实时流式计算

1.简介

一般流式计算会与批量计算相比较。在流式计算模型中，输入是持续的，可以认为在时间上是无界的，也就意味着，永远拿不到全量数据去做计算。同时，计算结果是持续输出的，也即计算结果在时间上也是无界的。流式计算一般对实时性要求较高，同时一般是先定义目标计算，然后数据到来之后将计算逻辑应用于数据。同时为了提高计算效率，往往尽可能采用增量计算代替全量计算。流式计算就相当于扶梯，是可以源源不断的产生数据，源源不断的接收数据，没有边界。

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2 应用场景

• 日志分析

  网站的用户访问日志进行实时的分析，计算访问量，用户画像，留存率等等，实时的进行数据分析，帮助企业进行决策

• 大屏看板统计

  可以实时的查看网站注册数量，订单数量，购买数量，金额等。

• 公交实时数据

  可以随时更新公交车方位，计算多久到达站牌等

• 实时文章分值计算

  头条类文章的分值计算，通过用户的行为实时文章的分值，分值越高就越被推荐。

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3 技术方案选型

• Hadoop

  Hadoop是一个开源的分布式存储和计算框架，最初由Apache软件基金会开发。它旨在处理大规模数据集，并能够提供高容错性的数据处理能力。Hadoop主要包括Hadoop分布式文件系统（HDFS）和MapReduce计算框架两个核心组件，以及YARN资源管理器等支持组件。它的设计目标是在廉价的硬件上构建大规模数据处理能力，能够有效地处理PB级别的数据，并具有良好的扩展性和容错性。Hadoop被广泛应用于大数据处理、数据分析和数据挖掘等领域，成为处理大规模数据的重要工具之一。

• Apche Storm

  Storm 是一个分布式实时大数据处理系统，可以帮助我们方便地处理海量数据，具有高可靠、高容错、高扩展的特点。是流式框架，有很高的数据吞吐能力。

• Kafka Stream

  可以轻松地将其嵌入任何Java应用程序中，并与用户为其流应用程序所拥有的任何现有打包，部署和操作工具集成。

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4 Kafka Stream

4.1 概述

Kafka Stream是Apache Kafka从0.10版本引入的一个新Feature。它是提供了对存储于Kafka内的数据进行流式处理和分析的功能。

Kafka Stream的特点如下：

• Kafka Stream提供了一个非常简单而轻量的Library，它可以非常方便地嵌入任意Java应用中，也可以任意方式打包和部署
• 除了Kafka外，无任何外部依赖
• 充分利用Kafka分区机制实现水平扩展和顺序性保证
• 通过可容错的state store实现高效的状态操作（如windowed join和aggregation）
• 支持正好一次处理语义
• 提供记录级的处理能力，从而实现毫秒级的低延迟
• 支持基于事件时间的窗口操作，并且可处理晚到的数据（late arrival of records）
• 同时提供底层的处理原语Processor（类似于Storm的spout和bolt），以及高层抽象的DSL（类似于Spark的map/group/reduce）

4.2 Kafka Streams的关键概念

• 源处理器（Source Processor）：源处理器是一个没有任何上游处理器的特殊类型的流处理器。它从一个或多个kafka主题生成输入流。通过消费这些主题的消息并将它们转发到下游处理器。
• Sink处理器：sink处理器是一个没有下游流处理器的特殊类型的流处理器。它接收上游流处理器的消息发送到一个指定的Kafka主题。

4.3 KStream

（1）数据结构类似于map,如下图，key-value键值对

（2）KStream

KStream数据流（data stream），即是一段顺序的，可以无限长，不断更新的数据集。00
数据流中比较常记录的是事件，这些事件可以是一次鼠标点击（click），一次交易，或是传感器记录的位置数据。

KStream负责抽象的，就是数据流。与Kafka自身topic中的数据一样，类似日志，每一次操作都是向其中插入（insert）新数据。

4.4 Kafka Stream入门案例编写

（1）需求分析，求单词个数（word count）

（2）引入依赖

在kafka-demo工程的pom文件中引入

<dependency>
    <groupId>org.apache.kafka</groupId>
    <artifactId>kafka-streams</artifactId>
    <exclusions>
        <exclusion>
            <artifactId>connect-json</artifactId>
            <groupId>org.apache.kafka</groupId>
        </exclusion>
        <exclusion>
            <groupId>org.apache.kafka</groupId>
            <artifactId>kafka-clients</artifactId>
        </exclusion>
    </exclusions>
</dependency>

(3)创建原生的kafka staream入门案例

/**
 * 流式处理
 */
public class KafkaStreamQuickStart {

    public static void main(String[] args) {

        //kafka的配置信心
        Properties prop = new Properties();
        prop.put(StreamsConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG,"192.168.100.130:9092");
        prop.put(StreamsConfig.DEFAULT_KEY_SERDE_CLASS_CONFIG, Serdes.String().getClass());
        prop.put(StreamsConfig.DEFAULT_VALUE_SERDE_CLASS_CONFIG, Serdes.String().getClass());
        prop.put(StreamsConfig.APPLICATION_ID_CONFIG,"streams-quickstart");

        //stream 构建器
        StreamsBuilder streamsBuilder = new StreamsBuilder();

        //流式计算
        streamProcessor(streamsBuilder);


        //创建kafkaStream对象
        KafkaStreams kafkaStreams = new KafkaStreams(streamsBuilder.build(),prop);
        //开启流式计算
        kafkaStreams.start();
    }

    /**
     * 流式计算
     * @param streamsBuilder
     */
    private static void streamProcessor(StreamsBuilder streamsBuilder) {
        //创建kstream对象，同时指定从那个topic中接收消息
        KStream<String, String> stream = streamsBuilder.stream("my-topic-input");
        /**
         * 处理消息的value
         */
        stream.flatMapValues(new ValueMapper<String, Iterable<String>>() {
            @Override
            public Iterable<String> apply(String value) {
                return Arrays.asList(value.split(" "));
            }
        })
                //按照value进行聚合处理
                .groupBy((key,value)->value)
                //时间窗口
                .windowedBy(TimeWindows.of(Duration.ofSeconds(10)))
                //统计单词的个数
                .count()
                //转换为kStream
                .toStream()
                .map((key,value)->{
                    System.out.println("key:"+key+",vlaue:"+value);
                    return new KeyValue<>(key.key().toString(),value.toString());
                })
                //发送消息
                .to("my-topic-out");
    }
}

(4)测试准备

• 使用生产者在topic为：my_topic_input中发送多条消息

• 使用消费者接收topic为：my_topic_out

结果：

• 通过流式计算，会把生产者的多条消息汇总成一条发送到消费者中输出

4.5 SpringBoot集成Kafka Stream

（1）自定配置参数

/**
 * 通过重新注册KafkaStreamsConfiguration对象，设置自定配置参数
 */

@Setter
@Getter
@Configuration
@EnableKafkaStreams
@ConfigurationProperties(prefix="kafka")
public class KafkaStreamConfig {
    private static final int MAX_MESSAGE_SIZE = 16* 1024 * 1024;
    private String hosts;
    private String group;
    @Bean(name = KafkaStreamsDefaultConfiguration.DEFAULT_STREAMS_CONFIG_BEAN_NAME)
    public KafkaStreamsConfiguration defaultKafkaStreamsConfig() {
        Map<String, Object> props = new HashMap<>();
        props.put(StreamsConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG, hosts);
        props.put(StreamsConfig.APPLICATION_ID_CONFIG, this.getGroup()+"_stream_aid");
        props.put(StreamsConfig.CLIENT_ID_CONFIG, this.getGroup()+"_stream_cid");
        props.put(StreamsConfig.RETRIES_CONFIG, 10);
        props.put(StreamsConfig.DEFAULT_KEY_SERDE_CLASS_CONFIG, Serdes.String().getClass());
        props.put(StreamsConfig.DEFAULT_VALUE_SERDE_CLASS_CONFIG, Serdes.String().getClass());
        return new KafkaStreamsConfiguration(props);
    }
}

修改application.yml文件，在最下方添加自定义配置

kafka:
  hosts: 192.168.100.130:9092
  group: ${spring.application.name}

(2)新增配置类，创建KStream对象，进行聚合

@Configuration
@Slf4j
public class KafkaStreamHelloListener {

    @Bean
    public KStream<String,String> kStream(StreamsBuilder streamsBuilder){
        //创建kstream对象，同时指定从那个topic中接收消息
        KStream<String, String> stream = streamsBuilder.stream("my-topic-input");
        stream.flatMapValues(new ValueMapper<String, Iterable<String>>() {
            @Override
            public Iterable<String> apply(String value) {
                return Arrays.asList(value.split(" "));
            }
        })
                //根据value进行聚合分组
                .groupBy((key,value)->value)
                //聚合计算时间间隔
                .windowedBy(TimeWindows.of(Duration.ofSeconds(10)))
                //求单词的个数
                .count()
                .toStream()
                //处理后的结果转换为string字符串
                .map((key,value)->{
                    System.out.println("key:"+key+",value:"+value);
                    return new KeyValue<>(key.key().toString(),value.toString());
                })
                //发送消息
                .to("myt-topic-out");
        return stream;
    }
}