Flink SQL 表值聚合函数（Table Aggregate Function）详解

使用场景： 表值聚合函数即 UDTAF，这个函数⽬前只能在 Table API 中使⽤，不能在 SQL API 中使⽤。

函数功能：

在 SQL 表达式中，如果想对数据先分组再进⾏聚合取值：

select max(xxx) from source_table group by key1, key2

上⾯ SQL 的 max 语义产出只有⼀条最终结果，如果想取聚合结果最⼤的 n 条数据，并且 n 条数据，每⼀条都要输出⼀次结果数据，上⾯的 SQL 就没有办法实现了。

所以 UDTAF 为了处理这种场景，可以⾃定义怎么取，取多少条最终的聚合结果，UDTAF 和 UDAF 是类似的。

在这里插入图片描述

案例场景： 有⼀个饮料表有 3 列，分别是 id、name 和 price，⼀共有 5 ⾏，需要找到价格最⾼的两个饮料，类似于 top2，表值聚合函数，需要遍历所有 5 ⾏数据，输出结果为 2 ⾏数据的⼀个表。

开发流程：

实现 TableAggregateFunction 接⼝，其中所有的⽅法必须是 public 的、⾮ static 的

必须实现以下⽅法：

Acc聚合中间结果 createAccumulator() ： 为当前 Key 初始化⼀个空的 accumulator，存储了聚合的中间结果，⽐如在执⾏ max() 时会存储每⼀条中间结果的 max 值；

accumulate(Acc accumulator, Input输⼊参数) ： 每⼀⾏数据，都会调⽤ accumulate() ⽅法更新 accumulator，⽅法对每⼀条输⼊数据执⾏，⽐如执⾏ max() 时，遍历每⼀条数据执⾏；这个⽅法必须声明为 public 和⾮ static 的，accumulate ⽅法可以重载，每个⽅法的参数类型可以不同，⽀持变⻓参数。

emitValue(Acc accumulator, Collector collector) 或者 emitUpdateWithRetract(Acc accumulator, RetractableCollector collector) ：

当所有的数据处理完之后，调⽤ emit ⽅法来计算和输出最终结果，可以⾃定义输出多少条以及怎样输出结果。

对于 emitValue 以及 emitUpdateWithRetract 区别，以 TopN 举例，emitValue 每次都会发送所有的最⼤的 n 个值，⽽这在流式任务中会有性能问题，为提升性能，可以实现 emitUpdateWithRetract ⽅法，这个⽅法在 retract 模式下会增量输出结果，⽐如只在有数据更新时，做到撤回⽼数据，再发送新数据，⽽不需要每次都发出全量的最新数据。

如果同时定义了 emitUpdateWithRetract、emitValue ⽅法，那 emitUpdateWithRetract 会优先于 emitValue ⽅法被使⽤，因为引擎会认为 emitUpdateWithRetract 会更加⾼效，它的输出是增量的。

某些场景下必须实现：

retract(Acc accumulator, Input输⼊参数) ： 回撤流的场景必须实现，在计算回撤数据时调⽤，如果没有实现则会直接报错。
merge(Acc accumulator, Iterable it) ： 在批式聚合以及流式聚合中的 Session、Hop 窗⼝聚合场景必须实现，这个⽅法对优化也有帮助，例如，打开了两阶段聚合优化，需要 AggregateFunction 实现 merge ⽅法，从⽽在第⼀阶段先进⾏数据聚合。
resetAccumulator() ： 在批式聚合中是必须实现的。

关于⼊参、出参数据类型：

默认情况下，⽤户的 Input输⼊参数（ accumulate(Acc accumulator, Input输⼊参数) 的⼊参 Input输⼊参数）、accumulator（ Acc聚合中间结果 createAccumulator() 的返回结果）、 Output输出参数数据类型（ emitValue(Acc acc,Collector<Output输出参数> out) 的 Output输出参数）会被 Flink 反射获取，但对于accumulator 和 Output输出参数类型来说，Flink SQL 的类型推导在遇到复杂类型的时候可能会推导出错误的结果（注意： Input输⼊参数因为是上游算⼦传⼊的，所以类型信息是确认的，不会出现推导错误的情况），⽐如那些⾮基本类型 POJO 的复杂类型，所以跟 ScalarFunction 和 TableFunction ⼀样， AggregateFunction 提供了TableAggregateFunction#getResultType() 和 TableAggregateFunction#getAccumulatorType() 来分别指定最终返回值类型和accumulator 的类型，两个函数的返回值类型都是 TypeInformation。

getResultType() ： 即 emitValue(Acc acc, Collector<Output输出参数> out) 的输出结果数据类型；
getAccumulatorType() ： 即 Acc聚合中间结果 createAccumulator() 的返回结果数据类型；

案例场景： Top2

定义⼀个 TableAggregateFunction 来计算给定列的最⼤的 2 个值

在 TableEnvironment 中注册函数

在 Table API 查询中使⽤函数（当前只在 Table API 中⽀持 TableAggregateFunction）

实现思路：

计算最⼤的 2 个值，accumulator 需要保存当前的最⼤的 2 个值，定义了类 Top2Accum 作为 accumulator，Flink 的 checkpoint 机制会⾃动保存 accumulator，在失败时进⾏恢复，来保证精确⼀次的语义。

Top2 表值聚合函数（TableAggregateFunction）的 accumulate() ⽅法有两个输⼊，第⼀个是 Top2Accum accumulator，另⼀个是⽤户定义的输⼊：输⼊的值 v，尽管 merge() ⽅法在⼤多数聚合类型中不是必须的，但在样例中提供了它的实现。并且定义了 getResultType() 和 getAccumulatorType() ⽅法。

代码案例：

import org.apache.flink.api.common.functions.MapFunction;
import org.apache.flink.api.java.tuple.Tuple2;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.DataStreamSource;
import org.apache.flink.streaming.api.datastream.SingleOutputStreamOperator;
import org.apache.flink.streaming.api.environment.StreamExecutionEnvironment;
import org.apache.flink.table.api.EnvironmentSettings;
import org.apache.flink.table.api.Table;
import org.apache.flink.table.api.bridge.java.StreamTableEnvironment;
import org.apache.flink.table.functions.TableAggregateFunction;
import org.apache.flink.util.Collector;

/**
 * 输入数据：
 * a,1
 * a,2
 * a,3
 * 
 * 输出结果：
 * res=>:1> +I[a, 1, 1]
 * res=>:1> -D[a, 1, 1]
 * res=>:1> +I[a, 2, 1]
 * res=>:1> +I[a, 1, 2]
 * res=>:1> -D[a, 2, 1]
 * res=>:1> -D[a, 1, 2]
 * res=>:1> +I[a, 3, 1]
 * res=>:1> +I[a, 2, 2]
 */
public class TableAggregateFunctionTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();

        EnvironmentSettings settings = EnvironmentSettings.newInstance()
                .useBlinkPlanner()
                .inStreamingMode()
                .build();

        StreamTableEnvironment tEnv = StreamTableEnvironment.create(env, settings);

        DataStreamSource<String> source = env.socketTextStream("localhost", 8888);

        SingleOutputStreamOperator<Tuple2<String,Integer>> tpStream = source.map(new MapFunction<String, Tuple2<String,Integer>>() {
            @Override
            public Tuple2<String,Integer> map(String input) throws Exception {
                return new Tuple2<>(input.split(",")[0],Integer.parseInt(input.split(",")[1]));
            }
        });

        tEnv.registerFunction("top2", new Top2());

        Table table = tEnv.fromDataStream(tpStream, "key,value");

        tEnv.createTemporaryView("SourceTable", table);

        // 使⽤函数
        Table res = tEnv.from("SourceTable")
                .groupBy("key")
                .flatAggregate("top2(value) as (v, rank)")
                .select("key, v, rank");

        tEnv.toChangelogStream(res).print("res=>");
        env.execute();
    }

    /**
     * Accumulator for Top2.
     */
    public static class Top2Accum {
        public Integer first;
        public Integer second;
    }

    public static class Top2 extends TableAggregateFunction<Tuple2<Integer, Integer>, Top2Accum> {
        @Override
        public Top2Accum createAccumulator() {
            Top2Accum acc = new Top2Accum();
            acc.first = Integer.MIN_VALUE;
            acc.second = Integer.MIN_VALUE;
            return acc;
        }

        public void accumulate(Top2Accum acc, Integer v) {
            if (v > acc.first) {
                acc.second = acc.first;
                acc.first = v;
            } else if (v > acc.second) {
                acc.second = v;
            }
        }

        public void merge(Top2Accum acc, java.lang.Iterable<Top2Accum> iterable) {
            for (Top2Accum otherAcc : iterable) {
                accumulate(acc, otherAcc.first);
                accumulate(acc, otherAcc.second);
            }
        }

        public void emitValue(Top2Accum acc, Collector<Tuple2<Integer, Integer>> out) {
            // emit the value and rank
            if (acc.first != Integer.MIN_VALUE) {
                out.collect(Tuple2.of(acc.first, 1));
            }
            if (acc.second != Integer.MIN_VALUE) {
                out.collect(Tuple2.of(acc.second, 2));
            }
        }
    }
}

测试结果：

在这里插入图片描述