一口气搞懂FlinkMetrics监控指标和性能优化，全靠这33张图和7千字

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前言

大家好，我是土哥。

最近在公司做 Flink 推理任务的性能测试，要对 job 的全链路吞吐、全链路时延、吞吐时延指标进行监控和调优，其中要使用 Flink Metrics 对指标进行监控。

接下来这篇文章，干货满满，我将带领读者全面了解 Flink Metrics 指标监控，并通过实战案例，对全链路吞吐、全链路时延、吞吐时延的指标进行性能优化，彻底掌握 Flink Metrics 性能调优的方法和 Metrics 的使用。大纲目录如下：

1 Flink Metrics 简介

Flink Metrics 是 Flink 集群运行中的各项指标，包含机器系统指标，比如：CPU、内存、线程、JVM、网络、IO、GC 以及任务运行组件(JM、TM、Slot、作业、算子)等相关指标。

Flink Metrics 包含两大作用：

实时采集监控数据。在 Flink 的 UI 界面上，用户可以看到自己提交的任务状态、时延、监控信息等等。
对外提供数据收集接口。用户可以将整个 Flink 集群的监控数据主动上报至第三方监控系统，如：prometheus、grafana 等，下面会介绍。

1.1 Flink Metric Types

Flink 一共提供了四种监控指标：分别为 Counter、Gauge、Histogram、Meter。

1. Count 计数器

统计一个指标的总量。写过 MapReduce 的开发人员就应该很熟悉 Counter，其实含义都是一样的，就是对一个计数器进行累加，即对于多条数据和多兆数据一直往上加的过程。其中 Flink 算子的接收记录总数 (numRecordsIn) 和发送记录总数 (numRecordsOut) 属于 Counter 类型。

使用方式：可以通过调用 counter(String name)来创建和注册 MetricGroup

2. Gauge 指标瞬时值

Gauge 是最简单的 Metrics ，它反映一个指标的瞬时值。比如要看现在 TaskManager 的 JVM heap 内存用了多少，就可以每次实时的暴露一个 Gauge，Gauge 当前的值就是 heap 使用的量。

使用前首先创建一个实现 org.apache.flink.metrics.Gauge 接口的类。返回值的类型没有限制。您可以通过在 MetricGroup 上调用 gauge。

3. Meter 平均值

用来记录一个指标在某个时间段内的平均值。Flink 中的指标有 Task 算子中的 numRecordsInPerSecond,记录此 Task 或者算子每秒接收的记录数。

使用方式：通过 markEvent() 方法注册事件的发生。通过markEvent(long n) 方法注册同时发生的多个事件。

4. Histogram 直方图

Histogram 用于统计一些数据的分布，比如说 Quantile、Mean、StdDev、Max、Min 等，其中最重要一个是统计算子的延迟。此项指标会记录数据处理的延迟信息，对任务监控起到很重要的作用。

使用方式：通过调用 histogram(String name, Histogram histogram) 来注册一个 MetricGroup。

1.2 Scope

Flink 的指标体系按树形结构划分，域相当于树上的顶点分支，表示指标大的分类。每个指标都会分配一个标识符，该标识符将基于 3 个组件进行汇报：

注册指标时用户提供的名称;
可选的用户自定义域;
系统提供的域。

例如，如果 A.B 是系统域，C.D 是用户域，E 是名称，那么指标的标识符将是 A.B.C.D.E. 你可以通过设置 conf/flink-conf.yam 里面的 metrics.scope.delimiter 参数来配置标识符的分隔符(默认“.”)。

举例说明：以算子的指标组结构为例，其默认为：

.taskmanager. . . .

算子的输入记录数指标为：

hlinkui.taskmanager.1234.wordcount.flatmap.0.numRecordsIn

1.3 Metrics 运行机制

在生产环境下，为保证对Flink集群和作业的运行状态进行监控，Flink 提供两种集成方式：

1.3.1 主动方式 MetricReport

Flink Metrics 通过在 conf/flink-conf.yaml 中配置一个或者一些 reporters，将指标暴露给一个外部系统.这些 reporters 将在每个 job 和 task manager 启动时被实例化。

1.3.2 被动方式 RestAPI

通过提供 Rest 接口，被动接收外部系统调用，可以返回集群、组件、作业、Task、算子的状态。Rest API 实现类是 WebMonitorEndpoint

2 Flink Metrics 监控系统搭建

Flink 主动方式共提供了 8 种 Report。

我们使用 PrometheusPushGatewayReporter 方式通过 prometheus + pushgateway + grafana 组件搭建 Flink On Yarn 可视化监控。

当用户使用 Flink 通过 session 模式向 yarn 集群提交一个 job 后，Flink 会通过 PrometheusPushGatewayReporter 将 metrics push 到 pushgateway 的 9091 端口上，然后使用外部系统 prometheus 从 pushgateway 进行 pull 操作，将指标采集过来，通过 Grafana可视化工具展示出来。原理图如下：

首先，我们先在 Flink On Yarn 集群中提交一个 Job 任务，让其运行起来，然后执行下面的操作。

2.1 配置 Reporter

下面所有工具、jar 包已经全部下载好，需要的朋友在公众号后台回复：02，可以全部获取到。

2.1.1 导包

将 flink-metrics-prometheus_2.11-1.13.2.jar 包导入 flink-1.13.2/bin 目录下。

2.1.2 配置 Reporter

选取 PrometheusPushGatewayReporter 方式，通过在官网查询 Flink 1.13.2 Metrics 的配置后，在 flink-conf.yaml 设置，配置如下：

metrics.reporter.promgateway.class: org.apache.flink.metrics.prometheus.PrometheusPushGatewayReporter
metrics.reporter.promgateway.host: 192.168.244.129
metrics.reporter.promgateway.port: 9091
metrics.reporter.promgateway.jobName: myJob
metrics.reporter.promgateway.randomJobNameSuffix: true
metrics.reporter.promgateway.deleteOnShutdown: false
metrics.reporter.promgateway.groupingKey: k1=v1;k2=v2
metrics.reporter.promgateway.interval: 60 SECONDS

2.2 部署 pushgateway

Pushgateway 是一个独立的服务，Pushgateway 位于应用程序发送指标和 Prometheus 服务器之间。

Pushgateway 接收指标，然后将其作为目标被 Prometheus 服务器拉取。可以将其看作代理服务，或者与 blackbox exporter 的行为相反，它接收度量，而不是探测它们。

2.2.1 解压 pushgateway

2.2.2. 启动 pushgateway

进入到 pushgateway-1.4.1 目录下

 
 
 
  
  
  ./pushgateway &

查看是否在后台启动成功

 
 
 
  
  
  ps aux|grep pushgateway

2.2.3. 登录 pushgateway webui

2.3 部署 prometheus

Prometheus(普罗米修斯)是一个最初在 SoundCloud 上构建的监控系统。自 2012 年成为社区开源项目，拥有非常活跃的开发人员和用户社区。为强调开源及独立维护，Prometheus 于 2016 年加入云原生云计算基金会(CNCF)，成为继Kubernetes 之后的第二个托管项目。

2.3.1 解压prometheus-2.30.0

2.3.2 编写配置文件

 
 
 
  
  
  scrape_configs:
  
  
    - job_name: 'prometheus'
  
  
      static_configs:
  
  
        - targets: ['192.168.244.129:9090']
  
  
          labels:
  
  
            instance: 'prometheus'
  
  
    - job_name: 'linux'
  
  
      static_configs:
  
  
        - targets: ['192.168.244.129:9100']
  
  
          labels:
  
  
            instance: 'localhost'
  
  
    - job_name: 'pushgateway'
  
  
      static_configs:
  
  
        - targets: ['192.168.244.129:9091']
  
  
          labels:
  
  
            instance: 'pushgateway'

2.3.3 启动prometheus

 
 
 
  
  
  ./prometheus --config.file=prometheus.yml &

启动完后，可以通过 ps 查看一下端口：

 
 
 
  
  
  ps aux|grep prometheus

2.3.4 登录prometheus webui

2.4 部署 grafana

Grafana 是一个跨平台的开源的度量分析和可视化工具，可以通过将采集的数据查询然后可视化的展示，并及时通知。它主要有以下六大特点：

展示方式：快速灵活的客户端图表，面板插件有许多不同方式的可视化指标和日志，官方库中具有丰富的仪表盘插件，比如热图、折线图、图表等多种展示方式;
数据源：Graphite，InfluxDB，OpenTSDB，Prometheus，Elasticsearch，CloudWatch 和 KairosDB 等;
通知提醒：以可视方式定义最重要指标的警报规则，Grafana将不断计算并发送通知，在数据达到阈值时通过 Slack、PagerDuty 等获得通知;
混合展示：在同一图表中混合使用不同的数据源，可以基于每个查询指定数据源，甚至自定义数据源;
注释：使用来自不同数据源的丰富事件注释图表，将鼠标悬停在事件上会显示完整的事件元数据和标记;
过滤器：Ad-hoc 过滤器允许动态创建新的键/值过滤器，这些过滤器会自动应用于使用该数据源的所有查询。

2.4.1 解压grafana-8.1.5

2.4.2 启动grafana-8.1.5

 
 
 
  
  
  ./bin/grafana-server web &

2.4.3 登录 grafana

登录用户名和密码都是 admin

grafana 配置中文教程：

https://grafana.com/docs/grafana/latest/datasources/prometheus/

2.4.4 配置数据源、创建系统负载监控

要访问 Prometheus 设置，请将鼠标悬停在配置(齿轮)图标上，然后单击数据源，然后单击 Prometheus 数据源，根据下图进行操作。

操作完成后，点击进行验证。

2.4.5 添加仪表盘

点击最左侧 + 号，选择 DashBoard,选择新建一个 pannel。

至此，Flink 的 metrics 的指标展示在 Grafana 中了。

flink 指标对应的指标名比较长，可以在 Legend 中配置显示内容，在{{key}} 将 key 换成对应需要展示的字段即可，如：{{job_name}},{{operator_name}}。

3 指标性能测试

上述监控系统搭建好了之后，我们可以进行性能指标监控了。现在以一个实战案例进行介绍：

3.1 业务场景介绍

金融风控场景

3.1.1 业务需求:

Flink Source 从 data kafka topic 中读取推理数据，通过 sql 预处理成模型推理要求的数据格式，在进行 keyBy 分组后流入下游 connect 算子，与模型 connect 后进入 Co-FlatMap 算子再进行推理，原理图如下：

3.1.2 业务要求：

根据模型的复杂程度，要求推理时延到达 20ms 以内，全链路耗时 50ms 以内，吞吐量达到每秒 1.2w 条以上。

3.1.3 业务数据：

推理数据：3000w，推理字段 495 个，机器学习 Xgboost 模型字段：495。

3.2 指标解析

由于性能测试要求全链路耗时 50ms 以内，应该使用 Flink Metrics 的 Latency Marker 进行计算。

3.2.1 全链路时延计算方式：

全链路时延指的是一条推理数据进入 source 算子到数据预处理算子直到最后一个算子输出结果的耗时，即处理一条数据需要多长时间，包含算子内处理逻辑时间，算子间数据传递时间，缓冲区内等待时间。

全链路时延要使用 latency metric 计算。latency metric 是由 source 算子根据当前本地时间生成的一个 marker ，并不参与各个算子的逻辑计算，仅仅跟着数据往下游算子流动，每到达一个算子则算出当前本地时间戳并与 source 生成的时间戳相减，得到 source 算子到当前算子的耗时，当到达 sink 算子或者说最后一个算子时，算出当前本地时间戳与 source 算子生成的时间戳相减，即得到全链路时延。原理图如下：

由于使用到 Lateny marker,所有需要在 flink-conf.yaml 配置参数。

 
 
 
  
  
  latency.metrics.interval

系统配置截图如下：

3.2.2 全链路吞吐计算方式：

全链路吞吐 = 单位时间处理数据数量 / 单位时间。

3.3 提交任务到Flink on Yarn集群

**3.3.1 直接提交 Job **

 
 
 
  
  
  # -m jobmanager 的地址
  
  
  # -yjm 1024 指定 jobmanager 的内存信息
  
  
  # -ytm 1024 指定 taskmanager 的内存信息
  
  
  bin/flink run \
  
  
  -t yarn-per-job -yjm 4096 -ytm  8800 -s 96  \
  
  
  --detached  -c com.threeknowbigdata.datastream.XgboostModelPrediction \
  
  
  examples/batch/WordCount.jar  \

提交完成后，我们通过 Flink WEBUI 可以看到 job 运行的任务结果如下：

因为推理模型只是一个 model，存在状态中，所以全链路吞吐考虑的是每秒有多少条推理数据进入 source 算子到倒数第二个算子(最后一个算子只是指标汇总)流出，这个条数就是全链路吞吐。

可以看到在处理 2000W 条数据时，代码直接统计输出的数值和 flink webUI 的统计数值基本一致，所以统计数值是可信的。

Flink WEBUI 跑的结果数据

打开 Prometheus 在对话框输入全链路时延计算公式

 
 
 
  
  
  计算公式：
  
  
  avg(flink_taskmanager_job_latency_source_id_
  
  
  operator_id _operator_subtask_index_latency{
  
  
  source_id="cbc357ccb763df2852fee8c4fc7d55f2",
  
  
  operator_id="c9c0ca46716e76f6b700eddf4366d243",quantile="0.999"})

3.4 优化前性能分析

在将任务提交到集群后，经过全链路时延计算公式、吞吐时延计算公式，最后得到优化前的结果时延指标统计图如下：

吞吐指标统计图如下：

通过本次测试完后，从图中可以发现：

时延指标：加并行度，吞吐量也跟随高，但是全链路时延大幅增长( 1并行至32并行，时延从 110ms 增加至 3287ms )

这远远没有达到要求的结果。

3.5 问题分析

通过 Prometheus分析后，结果如下：

3.5.1 并行度问题：

反压现象：在 Flink WEB-UI 上，可以看到应用存在着非常严重的反压，这说明链路中存在较为耗时的算子，阻塞了整个链路;

数据处理慢于拉取数据：数据源消费数据的速度，大于下游数据处理速度;

增加计算并行度：所以在接下来的测试中会调大推理算子并行度，相当于提高下游数据处理能力。

3.5.2 Buffer 超时问题：

Flink 虽是纯流式框架，但默认开启了缓存机制(上游累积部分数据再发送到下游);

缓存机制可以提高应用的吞吐量，但是也增大了时延;

推理场景：为获取最好的时延指标，第二轮测试超时时间置 0，记录吞吐量。

3.5.3 Buffer 数量问题：

同上，Flink 中的 Buffer 数量是可以配置的;

Buffer 数量越多，能缓存的数据也就越多;

推理场景：为获取最好的时延指标，第二轮测试：减小 Flink 的 Buffer 数量来优化时延指标。

3.5.4 调优参数配置

SOURCE 与 COFLATMAP 的并行度按照 1:12 配置;

Buffer 超时时间配置为 0ms (默认100ms);

 
 
 
  
  
  //在代码中设置
  
  
  
  
  
  senv.setBufferTimeout(0);

Buffer 数量的配置如下：

修改flink-conf.yaml

 
 
 
  
  
  memory.buffers-per-channel: 2
  
  
  memory.float-buffers-per-gate: 2
  
  
  memory.max-buffers-per-channel: 2

配置截图如下：

3.6 优化后性能分析

经过修改配置后，将任务再次提交到集群后，经过全链路时延计算公式、吞吐时延计算公式，最后得到优化后的结果。

时延指标统计图如下：

吞吐指标统计图如下：

优化后 LGB 推理测试总结：

时延指标：并行度提升，时延也会增加，但幅度很小(可接受)。实际上，在测试过程中存在一定反压，若调大 SOURCE 与 COFLATMAP 的并行度比例，全链路时延可进一步降低;吞吐量指标：随着并行度的增加，吞吐量也随着提高，当并行度提高至 96 时，吞吐量可以达到 1.3W，此时的时延维持在 50ms 左右(比较稳定)。

3.7 优化前后 LGB 分析总结

如下图所示：

3.7.1吞吐量---影响因素：

内存：对吞吐和时延没什么影响，并行度与吞吐成正相关。

增大 kafka 分区，吞吐增加
增大 source、维表 source 并行度
增大 flatmap 推理并行度

3.7.2全链路时延---影响因素：

Buffer 超时越短、个数越少、时延越低。
整个链路是否有算子堵塞(车道排队模型)。
调大推理算子并行度，时延降低，吞吐升高(即增加了推理的处理能力)。

分享题目：一口气搞懂FlinkMetrics监控指标和性能优化，全靠这33张图和7千字
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