【flink状态管理（三）】StateBackend的整体设计、StateBackend创建说明

一. 状态后端概述

StateBackend作为状态存储后端，提供了创建和获取KeyedStateBackend及OperatorStateBackend的方法，并通过CheckpointStorage实现了对状态数据的持久化存储。

Flink支持MemoryStateBackend、FsStateBackend和RocksDBStateBackend三种类型的状态存储后端，三者的主要区别在于创建的KeyedStateBackend及CheckpointStorage不同。例如，MemoryStateBackend和FileStateBackend创建的是HeapKeyedStateBackend，RocksDBStateBackend创建的是RocksDBKeyedStateBackend。

本文关注StateBackend的设计与实现。

二. StateBackend的整体设计

1. 核心功能

在StateBackend接口中提供了如下核心功能。

• resolveCheckpoint()方法用于获取Checkpoint的Location信息，Location信息包含Checkpoint元数据信息；
• createCheckpointStorage()方法为Job创建CheckpointStorage对象，CheckpointStorage提供写入Checkpoint数据和元数据信息的能力；
• createKeyedStateBackend()方法用于创建KeyedStateBackend，KeyedStateBackend提供创建和管理KeyedState的能力；
• createOperatorStateBackend()方法主要用于创建OperatorStateBackend，通过OperatorStateBackend可以创建和管理OperatorState状态数据。

2. StateBackend的UML

StateBackend主要有AbstractStateBackend基本实现类，该类中没有提供实质性的方法，主要为了向前（ing）兼容。

AbstractFileStateBackend有MemoryStateBackend和FsStateBackend两种实现类，其中MemoryStateBackend主要通过JobManager堆内存存储Checkpoint数据，FsStateBackend通过FsCheckpointStorage将Checkpoint数据存储在指定文件系统中。

RockdsDBStateBackend也实现了StateBackend的基本功能，

• 内存状态：和其他状态管理后端不同的是，它创建的KeyedStateBackend是基于RocksDB实现的RocksDBKeyedStateBackend。KeyedState数据都会存储在RocksDB内存中。
• 持久化：对于CheckpointStorage的创建，RocksDBStateBackend依赖于FsStateBackend，即基于文件系统对Checkpoint中的状态数据进行持久化。

3. 小结

StateBackend提供了创建CheckpointStorage、KeyedStateBackend及OperatorStateBackend的功能。

基于MemoryStateBackend可以实现非常高效的状态数据获取和存储，但由于JobManager内存数量有限，对比较大的状态数据无法提供更好的支持。对于RocksDBStateBackend而言，可以基于RocksDB提供的LSM-Tree（Log StructuredMerge-Tree）内存数据结构，实现更加高效的堆外内存访问，支持大数据量的状态数据存储，这对生产环境来讲是一个更优的选择。

三. StateBackend的加载与初始化

1. StateBackend创建概述

StateBackend主要通过StateBackendFactory接口创建。StateBackendFactory主要有MemoryStateBackendFactory、FsStateBackendFactory和RocksDBStateBackendFactory三种实现，最终通过StateBackendFactory的不同实现类创建相应的StateBackend。

StateBackendFactory主要通过StateBackendLoader进行加载和创建。StateBackendLoader会根据state.backend的名称使用Java SPI技术加载相应类型的StateBackendFactory，最终创建StateBackend。

2. StateBackend创建过程

StateBackend会在两个过程中创建：

• 首先，在JobMaster根据JobGraph对象创建ExecutionGraph的过程中会创建StateBackend，用于CheckpointCoordinator组件管理状态和Checkpoint操作；
• 其次，在每个Task实例初始化的过程中会创建StateBackend，用于管理当前Task中的状态和Checkpoint数据。

接下来我们分步骤看StateBackend的创建过程。

1）在StreamTask中初始化StateBackend

前面我们已经知道，当StreamTask在TaskManager的Task线程中启动时，会调用invoke()抽象方法运行StreamTask中的算子。此时在beforeInvoke()方法中就会调用StreamTask.createStateBackend()方法创建当前Task中使用的StateBackend。

在StreamTask.createStateBackend()方法中可以看出，

//
private StateBackend createStateBackend() throws Exception {
   //1. 从UserCodeClassLoader获取StateBackend
   final StateBackend fromApplication = 
      configuration.getStateBackend(getUserCodeClassLoader());
   //2. 通过应用配置还是通过集群默认配置创建StateBackend
   return StateBackendLoader.fromApplicationOrConfigOrDefault(
         fromApplication,
         getEnvironment().getTaskManagerInfo().getConfiguration(),
         getUserCodeClassLoader(),
         LOG);
  //用户在代码中调用StreamExecutionEnvironment.enableCheckpointing()方法时，
  //系统默认配置主要是通过flink-conf.yaml启用StateBackend配置项。
}

 
2）StateBackendLoader加载配置的StateBackend

public static StateBackend fromApplicationOrConfigOrDefault(
      @Nullable StateBackend fromApplication,
      Configuration config,
      ClassLoader classLoader,
      @Nullable Logger logger) 
   throws IllegalConfigurationException, DynamicCodeLoadingException, IOException {
   checkNotNull(config, "config");
   checkNotNull(classLoader, "classLoader");
   final StateBackend backend;
   // 1) 如果应用配置的StateBackend不为空，则最高优先级是应用中定义的
   //StateBackend实现类。
   if (fromApplication != null) {
      if (logger != null) {
         logger.info("Using application-defined state backend: {}", fromApplication);
      }
      // 向fromApplication中追加额外的参数配置
      if (fromApplication instanceof ConfigurableStateBackend) {
         if (logger != null) {
            logger.info("Configuring application-defined state backend with 
               job/cluster config");
         }
         // 直接从UserClassLoader中反序列化出StateBackend
         backend = ((ConfigurableStateBackend) fromApplication)
            .configure(config, classLoader);
      }
      else {
         backend = fromApplication;
      }
   }
   else {
      //检查是否开启StateBackend默认配置
      final StateBackend fromConfig = 
          loadStateBackendFromConfig(config, classLoader, logger);
      if (fromConfig != null) {
         backend = fromConfig;
      } else {
         //2. 如果配置为空则，创建默认MemoryStateBackend
         backend = new MemoryStateBackendFactory().createFromConfig(config, 
            classLoader);
         if (logger != null) {
            logger.info("No state backend has been configured, using default 
               (Memory / JobManager) {}", backend);
         }
      }
   }
   return backend;
}

 
3）通过StateBackendFactory创建StateBackend
这里举例说明MemoryStateBackend的创建过程。从方法中，调用了MemoryStateBackend()构造器创建基于堆内存的StateBackend，并调用configure()方法对StateBackend进行参数配置。

public MemoryStateBackend createFromConfig(Configuration config, ClassLoader 
   classLoader) {
   return new MemoryStateBackend().configure(config, classLoader);
}

 
《Flink设计与实现：核心原理与源码解析》–张利兵