。Flink 的检查点机制保证了所有算子任务的存储状态都是一致的，即它们存储状态都是基于相同的输入数据。当所有的算子任务成功存储了它们的状态，一个检查点才成功完成。因此，当从潜在的系统故障中恢复时，系统提供了 Excatly-Once 的状态更新语义。
下面我们将一步步的介绍 Flink 如何对 Kafka 消费偏移量做检查点的。在本文的例子中，数据存储在 Flink 的 JobMaster 中。值得注意的是，在 POC 或生产用例下，这些数据通常是存储到一个外部文件系统（如HDFS或S3）中。
1. 第一步
如下实例，从包含两个分区的 Kafka Topic 中读取数据，每个分区都含有 ‘A’, ‘B’, ‘C’, ‘D’, ‘E’ 5条消息。我们将两个分区的偏移量都设置为0。
2. 第二步
第一步，Kafka 消费者开始从分区 0 读取消息。消息 ‘A’ 正在被处理，第一个消费者的偏移量变成了1。
3. 第三步
第三步，消息 ‘A’ 到达了 Flink Map Task。两个消费者都开始读取他们下一条消息（分区 0 读取 ‘B’，分区 1 读取 ‘A’）。两个分区各自将偏移量更新为 2 和 1 。同时，Flink 的 JobMaster 决定在 source 触发一个检查点。
4. 第四步
接下来，Kafka 消费者为它们的状态创建第一个快照（”offset = 2, 1”），并存储到 Flink 的 JobMaster 中。Source 在消息 ‘B’ 和 ‘A’ 后面发送一个 checkpoint barrier。Checkopint barrier 用于在所有算子任务之间对齐检查点，保证了整个检查点的一致性。消息 ‘A’ 到达了 Flink Map Task，而上面的消费者继续读取下一条消息（消息 ‘C’）。
5. 第五步
这一步中，Flink Map Task 接收到两个 Source 的 checkpoint barrier 后（对齐 barrier），那么就会将它自己的状态存储到 JobMaster。同时，消费者会继续从 Kafka 分区中读取更多消息。
6. 第六步
一旦 Flink Map Task 完成了状态快照后，会与 Flink JobMaster 进行通信（汇报已经完成了checkpoint）。当一个作业的所有的 Task 都确认完成状态快照后，JobMaster 就成功完成了这个 checkpoint。从此刻开始，这个 checkpoint 就可以用于故障恢复了。值得一提的是，Flink 并不依赖 Kafka 的偏移量从系统故障中恢复。
7. 故障恢复
在发生故障时（例如，某个 worker 崩溃），所有的算子任务都会被重启，而他们的状态会被重置到最近一次成功的 checkpoint。如下图所示：
Kafka Source 分别从偏移量 2 和 1 重新开始读取消息（因为这是最近一次成功的 checkpoint 中的偏移量）。当作业重启后，我们可以期待正常的系统操作，就好像之前没有发生故障一样。
备注：
- 偏移量 Offset
- 算子 operator
- 分区 partition
- 消费者 consumer