硬核！八張圖搞懂 Flink 端到端精準一次處理語義 Exactly-once（深入原理，建議收藏）
Flink
在 Flink 中需要端到端精準一次處理的位置有三個：
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Source 端：數據從上一階段進入到 Flink 時，需要保證消息精準一次消費。
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Flink 內部端：這個我們已經了解，利用 Checkpoint 機制，把狀態存檔，發生故障的時候可以恢復，保證內部的狀態一致性。不了解的小夥伴可以看下我之前的文章：
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Sink 端：將處理完的數據發送到下一階段時，需要保證數據能夠準確無誤發送到下一階段。
在 Flink 1.4 版本之前，精準一次處理只限於 Flink 應用內，也就是所有的 Operator 完全由 Flink 狀態保存並管理的才能實現精確一次處理。但 Flink 處理完數據後大多需要將結果發送到外部系統，比如 Sink 到 Kafka 中，這個過程中 Flink 並不保證精準一次處理。
在 Flink 1.4 版本正式引入了一個里程碑式的功能：兩階段提交 Sink，即 TwoPhaseCommitSinkFunction 函數。該 SinkFunction 提取並封裝了兩階段提交協議中的公共邏輯，自此 Flink 搭配特定 Source 和 Sink（如 Kafka 0.11 版）實現精確一次處理語義(英文簡稱：EOS，即 Exactly-Once Semantics)。
端到端精準一次處理語義（EOS）
以下內容適用於 Flink 1.4 及之後版本
對於 Source 端：Source 端的精準一次處理比較簡單，畢竟數據是落到 Flink 中，所以 Flink 只需要保存消費數據的偏移量即可， 如消費 Kafka 中的數據，Flink 將 Kafka Consumer 作為 Source，可以將偏移量保存下來，如果後續任務出現了故障，恢復的時候可以由連接器重置偏移量，重新消費數據，保證一致性。
對於 Sink 端：Sink 端是最複雜的，因為數據是落地到其他系統上的，數據一旦離開 Flink 之後，Flink 就監控不到這些數據了，所以精準一次處理語義必須也要應用於 Flink 寫入數據的外部系統，故這些外部系統必須提供一種手段允許提交或回滾這些寫入操作，同時還要保證與 Flink Checkpoint 能夠協調使用（Kafka 0.11 版本已經實現精確一次處理語義）。
我們以 Flink 與 Kafka 組合為例，Flink 從 Kafka 中讀數據，處理完的數據在寫入 Kafka 中。
為什麼以Kafka為例，第一個原因是目前大多數的 Flink 系統讀寫數據都是與 Kafka 系統進行的。第二個原因，也是最重要的原因 Kafka 0.11 版本正式發布了對於事務的支援，這是與Kafka交互的Flink應用要實現端到端精準一次語義的必要條件。
當然，Flink 支援這種精準一次處理語義並不只是限於與 Kafka 的結合，可以使用任何 Source/Sink，只要它們提供了必要的協調機制。
Flink 與 Kafka 組合
如上圖所示，Flink 中包含以下組件：
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一個 Source，從 Kafka 中讀取數據（即 KafkaConsumer）
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一個時間窗口化的聚會操作（Window）
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一個 Sink，將結果寫入到 Kafka（即 KafkaProducer）
若要 Sink 支援精準一次處理語義(EOS)，它必須以事務的方式寫數據到 Kafka，這樣當提交事務時兩次 Checkpoint 間的所有寫入操作當作為一個事務被提交。這確保了出現故障或崩潰時這些寫入操作能夠被回滾。
當然了，在一個分散式且含有多個並發執行 Sink 的應用中，僅僅執行單次提交或回滾是不夠的，因為所有組件都必須對這些提交或回滾達成共識，這樣才能保證得到一個一致性的結果。Flink 使用兩階段提交協議以及預提交(Pre-commit)階段來解決這個問題。
兩階段提交協議（2PC）
兩階段提交協議（Two-Phase Commit，2PC）是很常用的解決分散式事務問題的方式，它可以保證在分散式事務中，要麼所有參與進程都提交事務，要麼都取消，即實現 ACID 中的 A （原子性）。
在數據一致性的環境下，其代表的含義是：要麼所有備份數據同時更改某個數值，要麼都不改，以此來達到數據的強一致性。
兩階段提交協議中有兩個重要角色，協調者（Coordinator）和參與者（Participant），其中協調者只有一個，起到分散式事務的協調管理作用，參與者有多個。
顧名思義，兩階段提交將提交過程劃分為連續的兩個階段：表決階段（Voting）和提交階段（Commit）。
兩階段提交協議過程如下圖所示：
第一階段：表決階段
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協調者向所有參與者發送一個 VOTE_REQUEST 消息。
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當參與者接收到 VOTE_REQUEST 消息，向協調者發送 VOTE_COMMIT 消息作為回應，告訴協調者自己已經做好準備提交準備，如果參與者沒有準備好或遇到其他故障，就返回一個 VOTE_ABORT 消息，告訴協調者目前無法提交事務。
第二階段：提交階段
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協調者收集來自各個參與者的表決消息。如果所有參與者一致認為可以提交事務，那麼協調者決定事務的最終提交，在此情形下協調者向所有參與者發送一個 GLOBAL_COMMIT 消息，通知參與者進行本地提交；如果所有參與者中有任意一個返回消息是 VOTE_ABORT，協調者就會取消事務，向所有參與者廣播一條 GLOBAL_ABORT 消息通知所有的參與者取消事務。
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每個提交了表決資訊的參與者等候協調者返回消息，如果參與者接收到一個 GLOBAL_COMMIT 消息，那麼參與者提交本地事務，否則如果接收到 GLOBAL_ABORT 消息，則參與者取消本地事務。
兩階段提交協議在 Flink 中的應用
Flink 的兩階段提交思路：
我們從 Flink 程式啟動到消費 Kafka 數據，最後到 Flink 將數據 Sink 到 Kafka 為止，來分析 Flink 的精準一次處理。
- 當 Checkpoint 啟動時，JobManager 會將檢查點分界線（checkpoint battier）注入數據流，checkpoint barrier 會在運算元間傳遞下去，如下如所示：
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Source 端：Flink Kafka Source 負責保存 Kafka 消費 offset，當 Chckpoint 成功時 Flink 負責提交這些寫入，否則就終止取消掉它們，當 Chckpoint 完成位移保存，它會將 checkpoint barrier（檢查點分界線） 傳給下一個 Operator，然後每個運算元會對當前的狀態做個快照，保存到狀態後端（State Backend）。
對於 Source 任務而言，就會把當前的 offset 作為狀態保存起來。下次從 Checkpoint 恢復時，Source 任務可以重新提交偏移量，從上次保存的位置開始重新消費數據，如下圖所示：
- Slink 端：從 Source 端開始，每個內部的 transform 任務遇到 checkpoint barrier（檢查點分界線）時，都會把狀態存到 Checkpoint 里。數據處理完畢到 Sink 端時，Sink 任務首先把數據寫入外部 Kafka，這些數據都屬於預提交的事務（還不能被消費），此時的 Pre-commit 預提交階段下 Data Sink 在保存狀態到狀態後端的同時還必須預提交它的外部事務，如下圖所示：
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當所有運算元任務的快照完成（所有創建的快照都被視為是 Checkpoint 的一部分），也就是這次的 Checkpoint 完成時，JobManager 會向所有任務發通知，確認這次 Checkpoint 完成，此時 Pre-commit 預提交階段才算完成。才正式到兩階段提交協議的第二個階段：commit 階段。該階段中 JobManager 會為應用中每個 Operator 發起 Checkpoint 已完成的回調邏輯。
本例中的 Data Source 和窗口操作無外部狀態，因此在該階段，這兩個 Opeartor 無需執行任何邏輯，但是 Data Sink 是有外部狀態的，此時我們必須提交外部事務，當 Sink 任務收到確認通知，就會正式提交之前的事務，Kafka 中未確認的數據就改為「已確認」，數據就真正可以被消費了，如下圖所示：
註：Flink 由 JobManager 協調各個 TaskManager 進行 Checkpoint 存儲，Checkpoint 保存在 StateBackend（狀態後端） 中，默認 StateBackend 是記憶體級的，也可以改為文件級的進行持久化保存。
最後，一張圖總結下 Flink 的 EOS：
此圖建議保存，總結全面且簡明扼要，再也不慫面試官！
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