栗子：2020年双十一，阿里基于 Flink，实现了数据的批流一体处理，每秒能够处理 40 亿条的巨量数据。这也是业界首次在这么大规模的数据洪峰之上，实现数据流的实时处理。实时数据流处理功能的实现，让阿里的推荐系统引擎能够在双 11 期间做出更快速的反应，实时抓住用户的兴趣，给出更准确的推荐。
带着三个问题进行学习：
为什么说实时性是影响推荐系统效果的关键因素？
到底什么是批流一体的数据处理体系？
业界流行的 Flink 到底是怎么实现数据流处理的？
一、实时性是影响推荐系统效果的关键因素
ex：小明在刷抖音的足球视频，接着会继续推荐出相关视频，如果推荐系统没有实时抓住用户的兴趣点，推荐大妈广场舞的视频，小明可能会对该产品失去兴趣哈哈。
二、批流一体的数据处理体系
2.1 传统批处理大数据架构
数据处理中，无论是数据的预处理，还是特征工程，大部分是在 Spark 平台上完成的。
Spark 平台的特点：它处理的数据都是已经落盘的数据。即这些数据要么是在硬盘上，要么是在分布式的文件系统上，然后才会被批量地载入到 Spark 平台上进行运算处理，这种批量处理大数据的架构就叫做批处理大数据架构（整体架构图如下图所示）。
图1 传统批处理大数据架构
批处理架构的特点：慢，数据从产生到落盘，再到被 Spark 平台重新读取处理，往往要经历几十分钟甚至几小时的延迟。如果推荐系统是建立在这样的数据处理架构上，很难实时地抓住用户的新兴趣点。
2.2 流处理大数据架构
流处理大数据架构：在数据产生之后就立马处理它，而不是等到它落盘后再重新处理它；即在数据产生后就直接对数据流进行处理的架构。
它和批处理大数据架构相比，不仅用流处理平台替换掉了分布式批处理 Map Reduce 计算平台，而且在数据源与计算平台之间，也不再有存储系统这一层。这就大大提高了数据处理的速度，让数据的延迟可以降低到几分钟级别，甚至一分钟以内，这也让实时推荐成为了可能。
图2 流处理大数据架构
缺点：由于流处理平台是对数据流进行直接处理，它没有办法进行长时间段的历史数据的全量处理，这就让流处理平台无法应用在历史特征的提取，模型的训练样本生成这样非常重要的领域。
2.3 同具批处理、流处理优势的Flink
批流一体的大数据架构最重要的特点，就是在流处理架构的基础上添加了数据重播的功能。
数据重播功能：指的是在数据落盘之后，还可以利用流处理平台同样的代码，进行落盘数据的处理，这就相当于进行了一遍重播。这样就实现了离线环境下的数据批处理。而且由于流处理和批处理使用的是一套代码，因此完美保证了代码维护的一致性，是近乎完美的数据流解决方案。
图3 批流一体大数据架构
很少公司实现这套方案的原因：有两大难点
大批成熟的互联网公司已经在 Spark 等批处理平台上，构建起了整套的数据体系，要想完全迁移到批流一体的数据体系上，有着非常沉重的技术负担。
批流一体的解决方案还很理想化，因为我们在实际处理特征的时候，很难让批处理和流处理完全共享一套代码。
ex：在流处理中可以很方便地计算出点击量、曝光量这类方便累计的指标，但如果遇到比较复杂的特征，像是用户过去一个月的平均访问时长，用户观看视频的进度百分比等等，这些指标就很难在流处理中计算得到了。这是因为计算这类特征所需的数据时间跨度大，计算复杂，流处理难以实现。
小结：对待流处理平台，取其所长。
具体点：在需要实时计算的地方发挥它的长处，但也没有必要过于理想主义，强调一切应用都应该批流一体，这反而会为我们增加过多的技术负担。
三、Flink如何处理数据流
Flink 中两个最重要的概念，数据流（DataStream）和窗口（Window）。
3.1 数据流
数据流其实就是消息队列，从网站、APP 这些客户端中产生的数据，被发送到服务器端的时候，就是一个数据消息队列，而流处理平台就是要对这个消息队列进行实时处理。
下图所示：来自三个用户的数据，其中一个一个紫色的点就是一条条数据，所有紫色的点按时间排列就形成了一个消息队列。
图4 数据流和窗口
3.2 窗口
Flink 会怎么处理这个消息队列里的数据呢？
随着时间的流失，按照时间窗口来依次处理每个时间窗口内的数据。
比如图 4 中的数据流就被分割成了 5 个时间窗口，每个窗口的长度假设是 5 分钟，这意味着每积攒够 5 分钟的数据，Flink 就会把缓存在内存中的这 5 分钟数据进行一次批处理。这样，我们就可以算出数据流中涉及物品的最新 CTR，并且根据用户最新点击的物品来更新用户的兴趣向量，记录特定物品曝光给用户的次数等等。
除了上面例子中的固定窗口以外，Flink 还提供了多种不同的窗口类型，滑动窗口（Sliding Window）也是经常会用到的。
滑动窗口的特点是在两个窗口之间留有重叠的部分，Flink 在移动窗口的时候，不是移动 window size 这个长度，而是移动 window slide 这个长度，window slide 的长度要小于 window size。因此，窗口内部的数据不仅包含了数据流中新进入的 window slide 长度的数据，还包含了上一个窗口的老数据，这部分数据的长度是 window size-window slide。
图5 Flink中的滑动窗口
问：滑动窗口这种方式有什么用呢？
答：它最典型的用处就是做一些数据的 JOIN 操作。比如我们往往需要通过 JOIN 连接一个物品的曝光数据和点击数据，以此来计算 CTR，但是注意曝光数据肯定是在点击数据之前到达 Flink 的。
那如果在分窗的时候，恰好把曝光数据和点击数据分割在了两个窗口怎么办呢？那点击数据就不可能找到相应的曝光数据了。这个时候，只要我们使用滑动窗口，这个问题就迎刃而解了。因为两个窗口重叠的部分给我们留了足够的余量来进行数据 JOIN，避免数据的遗漏。
除了固定窗口和滑动窗口，Flink 还提供了更丰富的窗口操作，比如基于会话的 Session Window，全局性的 Global Window。
除此之外，Flink 还具有数据流 JOIN，状态保存特性 state 等众多非常有价值的操作，想继续学习可以参考 Flink 的官方文档 。本次task只要清楚 Flink 的核心概念数据流和时间窗口就可以了，因为它反映了流处理平台最核心的特点。
四、Flink 数据流处理实践
在 SparrowRecsys 项目上利用 Flink 实现一个特征更新的应用。
因为没有真实的数据流环境，所以我们可以利用 MoviesLens 的 ratings 表来模拟一个用户评分的数据流，然后基于这个数据流，利用 Flink 的时间窗口操作，来实时地提取出用户最近的评分电影，以此来反映用户的兴趣。
（详细代码：com.sparrowrecsys.nearline.flink.RealTimeFeature）。
（1）首先定义了一个评分的数据流 ratingStream，然后在处理 ratingStream 的时候，是把 userId 作为 key 进行处理。
（2）接着，又利用到了两个函数 timeWindow 和 reduce。利用 timeWindow 函数，我们可以把处理的时间窗口设置成 1s，再利用 reduce 函数，把每个时间窗口到期时触发的操作设置好。
（3）在完成了 reduce 操作后，我们再触发 addSink 函数中添加的操作，进行数据存储、特征更新等操作。
DataStream<Rating> ratingStream = inputStream.map(Rating::new); ratingStream.keyBy(rating -> rating.userId) .timeWindow(Time.seconds(1)) .reduce( (ReduceFunction<Rating>) (rating, t1) -> { if (rating.timestamp.compareTo(t1.timestamp) > 0){ return rating; }else{ return t1; } } ).addSink(new SinkFunction<Rating>() { @Override public void invoke(Rating value, Context context) { System.out.println("userId:" + value.userId + "\tlatestMovieId:" + value.latestMovieId); } });
问：怎么把用户最近的高分电影评价历史，实时反映到推荐结果上？
答：我们的用户 Embedding 是通过平均用户的高分电影 Embedding 得到的，我们只需要在得到新的高分电影后，实时地更新用户 Embedding 就可以了，然后在推荐过程中，用户的推荐列表自然会发生实时的变化。这就是 SparrowRecsys 基于 Flink 的实时推荐过程。
五、作业
（1）实时性是不是对所有推荐系统都非常重要？比如对于抖音、快手这类短视频应用，还有优酷、Netflix 这类长视频应用，实时性对哪个更重要一些？为什么？
答：短视频应用的实时性要求更高！因为相同时间内，短视频用户的单视频停留周期短、场景更换频繁，用户兴趣反馈信息更多；
（2）Flink 要加强的往往是数据的实时性，特征的实时性，你觉得模型训练的实时性重要吗？模型训练的实时性发挥的作用和特征实时性有什么不同呢？
常说的推荐实时=7特征实时+3模型实时，都很重要！特征实时推荐是加强当前用户关注话题（现在、个别），模型训练实时推荐加强的用户未来关注的话题（下次、整体）。业界常见的做法，基于用户特征实时变化的推荐（热周期-用户活跃期），至于模型训练（或强化学习）放在冷周期（用户睡眠期）。
