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Flink1.12資源管理新特性回顧

本文由社區(qū)志愿者陳政羽整理，Apache Flink Committer、阿里巴巴技術(shù)專家宋辛童，Apache Flink Contributor、阿里巴巴高級(jí)開(kāi)發(fā)工程師郭旸澤分享，主要介紹 Flink 1.12 資源管理的一些特性。內(nèi)容主要分為 4 部分：

1.內(nèi)存管理

2.資源調(diào)度擴(kuò)展

3.資源框架

4.未來(lái)規(guī)劃

一、內(nèi)存管理

首先回顧 Flink 的內(nèi)存模型變遷。下圖左邊分別為 Flink 1.10、Flink 1.11 引入的新的內(nèi)存模型。盡管涉及的模塊較多，但 80% - 90% 的用戶僅需關(guān)注真正用于任務(wù)執(zhí)行的 Task Heap Memory、Task Off-Heap Memory、Network Memory、Managed Memory 四部分。

其它模塊大部分是 Flink 的框架內(nèi)存，正常不需要調(diào)整，即使遇到問(wèn)題也可以通過(guò)社區(qū)文檔來(lái)解決。除此之外，“一個(gè)作業(yè)究竟需要多少內(nèi)存才能滿足實(shí)際生產(chǎn)需求” 也是大家不得不面臨的問(wèn)題，比如其他指標(biāo)的功能使用、作業(yè)是否因?yàn)閮?nèi)存不足影響了性能，是否存在資源浪費(fèi)等。

針對(duì)上述內(nèi)容，社區(qū)在 Flink 1.12 版本提供了一個(gè)全新的，關(guān)于 Task manager 和 Job
manager 的 Web UI。

在新的 Web UI 中，可以直接將每一項(xiàng)監(jiān)控指標(biāo)配置值、實(shí)際使用情況對(duì)應(yīng)到內(nèi)存模型中進(jìn)行直觀的展示。在此基礎(chǔ)上，可以更清楚的了解到作業(yè)的運(yùn)行情況、該如何調(diào)整、用哪些配置參數(shù)調(diào)整等 (社區(qū)也有相應(yīng)的文檔提供支持)。通過(guò)新的 Web UI，大家能更好的了解作業(yè)的使用情況，內(nèi)存管理也更方便。

1. 本地內(nèi)存（Managed Memory）

Flink 托管內(nèi)存實(shí)際上是 Flink 特有的一種本地內(nèi)存，不受 JVM 和 GC 的管理，而是由 Flink 自行進(jìn)行管理。

本地內(nèi)存的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在兩方面：

一方面是 slot 級(jí)別的預(yù)算規(guī)劃，它可以保證作業(yè)運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)因?yàn)閮?nèi)存不足，造成某些算子或者任務(wù)無(wú)法運(yùn)行；也不會(huì)因?yàn)轭A(yù)留了過(guò)多的內(nèi)存沒(méi)有使用造成資源浪費(fèi)。同時(shí) Flink 能保證當(dāng)任務(wù)運(yùn)行結(jié)束時(shí)準(zhǔn)確將內(nèi)存釋放，確保 Task Manager 執(zhí)行新任務(wù)時(shí)有足夠的內(nèi)存可用。
另一方面，資源適應(yīng)性也是托管內(nèi)存很重要的特性之一，指算子對(duì)于內(nèi)存的需求是動(dòng)態(tài)可調(diào)整的。具備了適應(yīng)性，算子就不會(huì)因?yàn)榻o予任務(wù)過(guò)多的內(nèi)存造成資源使用上的浪費(fèi)，也不會(huì)因?yàn)樘峁┑膬?nèi)存相對(duì)較少導(dǎo)致整個(gè)作業(yè)無(wú)法運(yùn)行，使內(nèi)存的運(yùn)用保持在一定的合理范圍內(nèi)。當(dāng)然，在內(nèi)存分配相對(duì)比較少情況下，作業(yè)會(huì)受到一定限制，例如需要通過(guò)頻繁的落盤(pán)保證作業(yè)的運(yùn)行，這樣可能會(huì)影響性能。
當(dāng)前，針對(duì)托管內(nèi)存，F(xiàn)link 的使用場(chǎng)景如下：

RocksDB 狀態(tài)后端：在流計(jì)算的場(chǎng)景中，每個(gè) Slot 會(huì)使用 State 的 Operator，從而共享同一底層的 RocksDB 緩存；
Flink 內(nèi)置算子：包含批處理、Table SQL、DataSet API 等算子，每個(gè)算子有獨(dú)立的資源預(yù)算，不會(huì)相互共享；
Python 進(jìn)程：用戶使用 PyFlink，使用 Python 語(yǔ)言定義 UDF 時(shí)需要啟動(dòng) Python 的虛擬機(jī)進(jìn)程。

2. Job Graph 編譯階段

Flink 對(duì)于 management memory 的管理主要分為兩個(gè)階段。

2.1 作業(yè)的 Job Graph 編譯階段

在這個(gè)階段需要注意三個(gè)問(wèn)題：

第一個(gè)問(wèn)題是：slot 當(dāng)中到底有哪些算子或者任務(wù)會(huì)同時(shí)執(zhí)行。這個(gè)問(wèn)題關(guān)系到在一個(gè)查詢作業(yè)中如何對(duì)內(nèi)存進(jìn)行規(guī)劃，是否還有其他的任務(wù)需要使用 management memory，從而把相應(yīng)的內(nèi)存留出來(lái)。在流式的作業(yè)中，這個(gè)問(wèn)題是比較簡(jiǎn)單的，因?yàn)槲覀冃枰械乃阕油瑫r(shí)執(zhí)行，才能保證上游產(chǎn)出的數(shù)據(jù)能被下游及時(shí)的消費(fèi)掉，這個(gè)數(shù)據(jù)才能夠在整個(gè) job grep 當(dāng)中流動(dòng)起來(lái)。但是如果我們是在批處理的一些場(chǎng)景當(dāng)中，實(shí)際上我們會(huì)存在兩種數(shù)據(jù) shuffle 的模式，一種是 pipeline 的模式，這種模式跟流式是一樣的，也就是我們前面說(shuō)到的 bounded stream 處理方式，同樣需要上游和下游的算子同時(shí)運(yùn)行，上游隨時(shí)產(chǎn)出，下游隨時(shí)消費(fèi)。另外一種是所謂的 batch 的 blocking的方式，它要求上游把數(shù)據(jù)全部產(chǎn)出，并且落盤(pán)結(jié)束之后，下游才能開(kāi)始讀數(shù)據(jù)。這兩種模式會(huì)影響到哪些任務(wù)可以同時(shí)執(zhí)行。目前在 Flink 當(dāng)中，根據(jù)作業(yè)拓?fù)鋱D中的一個(gè)邊的類型 (如圖上)。我們劃分出了定義的一個(gè)概念叫做 pipelined region，也就是全部都由 pipeline 的邊鎖連通起來(lái)的一個(gè)子圖，我們把這個(gè)子圖識(shí)別出來(lái)，用來(lái)判斷哪些 task 會(huì)同時(shí)執(zhí)行。
第二個(gè)問(wèn)題是：slot 當(dāng)中到底有哪些使用場(chǎng)景？我們剛才介紹了三種 manage memory 的使用場(chǎng)景。在這個(gè)階段，對(duì)于流式作業(yè)，可能會(huì)出現(xiàn) Python UDF 以及 Stateful Operator。這個(gè)階段當(dāng)中我們需要注意的是，這里并不能肯定 State Operator 一定會(huì)用到 management memory，因?yàn)檫@跟它的狀態(tài)類型是相關(guān)的。如果它使用了 RocksDB State Operator，是需要使用 manage memory 的；但是如果它使用的是 Heap State Backend，則并不需要。然而，作業(yè)在編譯的階段，其實(shí)并不知道狀態(tài)的類型，這里是需要去注意的地方。
第三個(gè)問(wèn)題：對(duì)于 batch 的作業(yè)，我們除了需要清楚有哪些使用場(chǎng)景，還需要清楚一件事情，就是前面提到過(guò) batch 的 operator。它使用 management memory 是以一種算子獨(dú)享的方式，而不是以 slot 為單位去進(jìn)行共享。我們需要知道不同的算子應(yīng)該分別分配多少內(nèi)存，這個(gè)事情目前是由 Flink 的計(jì)劃作業(yè)來(lái)自動(dòng)進(jìn)行設(shè)置的。

2.2 執(zhí)行階段

第一個(gè)步驟是根據(jù) State Backend 的類型去判斷是否有 RocksDB。如上圖所示，比如一個(gè) slot，有 ABC 三個(gè)算子，B 跟 C 都用到了 Python，C 還用到了 Stateful 的 Operator。這種情況下，如果是在 heap 的情況下，我們走上面的分支，整個(gè) slot 當(dāng)中只有一種在使用，就是Python。之后會(huì)存在兩種使用方式：

其中一個(gè)是 RocksDB State Backend，有了第一步的判斷之后，第二步我們會(huì)根據(jù)用戶的配置，去決定不同使用方式之間怎么樣去共享 slot 的 management memory。
在這個(gè) Steaming 的例子當(dāng)中，我們定義的 Python 的權(quán)重是 30%，State Backend 的權(quán)重是 70%。在這樣的情況下，如果只有 Python，Python 的部分自然是使用 100% 的內(nèi)存（Streaming 的 Heap State Backend 分支）；
而對(duì)于第二種情況（Streaming 的 RocksDB State Backend 分支），B、C 的這兩個(gè) Operator 共用 30% 的內(nèi)存用于 Python 的 UDF，另外 C 再獨(dú)享 70% 的內(nèi)存用于 RocksDB State Backend。最后 Flink 會(huì)根據(jù) Task manager 的資源配置，一個(gè) slot 當(dāng)中有多少 manager memory 來(lái)決定每個(gè) operator 實(shí)際可以用的內(nèi)存的數(shù)量。

批處理的情況跟流的情況有兩個(gè)不同的地方，首先它不需要去判斷 State Backend 的類型，這是一個(gè)簡(jiǎn)化；其次對(duì)于 batch 的算子，上文提到每一個(gè)算子有自己獨(dú)享的資源的預(yù)算，這種情況下我們會(huì)去根據(jù)使用率算出不同的使用場(chǎng)景需要多少的 Shared 之后，還要把比例進(jìn)一步的細(xì)分到每個(gè) Operator。

3. 參數(shù)配置

上方圖表展示了我們需要的是 manager，memory 大小有兩種配置方式：

一種是絕對(duì)值的配置方式，
還有一種是作為 Task Manager 總內(nèi)存的一個(gè)相對(duì)值的配置方式。
taskmanager.memory.managed.consumer-weight 是一個(gè)新加的配置項(xiàng)，它的數(shù)據(jù)類型是 map 的類型，也就是說(shuō)我們?cè)谶@里面實(shí)際上是給了一個(gè) key 冒號(hào) value，然后逗號(hào)再加上下一組 key 冒號(hào) value 的這樣的一個(gè)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)。這里面我們目前支持兩種 consumer 的 key：

一個(gè)是 DATAPROC， DATAPROC 既包含了流處理當(dāng)中的狀態(tài)后端 State Backend 的內(nèi)存，也包含了批處理當(dāng)中的 Batch Operator；
另外一種是 Python。

二、資源調(diào)度

部分資源調(diào)度相關(guān)的 Feature 是其他版本或者郵件列表里面大家詢問(wèn)較多的，這里我們也做對(duì)應(yīng)的介紹。

1. 最大 Slot 數(shù)

Flink 在 1.12 支持了最大 slot 數(shù)的一個(gè)限制（slotmanager.number-of-slots.max），在之前我們也有提到過(guò)對(duì)于流式作業(yè)我們要求所有的 operator 同時(shí)執(zhí)行起來(lái)，才能夠保證數(shù)據(jù)的順暢的運(yùn)行。在這種情況下，作業(yè)的并發(fā)度決定了我們的任務(wù)需要多少個(gè) slot 和資源去執(zhí)行作業(yè)。

然而對(duì)于批處理其實(shí)并不是這樣的，批處理作業(yè)往往可以有一個(gè)很大的并發(fā)度，但實(shí)際并不需要這么多的資源，批處理用很少的資源，跑完前面的任務(wù)騰出 Slot 給后續(xù)的任務(wù)使用。通過(guò)這種串行的方式去執(zhí)行任務(wù)能避免 YARN/K8s 集群的資源過(guò)多的占用。目前這個(gè)參數(shù)支持在 yarn/mesos/native k8 使用。

2. TaskManager 容錯(cuò)

在我們實(shí)際生產(chǎn)中有可能會(huì)有程序的錯(cuò)誤、網(wǎng)絡(luò)的抖動(dòng)、硬件的故障等問(wèn)題造成 TaskManager 無(wú)法連接，甚至直接掛掉。我們?cè)谌罩局谐Ｒ?jiàn)的就是 TaskManagerLost 這樣的報(bào)錯(cuò)。對(duì)于這種情況需要進(jìn)行作業(yè)重啟，在重啟的過(guò)程中需要重新申請(qǐng)資源和重啟 TaskManager 進(jìn)程，這種性能消耗代價(jià)是非常高昂的。

對(duì)于穩(wěn)定性要求相對(duì)比較高的作業(yè)，F(xiàn)link1.12 提供了一個(gè)新的 feature，能夠支持在 Flink 集群當(dāng)中始終持有少量的冗余的 TaskManager，這些冗余的 TaskManager 可以用于在單點(diǎn)故障的時(shí)候快速的去恢復(fù)，而不需要等待一個(gè)重新的資源申請(qǐng)的過(guò)程。

通過(guò)配置 slotmanager.redundant-taskmanager-num 可以實(shí)現(xiàn)冗余 TaskManager。這里所謂的冗余 TaskManager 并不是完完全全有兩個(gè) TaskManager 是空負(fù)載運(yùn)行的，而是說(shuō)相比于我所需要的總共的資源數(shù)量，會(huì)多出兩個(gè) TaskManager。

任務(wù)可能是相對(duì)比較均勻的分布在上面，在能夠在利用空閑 TaskManager 的同時(shí)，也能夠達(dá)到一個(gè)相對(duì)比較好的負(fù)載。一旦發(fā)生故障的時(shí)候，可以去先把任務(wù)快速的調(diào)度到現(xiàn)有的還存活的 TaskManager 當(dāng)中，然后再去進(jìn)行新一輪的資源申請(qǐng)。目前這個(gè)參數(shù)支持在 yarn/mesos/native k8 使用。

3. 任務(wù)平鋪分布

任務(wù)平鋪問(wèn)題主要出現(xiàn)在 Flink Standalone 模式下或者是比較舊版本的 k8s 模式部署下的。在這種模式下因?yàn)槭孪榷x好了有多少個(gè) TaskManager，每個(gè) TaskManager 上有多少 slot，這樣會(huì)導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)調(diào)度不均的問(wèn)題，可能部分 manager 放的任務(wù)很滿，有的則放的比較松散。

在 1.11 的版本當(dāng)中引入了參數(shù) cluster.evenly-spread-out-slots，這樣的參數(shù)能夠控制它，去進(jìn)行一個(gè)相對(duì)比較均衡的調(diào)度。

注意：

第一，這個(gè)參數(shù)我們只針對(duì) Standalone 模式，因?yàn)樵?yarn 跟 k8s 的模式下，實(shí)際上是根據(jù)你作業(yè)的需求來(lái)決定起多少 task manager 的，所以是先有了需求再有 TaskManager，而不是先有 task manager，再有 slot 的調(diào)度需求。在每次調(diào)度任務(wù)的時(shí)候，實(shí)際上只能看到當(dāng)前注冊(cè)上來(lái)的那一個(gè) TaskManager，F(xiàn)link 沒(méi)辦法全局的知道后面還有多少 TaskManager 會(huì)注冊(cè)上來(lái)，這也是很多人在問(wèn)的一個(gè)問(wèn)題，就是為什么特性打開(kāi)了之后好像并沒(méi)有起到一個(gè)很好的效果，這是第一件事情。
第二個(gè)需要注意的點(diǎn)是，這里面我們只能決定每一個(gè) TaskManager 上有多少空閑 slot，然而并不能夠決定每個(gè) operator 有不同的并發(fā)數(shù)，F(xiàn)link 并不能決定說(shuō)每個(gè) operator 是否在 TaskManager 上是一個(gè)均勻的分布，因?yàn)樵?flink 的資源調(diào)度邏輯當(dāng)中，在整個(gè) slot 的 allocation 這一層是完全看不到 task 的。

三、擴(kuò)展資源框架

1. 背景

近年來(lái)，隨著人工智能領(lǐng)域的不斷發(fā)展，深度學(xué)習(xí)模型已經(jīng)被應(yīng)用到了各種各樣的生產(chǎn)需求中，比較典型的場(chǎng)景如推薦系統(tǒng)，廣告推送，智能風(fēng)險(xiǎn)控制。這些也是 Flink 一直以來(lái)被廣泛使用的場(chǎng)景，因此，支持人工智能一直以來(lái)都是 Flink 社區(qū)的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)之一。針對(duì)這個(gè)目標(biāo)，目前已經(jīng)有了很多第三方的開(kāi)源擴(kuò)展工作。由阿里巴巴開(kāi)源的工作主要有兩個(gè)：

一個(gè)是 Flink AI Extended 的項(xiàng)目，是基于 Flink 的深度學(xué)習(xí)擴(kuò)展框架，目前支持 TensorFlow、PyTorch 等框架的集成，它使用戶可以將 TensorFlow 當(dāng)做一個(gè)算子，放在 Flink 任務(wù)中。
另一個(gè)是 Alink，它是一個(gè)基于 Flink 的通用算法平臺(tái)，里面也內(nèi)置了很多常用的機(jī)器學(xué)習(xí)算法。
以上的兩個(gè)工作都是從功能性上對(duì) Flink 進(jìn)行擴(kuò)展，然而從算力的角度上講，深度學(xué)習(xí)模型亦或機(jī)器學(xué)習(xí)算法，通常都是整個(gè)任務(wù)的計(jì)算瓶頸所在。GPU 則是這個(gè)領(lǐng)域被廣泛使用用來(lái)加速訓(xùn)練或者預(yù)測(cè)的資源。因此，支持 GPU 資源來(lái)加速計(jì)算是 Flink 在 AI 領(lǐng)域的發(fā)展過(guò)程中必不可少的功能。

2. 使用擴(kuò)展資源

目前 Flink 支持用戶配置的資源維度只有 CPU 與內(nèi)存，而在實(shí)際使用中，不僅是 GPU，我們還會(huì)遇到其他資源需求，如 SSD 或 RDMA 等網(wǎng)絡(luò)加速設(shè)備。因此，我們希望提供一個(gè)通用的擴(kuò)展資源框架，任何擴(kuò)展資源都可以以插件的形式來(lái)加入這個(gè)框架，GPU 只是其中的一種擴(kuò)展資源。

對(duì)于擴(kuò)展資源的使用，可以抽象出兩個(gè)通用需求：

需要支持該類擴(kuò)展資源的配置與調(diào)度。用戶可以在配置中指明對(duì)這類擴(kuò)展資源的需求，如每個(gè) TaskManager 上需要有一塊 GPU 卡，并且當(dāng) Flink 被部署在 Kubernetes/Yarn 這類資源底座上時(shí)，需要將用戶對(duì)擴(kuò)展資源的需求進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，以保證申請(qǐng)到的 Container/Pod 中存在對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展資源。
需要向算子提供運(yùn)行時(shí)的擴(kuò)展資源信息。用戶在自定義算子中可能需要一些運(yùn)行時(shí)的信息才能使用擴(kuò)展資源，以 GPU 為例，算子需要知道它內(nèi)部的模型可以部署在那一塊 GPU 卡上，因此，需要向算子提供這些信息。

3. 擴(kuò)展資源框架使用方法

使用資源框架我們可以分為以下這 3 個(gè)步驟：

首先為該擴(kuò)展資源設(shè)置相關(guān)配置；
然后為所需的擴(kuò)展資源準(zhǔn)備擴(kuò)展資源框架中的插件；
最后在算子中，從 RuntimeContext 來(lái)獲取擴(kuò)展資源的信息并使用這些資源

3.1 配置參數(shù)

 
 
 
 
  
  
  
  # 定義擴(kuò)展資源名稱，“gpu”external-resources: gpu# 定義每個(gè) TaskManager 所需的 GPU 數(shù)量external-resource.gpu.amount: 1 # 定義Yarn或Kubernetes中擴(kuò)展資源的配置鍵external-resource.gpu.yarn.config-key: yarn.io/gpuexternal-resource.gpu.kubernetes.config-key: nvidia.com/gpu# 定義插件 GPUDriver 的工廠類。external-resource.gpu.driver-factory.class: org.apache.flink.externalresource.gpu.GPUDriverFactory

以上是使用 GPU 資源的配置示例：

對(duì)于任何擴(kuò)展資源，用戶首先需要將它的名稱加入 "external-resources" 中，這個(gè)名稱也會(huì)被用作該擴(kuò)展資源其他相關(guān)配置的前綴來(lái)使用。示例中，我們定義了一種名為 "gpu" 的資源。
在調(diào)度層，目前支持用戶在 TaskManager 的粒度來(lái)配置擴(kuò)展資源需求。示例中，我們定義每個(gè) TaskManager 上的 GPU 設(shè)備數(shù)為 1。
將 Flink 部署在 Kubernetes 或是 Yarn 上時(shí)，我們需要配置擴(kuò)展資源在對(duì)應(yīng)的資源底座上的配置鍵，以便 Flink 對(duì)資源需求進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。示例中展示了 GPU 對(duì)應(yīng)的配置。
如果提供了插件，則需要將插件的工廠類名放入配置中。

3.2 前置準(zhǔn)備

在實(shí)際使用擴(kuò)展資源前，還需要做一些前置準(zhǔn)備工作，以 GPU 為例：

在 Standalone 模式下，集群管理員需要保證 GPU 資源對(duì) TaskManager 進(jìn)程可見(jiàn)。
在 Kubernetes 模式下，需要集群支持 Device Plugin[6]，對(duì)應(yīng)的 Kubernetes 版本為 1.10，并且在集群中安裝了 GPU 對(duì)應(yīng)的插件。
在 Yarn 模式下，GPU 調(diào)度需要集群 Hadoop 版本在 2.10 或 3.1 以上，并正確配置了 resource-types.xml 等文件。

3.3 擴(kuò)展資源框架插件

完成了對(duì)擴(kuò)展資源的調(diào)度后，用戶自定義算子可能還需要運(yùn)行時(shí)擴(kuò)展資源的信息才能使用它。擴(kuò)展資源框架中的插件負(fù)責(zé)完成該信息的獲取，它的接口如下：

 
 
 
 
  
  
  
  public interface ExternalResourceDriverFactory {  /**  * 根據(jù)提供的設(shè)置創(chuàng)建擴(kuò)展資源的Driver  */  ExternalResourceDriver createExternalResourceDriver(Configuration config) throws Exception;}public interface ExternalResourceDriver {  /**  * 獲取所需數(shù)量的擴(kuò)展資源信息  */  Set retrieveResourceInfo(long amount) throws Exception;}

ExternalResourceDriver 會(huì)在各個(gè) TaskManager 上啟動(dòng)，擴(kuò)展資源框架會(huì)調(diào)用各個(gè) Driver 的 retrieveResourceInfo 接口來(lái)獲得 TaskManager 上的擴(kuò)展資源信息，并將得到的信息傳到算子的 RuntimeContext。ExternalResourceDriverFactory 則為插件的工廠類。

4. GPU 插件

Flink 目前內(nèi)置了針對(duì) GPU 資源的插件，其內(nèi)部通過(guò)執(zhí)行名為 Discovery Script 的腳本來(lái)獲取當(dāng)前環(huán)境可用的 GPU 信息，目前信息中包含了 GPU 設(shè)備的 Index。

Flink 提供了一個(gè)默認(rèn)腳本，位于項(xiàng)目的 "plugins/external-resource-gpu/" 目錄，用戶也可以實(shí)現(xiàn)自定義的 Discovery Script 并通過(guò)配置來(lái)指定使用自定義腳本。該腳本與 GPU 插件的協(xié)議為：

當(dāng)調(diào)用腳本時(shí)，所需要的 GPU 數(shù)量將作為第一個(gè)參數(shù)輸入，之后為用戶自定義參數(shù)列表。
若腳本執(zhí)行正常，則輸出 GPU Index 列表，以逗號(hào)分隔。
若腳本出錯(cuò)或執(zhí)行結(jié)果不符合預(yù)期，則腳本以非零值退出，這會(huì)導(dǎo)致 TaskManager 初始化失敗，并在日志中打印腳本的錯(cuò)誤信息。
Flink 提供的默認(rèn)腳本是通過(guò) "nvidia-smi" 工具來(lái)獲取當(dāng)前的機(jī)器中可用的 GPU 數(shù)量以及 index，并根據(jù)所需要的 GPU 數(shù)量返回對(duì)應(yīng)數(shù)量的 GPU Index 列表。當(dāng)無(wú)法獲取到所需數(shù)量的 GPU 時(shí)，腳本將以非零值退出。

GPU 設(shè)備的資源分為兩個(gè)維度，流處理器與顯存，其顯存資源只支持獨(dú)占使用。因此，當(dāng)多個(gè) TaskManager 運(yùn)行在同一臺(tái)機(jī)器上時(shí)，若一塊 GPU 被多個(gè)進(jìn)程使用，可能導(dǎo)致其顯存 OOM。因此，Standalone 模式下，需要 TaskManager 級(jí)別的資源隔離機(jī)制。

默認(rèn)腳本提供了 Coordination Mode 來(lái)支持單機(jī)中多個(gè) TaskManager 進(jìn)程之間的 GPU 資源隔離。該模式通過(guò)使用文件鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程間 GPU 使用信息同步，協(xié)調(diào)同一臺(tái)機(jī)器上多個(gè) TaskManager 進(jìn)程對(duì) GPU 資源的使用。

5. 在算子中獲取擴(kuò)展資源信息

在用戶自定義算子中，可使用在 "external-resources" 中定義的資源名稱來(lái)調(diào)用 RuntimeContext 的 getExternalResourceInfos 接口獲取對(duì)應(yīng)擴(kuò)展資源的信息。以 GPU 為例，得到的每個(gè) ExternalResourceInfo 代表一塊 GPU 卡，而其中包含名為 "index" 的字段代表該 GPU 卡的設(shè)備 Index。

 
 
 
 
  
  
  
  public class ExternalResourceMapFunction extends RichMapFunction {  private static finalRESOURCE_NAME="gpu";  @Override  public String map(String value) {    Set gpuInfos = getRuntimeContext().getExternalResourceInfos(RESOURCE_NAME);    List indexes = gpuInfos.stream()          .map(gpuInfo -> gpuInfo.getProperty("index").get()).collect(Collectors.toList());    // Map function with GPU// ...      }}

6. MNIST Demo

下圖以 MNIST 數(shù)據(jù)集的識(shí)別任務(wù)來(lái)演示使用 GPU 加速 Flink 作業(yè)。

MNIST 如上圖所示，為手寫(xiě)數(shù)字圖片數(shù)據(jù)集，每個(gè)圖片可表示為為 28*28 的矩陣。在該任務(wù)中，我們使用預(yù)訓(xùn)練好的 DNN 模型，圖片輸入經(jīng)過(guò)一層全連接網(wǎng)絡(luò)得到一個(gè) 10 維向量，該向量最大元素的下標(biāo)即為識(shí)別結(jié)果。

我們?cè)谝慌_(tái)擁有兩塊 GPU 卡的 ECS 上啟動(dòng)一個(gè)有兩個(gè) TaskManager 進(jìn)程的 Standalone 集群。借助默認(rèn)腳本提供的 Coordination Mode 功能，我們可以保證每個(gè) TaskManager 各使用其中一塊 GPU 卡。

該任務(wù)的核心算子為圖像識(shí)別函數(shù) MNISTClassifier，核心實(shí)現(xiàn)如下所示

 
 
 
 
  
  
  
  class MNISTClassifier extends RichMapFunction, Integer> {  @Override  public void open(Configuration parameters) {    //獲取GPU信息并且選擇第一塊GPU    Set externalResourceInfos =   getRuntimeContext().getExternalResourceInfos(resourceName);    final Optional firstIndexOptional = externalResourceInfos.iterator().next().getProperty("index");    // 使用第一塊GPU的index初始化JCUDA組件    JCuda.cudaSetDevice(Integer.parseInt(firstIndexOptional.get()));    JCublas.cublasInit();  }}

在 Open 方法中，從 RuntimeContext 獲取當(dāng)前 TaskManager 可用的 GPU，并選擇第一塊來(lái)初始化 JCuda 以及 JCublas 庫(kù)。

 
 
 
 
  
  
  
  class MNISTClassifier extends RichMapFunction, Integer> {    @Override    public Integer map(List value) {        // 使用Jucblas做矩陣算法        JCublas.cublasSgemv('n', DIMENSIONS.f1, DIMENSIONS.f0, 1.0f,                matrixPointer, DIMENSIONS.f1, inputPointer, 1, 0.0f, outputPointer, 1);        // 獲得乘法結(jié)果并得出該圖所表示的數(shù)字        JCublas.cublasGetVector(DIMENSIONS.f1, Sizeof.FLOAT, outputPointer, 1, Pointer.to(output), 1);        JCublas.cublasFree(inputPointer);        JCublas.cublasFree(outputPointer);        int result = 0;        for (int i = 0; i < DIMENSIONS.f1; ++i) {            result = output[i] > output[result] ? i : result;        }        return result;    }}

在 Map 方法中，將預(yù)先訓(xùn)練好的模型參數(shù)與輸入矩陣放入 GPU 顯存，使用 JCublas 進(jìn)行 GPU 中的矩陣乘法運(yùn)算，最后將結(jié)果向量從 GPU 顯存中取出并得到識(shí)別結(jié)果數(shù)字。

具體案例演示流程可以前往觀看視頻或者參考 Github 上面的鏈接動(dòng)手嘗試。

四、未來(lái)計(jì)劃

除了上文介紹的這些已經(jīng)發(fā)布的特性外，Apache Flink 社區(qū)也正在積極準(zhǔn)備更多資源管理方面的優(yōu)化特性，在未來(lái)的版本中將陸續(xù)和大家見(jiàn)面。

被動(dòng)資源調(diào)度模式：托管內(nèi)存使得 Flink 任務(wù)可以靈活地適配不同的 TaskManager/Slot 資源，充分利用可用資源，為計(jì)算任務(wù)提供給定資源限制下的最佳算力。但用戶仍需指定計(jì)算任務(wù)的并行度，F(xiàn)link 需要申請(qǐng)到滿足該并行度數(shù)量的 TaskManager/Slot 才能順利執(zhí)行。被動(dòng)資源調(diào)度將使 Flink 能夠根據(jù)可用資源動(dòng)態(tài)改變并行度，在資源不足時(shí)能夠 best effort 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，同時(shí)在資源充足時(shí)恢復(fù)到指定的并行度保障處理性能。
細(xì)粒度資源管理：Flink 目前基于 Slot 的資源管理與調(diào)度機(jī)制，認(rèn)為所有的 Slot 都具有相同的規(guī)格。對(duì)于一些復(fù)雜的規(guī)?；a(chǎn)任務(wù)，往往需要將計(jì)算任務(wù)拆分成多個(gè)子圖，每個(gè)子圖單獨(dú)使用一個(gè) Slot 執(zhí)行。當(dāng)子圖間的資源需求差異較大時(shí)，使用相同規(guī)格的 Slot 往往難以滿足資源效率方面的需求，特別是對(duì)于 GPU 這類成本較高的擴(kuò)展資源。細(xì)粒度資源管理允許用戶為作業(yè)的子圖指定資源需求，F(xiàn)link 會(huì)根據(jù)資源需求使用不同規(guī)格的 TaskManager/Slot 執(zhí)行計(jì)算任務(wù)，從而優(yōu)化資源效率。

五、總結(jié)

通過(guò)文章的介紹，相信大家對(duì) Flink 內(nèi)存管理有了更加清晰的認(rèn)知。

首先從本地內(nèi)存、Job Graph 編譯階段、執(zhí)行階段來(lái)解答每個(gè)流程的內(nèi)存管理以及內(nèi)存分配細(xì)節(jié)，通過(guò)新的參數(shù)配置控制 TaskManager的內(nèi)存分配；
然后從大家平時(shí)遇到資源調(diào)度相關(guān)問(wèn)題，包括最大 Slot 數(shù)使用，如何進(jìn)行 TaskManager 進(jìn)行容錯(cuò)，任務(wù)如何通過(guò)任務(wù)平鋪均攤?cè)蝿?wù)資源；
最后在機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域常常用到 GPU 進(jìn)行加速計(jì)算，通過(guò)解釋 Flink 在 1.12 版本如何使用擴(kuò)展資源框架和演示 Demo，給我們展示了資源擴(kuò)展的使用。再針對(duì)資源利用率方面提出 2 個(gè)社區(qū)未來(lái)正在做的計(jì)劃，包括被動(dòng)資源模式和細(xì)粒度的資源管理。

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網(wǎng)頁(yè)名稱：Flink1.12資源管理新特性回顧
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