EMR-StarRocks 与 Flink 在汇量实时写入场景的最佳实践

数据库 创建于:2023-05-29

作者：

刘腾飞 汇量后端开发工程师

阿里云开源OLAP研发团队

EMR-StarRocks介绍

阿里云EMR在年初推出了StarRocks服务，StarRocks是新一代极速全场景MPP（Massively Parallel Processing）数据仓库，致力于构建极速和统一分析体验。EMR StarRocks具备如下特点:

  • 兼容MySQL协议，可使用MySQL客户端和常用BI工具对接StarRocks来分析数据
  • 采用分布式架构：
    • 对数据表进行水平划分并以多副本存储
    • 集群规模可以灵活伸缩，支持10 PB级别的数据分析
    • 支持MPP框架，并行加速计算
    • 支持多副本，具有弹性容错能力
    • 支持向量化引擎和CBO
    • 支持弹性扩缩容
    • 支持明细模型、聚合模型、主键模型和更新模型

更多详细信息可以参考https://help.aliyun.com/document_detail/405463.html

Flink-CDC概念介绍

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CDC的全称是Change Data Capture，面向的场景包括数据同步、数据分发、数据采集，Flink CDC 主要面向数据库的变更，可以将上游数据和Schema的变更同步到下游数据湖和数据仓库中。2020年7月，Flink CDC项目提交了第一个Commit，去年8月，Flink社区发布了CDC2.0，经过两年时间的打磨，在商业化使用上已经非常成熟。本文主要以Mysql CDC为例，介绍StarRocks+Flink CDC实时入仓中用户遇到的痛点，以及在Flink和StarRocks层面进行的对应优化和解决方案。

使用CDC将一张Mysql表中的数据导入到StarRocks的表中，首先需要在StarRocks上建立用来承接Mysql数据的目标表，然后在Flink上分别创建Mysql表和StarRocks表在Flink中Sink和Source表的映射，然后执行一条insert into sink_table from source_table语句。执行完Insert into之后，会生成一个CDC任务，CDC任务首先向目标表同步源表的全量数据，完成后继续基于Binlog进行增量数据的同步。通过一个任务，完成数据的全量+增量同步，对于用户来讲是非常友好的。但是在使用的过程中，依然发现了一些痛点。

实时写入场景的用户痛点

SQL开发工作量大

对于一些还没有完成数仓建设的新业务，或是刚刚开始依托StarRocks进行OLAP平台建设的用户而言，在StarRocks中建表以承载Mysql同步过来的数据是第一步。在一些复杂的业务中，Mysql中的表往往有几十上百张，每张表又有数十个字段，要把它们对应的StarRocks表的建表语句全部编写出来是一个很大的工作量。第一个痛点StarRocks建表的工作量大。

Flink字段的数据类型映射关系复杂易错

在StarRocks中建表是第一步，建表完成之后，为了启动CDC任务，还需要在Flink中建立Mysql对应的Source表，以及StarRocks对应的Sink表，其中Flink建表时，每个字段的字段类型与Mysql、与StarRocks的映射关系需要严格注意，对于动辄几十上百个需要字段的表，每个字段都需要查找对应在Flink的类型映射关系，尤其令开发人员痛苦。因此，第二个痛点是上下游表与Flink字段的数据类型映射关系复杂，容易出错。

Schema变更操作繁琐

第三个痛点来自于业务数据Schema的变化，据Fivetran公司调查，约有60%的公司数据Schema每个月都会发生变化，30%的公司数据Schema每周都会发生变化。对于Mysql表中字段的增删改，用户希望在不影响CDC任务的情况下，将Schema变化同步到下游的StarRocks。目前常用的方案，是在手动停止任务后，更改StarRocks和Mysql的Schema，更改Flink侧的Sink和Source表结构，通过指定savepoints的方式再次启动任务。Schema变更的操作繁琐，无法自动化是第三个痛点。

数据同步任务占用资源多

第四个痛点，是在表的数量多、实时增量数据量大的场景下，CDC任务占用的内存和cpu资源较高，出于节省成本的考虑，用户希望尽可能的在资源利用方面进行优化。

接下来，我们来看针对这些痛点，EMR-StarRocks在与Flink深度结合方面做了哪些优化，提供了什么样的解决方案。

CTAS&CDAS

EMR-StarRocks与Flink团队推出的CTAS&CDAS功能主要是针对前三个痛点研发的一个解决方案。通过CTAS&CDAS，可以使用一条SQL语句，完成StarRocks建表、Flink-CDC任务创建、实时同步Schema变更等原本需要多项繁杂操作的任务，令开发和运维的工作量大大降低。

CTAS介绍

CTAS的全称是create table as，语法结构如下：

CREATE TABLE IF NOT EXISTS runoob_tbl1 with (
'starrocks.create.table.properties'=' engine = olap primary key(runoob_id) distributed by hash(runoob_id ) buckets 8',
'database-name'='test_cdc',
'jdbc-url'='jdbc:mysql://172.16.**.**:9030',
'load-url'='172.16.**.**:8030',
'table-name'='runoob_tbl_sr',
'username'='test',
'password' = '123456',
'sink.buffer-flush.interval-ms' = '5000'
)
 as table mysql.test_cdc.runoob_tbl  /*+ OPTIONS (   'connector' = 'mysql-cdc',
  'hostname' = 'rm-2zepd6e20u3od****.mysql.rds.aliyuncs.com',
  'port' = '3306',
  'username' = 'test',
  'password' = '123456',
  'database-name' = 'test_cdc',
  'table-name' = 'runoob_tbl'  )*/;

通过CTAS的语法结构可以看到，除了集群信息和DataBase信息外，还有一个特殊配置“starrocks.create.table.properties”，这是由于Mysql与StarRocks的表结构有一些不同，如Key Type、分区、Bucket Number等特殊配置，因此用它来承接StarRocks建表语句中字段定义后面的内容。

为了方便用户更快的建表，还设置了一个Simple Mode，配置方式如下：

CREATE TABLE IF NOT EXISTS runoob_tbl1 with (
'starrocks.create.table.properties'=' buckets 8',
'starrocks.create.table.mode'='simple',
'database-name'='test_cdc',
'jdbc-url'='jdbc:mysql://172.16.**.**:9030',
'load-url'='172.16.**.**:8030',
'table-name'='runoob_tbl_sr',
'username'='test',
'password' = '123456',
'sink.buffer-flush.interval-ms' = '5000'
)
 as table mysql.test_cdc.runoob_tbl  /*+ OPTIONS (   'connector' = 'mysql-cdc',
  'hostname' = 'rm-2zepd6e20u3od****.mysql.rds.aliyuncs.com',
  'port' = '3306',
  'username' = 'test',
  'password' = '123456',
  'database-name' = 'test_cdc',
  'table-name' = 'runoob_tbl'  )*/;

开启Simple Mode之后，将默认使用Primary Key模型，默认使用Mysql中的主键作为Primary Key，默认使用哈希(主键)进行分桶，这样，用户在启动Simple Mode对表使用CTAS语句时，就完全不需要关心Mysql中原表有哪些字段，字段名称是什么，主键是什么，只需要知道表名，就可以高效的完成SQL编写。

CTAS的原理

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如图所示，在执行了CTAS语句后，首先Flink会自动在StarRocks中创建一个与Mysql源表的Schema相同的目标表，然后建立Mysql与StarRocks表在Flink中的Sink和Source映射，接下来启动一个CDC任务，该任务将同步源表数据到目标表，并在运行时监测Mysql源表发送过来的数据发生的Schema变更，自动将Schema变更同步到StarRocks目标表中。CTAS功能实际上是用一个SQL，完成了原本需要手动编写SQL和执行的多项操作。

接下来介绍CTAS的实现原理。CTAS的实现主要依赖了Flink CDC、Flink Catalog和Schema Evolution。Flink的CDC功能前面已经介绍过了。其中的Catalog功能，使Flink可以感知到StarRocks中所有的DataBase和所有table的Schema，并对它们进行DDL操作。而Schema Evolution功能，是通过对数据的Schema变化进行检测和记录实现的，例如，当Mysql发生增列操作时，CTAS任务并不会根据Mysql的DDL变化，立刻对下游StarRocks进行添加列的操作，而是当第一条使用了新Schema的数据被处理时，才会通过对比新旧数据Schema的区别，生成对应的Alter Table Add Column语句，对StarRocks进行增列操作，在等待StarRocks的Schema变更完成之后，新的数据才会被推送到下游。

CDAS介绍

CDAS是CTAS的一个语法糖。通过CDAS语句，可以实现Mysql中的整库同步，即生成一个Flink Job，Source是Mysql中的database，目标表是StarRocks中对应的多张表。

CREATE DATABASE IF NOT EXISTS sr_db with (
'starrocks.create.table.properties'=' buckets 8',
'starrocks.create.table.mode'='simple',
'database-name'='test_cdc',
'jdbc-url'='jdbc:mysql://172.16.**.**:9030',
'load-url'='172.16.**.**:8030',
'username'='test',
'password' = '123456',
'sink.buffer-flush.interval-ms' = '5000'
)
 as table mysql.test_cdc.runoob_tbl including table
 'tabl1','tbl2','tbl3'   /*+ OPTIONS (   'connector' = 'mysql-cdc',
  'hostname' = 'rm-2zepd6e20u3od****.mysql.rds.aliyuncs.com',
  'port' = '3306',
  'username' = 'test',
  'password' = '123456',
  'database-name' = 'test_cdc' )*/;

由于我们期望使用一条SQL生成多张表的Schema和CDC任务，因此需要统一使用Simple模式。在实际使用过程中，一个DataBase中可能有些表不需要同步、有些表需要自定义配置，因此我们可以使用Including Table语法，只选择一个DataBase中的部分表进行CDAS操作，对于需要自定义属性配置的表，则使用CTAS语句进行操作。

重要特性

CTAS&CDAS的几个重要特性包括：

  • 支持将多个CDC任务使用同一个Job执行，节省了大量的内存和CPU资源。
  • 支持Source合并，在使用CDAS进行数据同步时，会使用一个Job管理所有表的同步任务，并自动将所有表的Source合并为一个，减少Mysql侧并发读取的压力。
  • 支持的Schema Change类型包括增加列、删除列和修改列名。这里需要注意的是，当前所支持的删除列操作，是通过将对应字段的值置空来实现的，例如上游Mysql表删除了一个字段，在Flink检测到数据Schema变更后，并不会将StarRocks中对应的列删除，而是在将数据写入到StarRocks时，把对应的字段的值填为空值。而修改列名的操作，也是通过增加一个新列，并把新数据中原来的列的值置空来实现的。

Connector-V2介绍

Connector-V2是为了解决第四个痛点而研发的，可以帮助用户降低通过Flink导入StarRocks时的内存消耗，提升任务的稳定性。

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如图所示，在V1版本中，为了保证Exactly-Once，我们需要将一次Checkpoint期间的所有数据都憋在Flink的Sink算子的内存中，由于Checkpoint时间不能设置的太短，且无法预测单位时间内数据的流量，因此不仅造成了内存资源的严重消耗，还经常因OOM带来稳定性问题。

V2版本通过两阶段提交的特性解决了这个问题，两阶段提交指的是，数据的提交分为两个阶段，第一阶段提交数据写入任务，在数据写入阶段数据都是不可见的，并且可以分批多次写入，第二阶段是提交阶段，通过Commit请求将之前多批次写入的数据同时置为可见。StarRocks侧提供了Begin、Prepare、Commit等接口，支持将多次数据写入请求作为同一个事务提交，保证了同一事务内数据的一致性。

通过显示的调用Transaction接口的方式，可以由原来在Flink侧积攒大批数据、一次性发送数据的方式，改进为连续小批量提交数据，在保证Exactly-Once的同时，大大降低了Flink侧用于存储数据Buffer的内存消耗问题，也提高了Flink任务的稳定性。

StarRocks + Flink在汇量的实践

在汇量的广告投放分析业务中，使用了CDAS特性来完成Mysql到Flink数据的实时变更。

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此前，该业务主要依托某闭源数据仓库进行OLAP分析，随着数据量的增长，在单表查询和多表Join场景都出现了较大的瓶颈，查询耗时达到无法容忍的分钟级，因此重新选型采用了StarRocks进行数据分析，在对应场景下表现十分优异。

在汇量的业务场景下，StarRocks中有几十张涉及操作元数据的小表是使用CDAS进行实时同步的，另外几张数据量较大的明细表是以离线导入的形式按天更新的。使用CDAS的主要是数据更新和Schema变化较为频繁的小表和维度表，进行业务查询时，将这些实时更新的表与离线的数据表进行Join，通过小表实时更新、大表离线更新、大小表联合查询的方式，实现了实时性、成本以及导入与查询性能的取舍均衡。由于业务对数据的准确性要求较高，因此使用了Exactly-once语义，通过Flink的Checkpoint机制来保证数据的不丢不重。

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