Flink 双流联结——间隔联结（Interval Join）

在有些场景下，我们要处理的时间间隔可能并不是固定的。比如，在交易系统中，需要实时地对每一笔交易进行核验，保证两个账户转入转出数额相等，也就是所谓的“实时对账”。两次转账的数据可能写入了不同的日志流，它们的时间戳应该相差不大，所以我们可以考虑只统计一段时间内是否有出账入账的数据匹配。这时显然不应该用滚动窗口或滑动窗口来处理——因为匹配的两个数据有可能刚好“卡在”窗口边缘两侧，于是窗口内就都没有匹配了；会话窗口虽然时间不固定，但也明显不适合这个场景。基于时间的窗口联结已经无能为力了。为了应对这样的需求，Flink提供了一种叫作“间隔联结”（interval join）的合流操作。顾名思义，间隔联结的思路就是针对一条流的每个数据，开辟出其时间戳前后的一段时间间隔，看这期间是否有来自另一条流的数据匹配。

1、间隔联结的原理 

间隔联结具体的定义方式是，我们给定两个时间点，分别叫作间隔的“上界”（upperBound）和“下界”（lowerBound）；于是对于一条流（不妨叫作A）中的任意一个数据元素a，就可以开辟一段时间间隔：[a.timestamp + lowerBound, a.timestamp + upperBound],即以a的时间戳为中心，下至下界点、上至上界点的一个闭区间：我们就把这段时间作为可以匹配另一条流数据的“窗口”范围。所以对于另一条流（不妨叫B）中的数据元素b，如果它的时间戳落在了这个区间范围内，a和b就可以成功配对，进而进行计算输出结果。所以匹配的条件为：

a.timestamp + lowerBound <= b.timestamp <= a.timestamp + upperBound

这里需要注意，做间隔联结的两条流A和B，也必须基于相同的key；下界lowerBound应该小于等于上界upperBound，两者都可正可负；间隔联结目前只支持事件时间语义。如下图所示，我们可以清楚地看到间隔联结的方式：

下方的流A去间隔联结上方的流B，所以基于A的每个数据元素，都可以开辟一个间隔区间。我们这里设置下界为-2毫秒，上界为1毫秒。于是对于时间戳为2的A中元素，它的可匹配区间就是[0, 3],流B中有时间戳为0、1的两个元素落在这个范围内，所以就可以得到匹配数据对(2, 0)和(2, 1)。同样地，A中时间戳为3的元素，可匹配区间为[1, 4]，B中只有时间戳为1的一个数据可以匹配，于是得到匹配数据对(3, 1)。所以我们可以看到，间隔联结同样是一种内连接（inner join）。与窗口联结不同的是，interval join做匹配的时间段是基于流中数据的，所以并不确定；而且流B中的数据可以不只在一个区间内被匹配。

2、间隔联结的调用

间隔联结在代码中，是基于KeyedStream的联结（join）操作。DataStream在keyBy得到KeyedStream之后，可以调用.intervalJoin()来合并两条流，传入的参数同样是一个KeyedStream，两者的key类型应该一致；得到的是一个IntervalJoin类型。后续的操作同样是完全固定的：先通过.between()方法指定间隔的上下界，再调用.process()方法，定义对匹配数据对的处理操作。调用.process()需要传入一个处理函数，这是处理函数家族的最后一员：“处理联结函数”ProcessJoinFunction。

/**
 * Interval Join
 */
public class IntervalJoinTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {

        //1、获取执行时间
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        //1.1、便于测试，测试环境设置并行度为 1，生产环境记得设置为 kafka topic 的分区数
        env.setParallelism(1);
        //2.1、读取数据 声明水位线
        SingleOutputStreamOperator<Tuple2<String, Long>> stream = env.fromElements(
                Tuple2.of("依琳", 5000L),
                Tuple2.of("令狐冲", 5000L),
                Tuple2.of("依琳", 20000L),
                Tuple2.of("令狐冲", 20000L),
                Tuple2.of("依琳", 51000L))
                .assignTimestampsAndWatermarks(WatermarkStrategy
                        .<Tuple2<String, Long>>forBoundedOutOfOrderness(Duration.ofSeconds(2))
                        .withTimestampAssigner(new SerializableTimestampAssigner<Tuple2<String, Long>>() {
                            @Override
                            public long extractTimestamp(Tuple2<String, Long> element, long recordTimestamp) {
                                return element.f1;
                            }
                        }));
        //2.2、读取数据 声明水位线
        SingleOutputStreamOperator<Event> stream1 = env.fromElements(
                new Event("令狐冲", "/home", 1000L),
                new Event("依琳", "/cat", 9000L),
                new Event("任盈盈", "/pay", 36000L),
                new Event("依琳", "/info?id=2", 30000L),
                new Event("任盈盈", "/home", 23000L),
                new Event("依琳", "/error", 33000L))
                .assignTimestampsAndWatermarks(WatermarkStrategy
                        .<Event>forBoundedOutOfOrderness(Duration.ofSeconds(2))
                        .withTimestampAssigner(new SerializableTimestampAssigner<Event>() {
                            @Override
                            public long extractTimestamp(Event event, long recordTimestamp) {
                                return event.timestamp;
                            }
                        }));
        //keyby 后 进行 intervalJoin
        stream.keyBy(data -> data.f0)
                .intervalJoin(stream1.keyBy(data -> data.user))
                .between(Time.seconds(-5), Time.seconds(10))
                .process(new ProcessJoinFunction<Tuple2<String, Long>, Event, String>() {
                    @Override
                    public void processElement(Tuple2<String, Long> left, Event right, Context ctx, Collector<String> out) throws Exception {
                        out.collect(right + " -> " + left);
                    }
                }).print();

        env.execute();
    }
}

运行效果

Event{user='令狐冲', url='/home', timestamp=1970-01-01 08:00:01.0} -> (令狐冲,5000)
Event{user='依琳', url='/cat', timestamp=1970-01-01 08:00:09.0} -> (依琳,5000)
Event{user='依琳', url='/info?id=2', timestamp=1970-01-01 08:00:30.0} -> (依琳,20000)