类型抽取和序列化

本文翻译自Type Extraction and Serialization

Flink处理类型的方式比较特殊，包括它自己的类型描述，一般类型抽取和类型序列化框架。该文档描述这些概念并解释其机理。

Java API和Scala API处理类型信息的方式有根本性的区别，所以本文描述的问题仅与其中一种API相关

一、Flink中对类型的处理

一般处理类型时，我们并不干涉，而是让编程语言和序列化框架来自动处理类型。与之相反的，Flink想要尽可能掌握进出用户函数的数据类型的信息。

1.    为了可以使用持久化类（POJO）以及通过成员名来grouping/joining，Flink需要数据类型信息来在job被执行前进行检查（拼写错误和类型兼容性）

2.    信息知道得越多，编译器/优化器就可以开发出更好的序列化（serialization）和数据分布模式（data layout scheme）。这对Flink的“memory usage paradigm”是非常重要的（它用于序列化从堆中出入的数据，并使得序列化开销变得十分低）

3.    对于即将推出的逻辑程序（logic program），我们需要这些信息来识别函数的“模式（scheme）”

4.    最后，这些信息使得用户免于考虑序列化框架，以及考虑将类型注册到这些框架中去

二、Flink的TypeInformation类

类TypeInformation是所有类型描述类的基类。它包括了一些类型的基本属性，并可以动过它来生成序列化器（serializer），特殊情况下可以生成类型的比较器。（Note：Flink中的比较器不仅仅是定义大小，它们是处理keys时的基本辅助工具）

Flink对类型做出如下区分：

1.    基本类型：所有Java基本数据类型和对应装箱类型，加上void, String, Date

2.    基本数组和Object数组

3.    复合类型：

a.     Flink Java Tuple（Flink Java API的一部分）

b.    Scala case 类（包括Scala Tuple）

c.     POJO类：遵循类bean模式的类

4.    Scala辅助类型（Option，Either，Lists，Maps…）

5.    泛型（Generic）：这些类型将不会由Flink自己序列化，而是借助Kryo来序列化

POJO类支持复杂类型的创建，并且在定义keys时可以使用成员的名字：dataSet.join(another).where("name").equalTo("personName")。同时，POJO类对于运行时是透明的，这使得Flink可以十分高效地处理它们。

POJO类型的规则

当以下条件满足时，Flink将以POJO类型识别一个数据类型，并允许以成员名引用：

1.    该类是public并且独立的（即没有非静态的内部类）

2.    该类拥有一个public的无参数构造函数

3.    该类（以及该类的超类）的成员要么是public的，要么拥有public的符合Java bean对Getter和Setter命名规则的Getter和Setter函数。

三、Scala API中的类型信息

略

四、Java API中的类型信息

Java一般会清除泛型信息。仅对泛型类的子类，由子类存储泛型变量捆绑的类型。

Flink对实现用户函数的（匿名anonymous）类使用反射（reflection）来确定该函数的泛型参数的类型。该逻辑还包含简单的类型推论，用于函数返回的类型由输入类型决定的情况，例如如下的泛型函数：

1 public class AppendOne<T> extends MapFunction<T, Tuple2<T, Long>>
2 {
3     public Tuple2<T, Long> map(T value)
4     {
5          return new Tuple<T, Long>(value, 1L);
6     }
7 }

Flink并不可能在所有情况下都可靠地识别出函数的数据类型。在泛型Lambda表达式（我们试图在Java社区解决这个问题，见下）和泛型变量推断上仍然存在一些问题。

4.1 Java API中的Type Hints

为了帮助Flink无法重建被清除的泛型信息的情况，自版本0.9后提供了type hint的Java API。Type hint通知系统一个函数产生的数据集的类型。下面是一个Type hint的例子：

DataSet<SomeType> result = dataSet
　　.map(new MyGenericNonInferrableFunction<Long, SomeType>())
　　.returns(SomeType.class);

在本例中，returns语句通过一个类指定了产生的类型。Type hint支持如下几种方法进行类型定义：

1.    类，针对无参数的类型（非泛型）

2.    String，语法为returns("Tuple2<Integer, my.SomeType>")，该字符串将被分析并转换为TypeInformation对象

3.    一个TypeInfomation对象

4.2 针对Java 8 Lambda表达式的类型抽取

由于Lambda表达式不涉及继承函数接口的实现类，Java 8 Lambda的类型抽取与非lambda表达式的机理并不相同。

现在，Flink正尝试确定如何实现Lambda表达式，并使用Java的泛型签名（generic signature）来决定参数类型和返回类型。但是，并不是所有的编译器中的签名都是为Lambda表达式生成的（本文写作时该文档仅完全适用在Milestone 2的Eclipse JDT编译器4.5及以前的编译器下）

4.2.1 类型信息对Java Lambda的改善

Flink的提交者之一（Timo Walther）活跃于Eclipse JDT 编译器社区和OpenJDK社区，并向编译器提交了改善类型信息对Java 8 Lambda表达式可用性的补丁。

Eclipse JDT 编译器在版本4.5 M4添加了对该方面的支持，而有关OpenJDK编译器的有关方面正在讨论当中。

4.3 POJO类型的序列化

类PojoTypeInfomation用于创建针对POJO中所有成员的序列化器。Flink自带了针对诸如int，long，String等标准类型的序列化器，对于所有其他的类型，我们交给Kryo处理。

如果Kryo不能处理某类型，则我们可以通过PojoTypeInfo来使用Avro来序列化POJO，为了达成该目的，我们需要调用如下接口：

1 1 final ExecutionEnvironment env = ExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
2 2 env.getConfig().enableForceAvro();

注意Flink自动序列化POJO对象，该对象由Avro用Avro序列化器产生。

如果我们想使得整个POJO类型都由Kryo序列化器处理，则我们如下设置：

1 final ExecutionEnvironment env = ExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
2 env.getConfig().enableForceKryo();

如果Kryo不能序列化该POJO对象，我们可以添加一个自定义序列化器到Kryo，使用代码如下：

1 env.getConfig().addDefaultKryoSerializer(Class<?> type, Class<? extends Serializer<?>> serializerClass)

这些方法还有许多不同的重载形式可用