Join таблиц в реальном времени на Apache Flink

Допустим есть 2 таблицы в любой реляционной базе данных.
Таблица users весом 4TB

Таблица domains 2TB

Задача

В один летний день к вам приходит бизнес и требует результат выполнения запроса в реальном времени.

SELECT d.user_id, u.firstname, u.lastname, d.domain_name
FROM users u
INNER JOIN domains d
ON u.user_id = d.user_id

Первые решения, приходящие в голову

1. Первое, что придет на ум - это просто создать обычный view с содержимым запроса и попробовать отдать на проверку, но это не будет работать быстро и будет нагружать систему источника ( далее СИ ) данных.

2. Что обычно делают и мне довелось увидеть в разных компаниях - это приземление CDC данных в кафку и последующей дедупликацией на основе служебных метаданных CDC сообщения в различной системе приемника ( далее СП ) на уровне DWH или витрином слое.
   Например делаем CDC потоки в кафку для таблиц users domains и далее какой либо стриминг джобой вычитываем CDC поток из кафки и дедуплицируя кладем в СП в две разные таблицы для users и domains. Далее создаем view с запросом бизнеса и отдаем на проверку. Работать по скорости будет примерно так же, как и в 1 случае с небольшой погрешностью в зависимости от выбранного СП, однако таким образом удалось избавиться от нагрузки СИ. Из минусов - усложнили систему добавив еще 2 слоя.

Эффективное решение на Apache Flink

Для достижения реального времени выполнения запроса с уменьшенной нагрузкой нам также нужен будет слой кафки с CDC сообщениями и витриный слой, но в данной статье я опущу выбор и стратегию подхода на слое СП. У нас также возникнет слой обработки данных с внедрением Apache Flink, в качестве sink я применю для простоты вывод в консоль.

• Создайте maven проект с Java 11 и добавьте туда следующие Flink зависимости:

  <dependency>
     <groupId>org.apache.flink</groupId>
     <artifactId>flink-connector-kafka</artifactId>
     <version>3.2.0-1.19</version>
  </dependency>
  <dependency>
     <groupId>org.apache.flink</groupId>
     <artifactId>flink-sql-client</artifactId>
     <version>1.19</version>
  </dependency>
  <dependency>
     <groupId>org.apache.flink</groupId>
     <artifactId>flink-sql-client</artifactId>
     <version>1.19</version>
  </dependency>
  <dependency>
     <groupId>org.apache.flink</groupId>
     <artifactId>flink-java</artifactId>
     <version>${flink.version}</version>
  </dependency>
  <dependency>
     <groupId>org.apache.flink</groupId>
     <artifactId>flink-table-planner-loader</artifactId>
     <version>${flink.version}</version>
  </dependency>

• Вам также понадобится настроенный паттерн CDC, а именно CDC сообщения для наших двух таблиц в кафке.

• Далее с помощью Table API или DataStream API подпишитесь на кафка топики.
  Пример метода.

  public class User implements Serializable {
    public Integer id;
    public String firstname;
    public String lastname;
  
    // getters and setters omitted
  
    public static User fromRow(Row row) {
     // создайте маппер
    }
  }
  
  public class Domain implements Serializable {
    public Integer id;
    public Integer user_id;
    public String domain_name;
  
    // getters and setters omitted
  
    public static Domain fromRow(Row row) {
     // создайте маппер
    }
  }

   tableEnv.executeSql("CREATE TABLE users (" +
                  "`before` ROW<id: INT, firstname: STRING, lastname: STRING>," +
                  "`op` STRING," +
                  "`after` ROW<id: INT, firstname: STRING, lastname: STRING>," +
                  ") WITH (" +
                  "'connector' = 'kafka'," +
                  "'topic' = 'users_topic'," +
                  "'properties.bootstrap.servers' = 'kafka-brokers'," + // адреса брокеров кафки
                  "'properties.group.id' = 'users_consumer_group'," +
                  "'scan.startup.mode' = 'earliest'");
  
          DataStream<User> users = tableEnv.toDataStream(tableEnv.from("users")).map(User::fromRow);
  
  tableEnv.executeSql("CREATE TABLE domains (" +
                  "`before` ROW<id: INTEGER, user_id: INTEGER, domain_name: STRING>," +
                  "`op` STRING," +
                  "`after` ROW<id: INTEGER, user_id: INTEGER, domain_name: STRING>," +
                  ") WITH (" +
                  "'connector' = 'kafka'," +
                  "'topic' = 'domains_topic'," +
                  "'properties.bootstrap.servers' = 'kafka-brokers'," + // адреса брокеров кафки
                  "'properties.group.id' = 'domains_consumer_group'," +
                  "'scan.startup.mode' = 'earliest'");
  
          DataStream<Domain> domains = tableEnv.toDataStream(tableEnv.from("domains")).map(Domain::fromRow);
    

• После того, как убедились, что DataStream users и domains получают данные, для реализации `INNER JOIN` операции на уровне SQL нам понадобится метод connect .

  users
    .connect(domains)
    .keyBy(
      user -> user.id,
      domain -> domain.user_id
    )
    .process(new InnerJoinFunction())
    .print();

  import org.apache.flink.api.common.functions.OpenContext;
  import org.apache.flink.api.common.state.*;
  import org.apache.flink.streaming.api.functions.co.KeyedCoProcessFunction;
  import org.apache.flink.util.Collector;
  
  import java.io.Serializable;
  
  public class Join1 extends KeyedCoProcessFunction<Integer, User, Domain, InnerJoinFunction.Output> {
      private MapState<Integer, User> usersState;
      private ValueState<Domain> domainsState;
  
      @Override
      public void processElement1(final User user, final Context ctx, final Collector<InnerJoinFunction.Output> out) throws Exception {
          usersState.put(user.id, user);
          final Domain domain = domainsState.value();
  
          if (domain != null) {
              out.collect(new InnerJoinFunction.Output(
                      user.id,
                      user.firstname,
                      user.lastname,
                      domain.domain_name
              ));
          }
      }
  
      @Override
      public void processElement2(final Domain domain, final Context ctx, final Collector<InnerJoinFunction.Output> out) throws Exception {
          domainsState.update(domain);
  
          final boolean innerJoinCondition = !user.metadata.__is_deleted;
  
          for (User user : usersState.values()) {
              out.collect(new InnerJoinFunction.Output(
                      user.id,
                      user.firstname,
                      user.lastname,
                      domain.domain_name
              ));
          }
      }
  
      @Override
      public void open(OpenContext openContext) throws Exception {
          var usersStateDescriptor = new MapStateDescriptor<>(
                  "users",
                  Integer.class,
                  User.class
          );
          var domainsStateDescriptor = new ValueStateDescriptor<>(
                  "domains",
                  Domain.class
          );
          usersState = getRuntimeContext().getMapState(usersStateDescriptor);
          domainsState = getRuntimeContext().getState(domainsStateDescriptor);
  
          super.open(openContext);
      }
  
      public static class Output implements Serializable {
          public Integer user_id;
          public String firstname;
          public String lastname;
          public String domain_name;
          
          // getters and setters omitted
      }
  }

• MapState используется так как имеем реляцию один ко многим и достижения скорости обновления и доступа к данным в state

• На выходе мы будем видеть обновляемые в реальном времени в консоли актуальные данные формирующие данный запрос.
  Разумеется, данный пример простой и имеет нюансы в деталях реализации, но возможность реализации наглядно видна и все выполняемые операции выполняются за O(1) в процессе обновления state и отправки данных дальше по потоку. Если предположить, что СП справляется со всеми CRUD операциями не более относительно быстро, то результат запроса будет актуален всегда и выполняться на аналитическом хранилище будет быстро.

Дальнейшие шаги

• Для доработки данного примера разверните OLAP СП и грузите данные каким либо sink коннектором Flink. Вы будете видеть актуальную витрину даже когда данных очень много при правильной настройке и выдаче достаточных ресурсов на уровне СП даже при терабайтных нагрузках на СИ - данная теория была проверена мною на практике.

• Учитывайте при обработке данных в InnerJoinFunction удаления и апдейты и обрабатывайте их правильно.

• Перекосы тоже бывают и с ними бороться будет непросто.

• В прод конфигурации подумайте о внедрении RocksDB.