Apache Beam，批处理和流式处理的融合！

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1. 概述

在本教程中，我们将介绍 Apache Beam 并探讨其基本概念。
我们将首先演示使用 Apache Beam 的用例和好处，然后介绍基本概念和术语。之后，我们将通过一个简单的例子来说明 Apache Beam 的所有重要方面。

2. Apache Beam是个啥?

Apache Beam（Batch+strEAM）是一个用于批处理和流式数据处理作业的统一编程模型。它提供了一个软件开发工具包，用于定义和构建数据处理管道以及执行这些管道的运行程序。

Apache Beam旨在提供一个可移植的编程层。事实上，Beam管道运行程序将数据处理管道转换为与用户选择的后端兼容的API。目前，支持这些分布式处理后端有：

• Apache Apex
• Apache Flink
• Apache Gearpump (incubating)
• Apache Samza
• Apache Spark
• Google Cloud Dataflow
• Hazelcast Jet

3. 为啥选择 Apache Beam

Apache Beam 将批处理和流式数据处理融合在一起，而其他组件通常通过单独的 API 来实现这一点。因此，很容易将流式处理更改为批处理，反之亦然，例如，随着需求的变化。

Apache Beam 提高了可移植性和灵活性。我们关注的是逻辑，而不是底层的细节。此外，我们可以随时更改数据处理后端。

Apache Beam 可以使用 Java、Python、Go和 Scala等SDK。事实上，团队中的每个人都可以使用他们选择的语言。

4. 基本概念

使用 Apache Beam，我们可以构建工作流图（管道）并执行它们。编程模型中的关键概念是：

• PCollection–表示可以是固定批处理或数据流的数据集

• PTransform–一种数据处理操作，它接受一个或多个 PCollections 并输出零个或多个 PCollections。

• Pipeline–表示 PCollection 和 PTransform 的有向无环图，因此封装了整个数据处理作业。

• PipelineRunner–在指定的分布式处理后端上执行管道。

简单地说，PipelineRunner 执行一个管道，管道由 PCollection 和 PTransform 组成。

5. 字数统计示例

现在我们已经学习了 Apache Beam 的基本概念，让我们设计并测试一个单词计数任务。

5.1 建造梁式管道

设计工作流图是每个 Apache Beam 作业的第一步，单词计数任务的步骤定义如下：
1.从原文中读课文。
2.把课文分成单词表。
3.所有单词都小写。
4.删去标点符号。
5.过滤停止语。
6.统计唯一单词数量。
为了实现这一点，我们需要使用 PCollection 和 PTransform 抽象将上述步骤转换为 管道 。

5.2. 依赖

在实现工作流图之前，先添加 Apache Beam的依赖项 到我们的项目：

<dependency>
    <groupId>org.apache.beam</groupId>
    <artifactId>beam-sdks-java-core</artifactId>
    <version>${beam.version}</version>
</dependency>

Beam管道运行程序依赖于分布式处理后端来执行任务。我们添加 DirectRunner 作为运行时依赖项：

<dependency>
    <groupId>org.apache.beam</groupId>
    <artifactId>beam-runners-direct-java</artifactId>
    <version>${beam.version}</version>
    <scope>runtime</scope>
</dependency>

与其他管道运行程序不同，DirectRunner 不需要任何额外的设置，这对初学者来说是个不错的选择。

5.3. 实现

Apache Beam 使用 Map-Reduce 编程范式 ( 类似 Java Stream)。讲下面内容之前，最好 对 reduce(), filter(), count(), map(), 和 flatMap() 有个基础概念和认识。

首先要做的事情就是 创建管道：

PipelineOptions options = PipelineOptionsFactory.create();
Pipeline p = Pipeline.create(options);

六步单词计数任务：

PCollection<KV<String, Long>> wordCount = p
    .apply("(1) Read all lines", 
      TextIO.read().from(inputFilePath))
    .apply("(2) Flatmap to a list of words", 
      FlatMapElements.into(TypeDescriptors.strings())
      .via(line -> Arrays.asList(line.split("\\s"))))
    .apply("(3) Lowercase all", 
      MapElements.into(TypeDescriptors.strings())
      .via(word -> word.toLowerCase()))
    .apply("(4) Trim punctuations", 
      MapElements.into(TypeDescriptors.strings())
      .via(word -> trim(word)))
    .apply("(5) Filter stopwords", 
      Filter.by(word -> !isStopWord(word)))
    .apply("(6) Count words", 
      Count.perElement());

apply() 的第一个（可选）参数是一个String，它只是为了提高代码的可读性。下面是上述代码中每个 apply() 的作用：

1. 首先，我们使用 TextIO 逐行读取输入文本文件。
2. 将每一行按空格分开，把它映射到一个单词表上。
3. 单词计数不区分大小写，所以我们将所有单词都小写。
4. 之前，我们用空格分隔行，但是像“word！“和”word？"这样的，就需要删除标点符号。
5. 像“is”和“by”这样的停止词在几乎每一篇英语文章中都很常见，所以我们将它们删除。
6. 最后，我们使用内置函数 Count.perElement() 计算唯一单词数量。

如前所述，管道是在分布式后端处理的。不可能在内存中的PCollection上迭代，因为它分布在多个后端。相反，我们将结果写入外部数据库或文件。

首先，我们将PCollection转换为String。然后，使用TextIO编写输出：

wordCount.apply(MapElements.into(TypeDescriptors.strings())
    .via(count -> count.getKey() + " --> " + count.getValue()))
    .apply(TextIO.write().to(outputFilePath));

现在管道 已经定义好了，接下来做个简单的测试。

5.4. 运行测试

到目前为止，我们已为单词计数任务定义了管道，现在运行管道：

p.run().waitUntilFinish();

在这行代码中，Apache Beam 将把我们的任务发送到多个 DirectRunner 实例。因此，最后将生成几个输出文件。它们将包含以下内容：

...
apache --> 3
beam --> 5
rocks --> 2
...

在 Apache Beam 中定义和运行分布式作业是如此地简单。为了进行比较，单词计数实现在 Apache Spark, Apache Flink 和 Hazelcast-Jet 上也有

6. 结语

在本教程中，我们了解了 Apache Beam 是什么，以及它为什么比其他选择更受欢迎。我们还通过一个单词计数示例演示了 Apache Beam 的基本概念。
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