Flink SQL Join 从 Regular Join 到 Temporal Join 的实战

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1. Regular Join：灵活性最高但资源消耗较大的连接方式

Regular Join 是最常见的一种 Join 类型，语法形式如下：

SELECT *
FROM Orders
INNER JOIN Product
ON Orders.product_id = Product.id;

虽然在写法上与离线 SQL 几乎一致，但在 Flink 的流处理环境中，其执行机制存在显著差异。

1.1 流场景下 Regular Join 的性能开销

由于流式数据是无界的，Regular Join 需要满足这样的语义：

• 任意一侧的数据流只要出现新记录或更新，就必须能与另一侧的所有历史乃至未来的匹配记录完成关联。

为实现这一目标，Flink 必须将两个参与 Join 的表的全部数据都保存在状态（State）中。这导致：

• 状态数据可能持续增长，理论上没有上限；
• 实际状态大小取决于两方面：
  • 两张表各自的去重后行数；
  • 多表链式连接时产生的中间结果规模。

因此，官方文档多次提醒用户：必须根据业务逻辑合理设置 State TTL（Time-To-Live），否则极易因状态膨胀引发内存溢出（OOM）问题。

1.2 支持的等值连接类型

Flink 中的 Regular Join 当前支持以下几种连接模式：

• Inner Join
• Left Join
• Right Join
• Full Outer Join

但对 Join 条件有严格限制：

• 必须包含至少一个等值条件（Equi-Join），例如：Orders.product_id = Product.id；
• 不支持纯笛卡尔积；
• 不允许仅使用非等值条件（如大于、小于）作为唯一 Join 判据（即 Theta Join 不被允许）。

a.col = b.col

a.x > b.y

常见的合法写法包括：

-- 内连接
SELECT *
FROM Orders
INNER JOIN Product
ON Orders.product_id = Product.id;

-- 左外连接
SELECT *
FROM Orders
LEFT JOIN Product
ON Orders.product_id = Product.id;

-- 右外连接
SELECT *
FROM Orders
RIGHT JOIN Product
ON Orders.product_id = Product.id;

-- 全外连接
SELECT *
FROM Orders
FULL OUTER JOIN Product
ON Orders.product_id = Product.id;

1.3 多表连接建议使用 MultiJoin 优化

当涉及多个表进行链式连接时，若按顺序逐个执行 Join，容易造成中间状态急剧膨胀。

Flink 提供了 MultiJoin 算子来合并和优化多表连接操作。实践建议如下：

• 尽量一次性写出所有参与连接的表，以便优化器能够识别并启用 MultiJoin；
• 明确指定所有 Join 条件，避免产生隐式的笛卡尔积。

A JOIN B JOIN C JOIN D

2. Interval Join：基于时间窗口的事件关联机制

Interval Join 主要用于解决“在一定时间范围内关联两个事件”的需求。典型应用场景包括：

• 将订单与其对应的支付或发货记录进行匹配，但仅限于特定的时间区间内。

示例语句：

SELECT *
FROM Orders o, Shipments s
WHERE o.id = s.order_id
AND o.order_time BETWEEN s.ship_time - INTERVAL '4' HOUR AND s.ship_time;

该查询的含义是：

• 订单 ID 相同；
• 订单发生的时间落在发货时间前 4 小时至发货时刻之间。

[ship_time - 4 小时, ship_time]

2.1 Interval Join 的使用限制

相比 Regular Join，Interval Join 更加受限但也更高效：

• 仅适用于具有时间属性且数据为追加模式（append-only）的表；
• Join 条件必须同时满足：
  • 至少一个等值匹配条件；
  • 一个有效的时间区间谓词。

合法的时间条件示例如下：

• ltime = rtime
• ltime >= rtime AND ltime < rtime + INTERVAL '10' MINUTE
• ltime BETWEEN rtime - INTERVAL '10' SECOND AND rtime + INTERVAL '5' SECOND

得益于时间字段的单调递增特性（或结合 Watermark 处理乱序数据），Flink 可以：

• 利用 Watermark 判断哪些记录不会再有匹配机会；
• 安全地从状态中清除过期数据。

简而言之，Interval Join 相当于一种带有时间边界约束的 Join 操作，在保障正确性的同时显著降低了状态存储的压力。

3. Temporal Join：实现事实流的“时点维度填充”

Temporal Join（时态连接）是构建 Flink 流式数据仓库的核心功能之一。其实质是：

• 将一条不断流入的事实数据流，与一张随时间变化的维度表，在事件发生的那个确切时间点上进行快照匹配。

在处理不断变化的维度表时，若需在特定时间点还原出“当时的快照版本”并将其与事实数据流进行关联（Join），这一需求在实际业务中十分普遍。例如：

• 币种汇率表
• 商品价格表
• 用户等级信息表

同一条订单或行为记录，在当天查看和隔日查看时，所关联的维度信息可能存在差异——这正是时态 Join 发挥作用的场景。

Flink 提供了两种类型的时态 Join 操作，分别基于不同的时间语义：

• 事件时间时态 Join：依据事件发生时刻的状态进行关联，用于还原历史真实情况；
• 处理时间时态 Join：依据当前系统处理时刻的最新状态进行关联，更接近实时查询语义。

3.1 事件时间时态 Join：还原“当时”的维度状态

一个典型的使用案例是“订单金额 + 汇率”转换：

订单金额应按照下单那一刻的汇率换算为美元（USD），而非采用后续更新后的最新汇率。

核心 SQL 示例（DDL 已省略）：

SELECT
  order_id,
  price,
  orders.currency,
  conversion_rate,
  order_time
FROM orders
LEFT JOIN currency_rates FOR SYSTEM_TIME AS OF orders.order_time
ON orders.currency = currency_rates.currency;

语义说明：

• 左侧为订单流表，包含 watermark 机制以支持事件时间处理；

  order_time

• 右侧为带有版本管理能力的汇率维表，具备主键定义；

  currency

  update_time

• 对于每条订单记录，系统会利用其事件时间

  order_time

  去查找该时刻对应的汇率版本；
• 一旦完成关联，即使后续汇率发生变化，历史结果也不会被重新计算或更新。

注意事项：

• Join 条件必须包含对右表主键的等值匹配条件；

  orders.currency = currency_rates.currency

• Watermark 的设定决定了两个方面：
  • 多长时间后可以安全清理某个时间之前的旧版本数据；
  • 系统对乱序到达事件的容忍窗口。

3.2 处理时间时态 Join：以“当前最新值”补全维度字段

这种 Join 方式更贴近“Lookup”语义：

每当一条事实数据进入流中，即刻使用此时维度表中的最新可用数据来填充相关信息。

典型语法示例：

SELECT
  o_amount, r_rate
FROM
  Orders,
  LATERAL TABLE (Rates(o_proctime))
WHERE
  r_currency = o_currency;

主要特点包括：

• 不保存维度表的历史变更版本；
• 相同 key 在不同时间点执行 Join，可能返回不同结果（总是取最新值）；
• 结果具有非确定性，适用于“实时监控当前状态”类场景，而不适合严格审计或回溯分析。

4. Lookup Join：最常用的“流 + 外部维表”字段补全方式

Lookup Join 可视为“处理时间时态 Join”与“外部维表连接器”的结合体。

常见应用场景包括：

• 实时订单流或用户行为流
• 结合存储于 MySQL、HBase 或 Redis 中的维度信息进行字段扩展

DDL 定义示例：

CREATE TEMPORARY TABLE Customers (
  id INT,
  name STRING,
  country STRING,
  zip STRING
) WITH (
  'connector' = 'jdbc',
  'url' = 'jdbc:mysql://mysqlhost:3306/customerdb',
  'table-name' = 'customers'
);

查询语句：

SELECT o.order_id, o.total, c.country, c.zip
FROM Orders AS o
JOIN Customers FOR SYSTEM_TIME AS OF o.proc_time AS c
ON o.customer_id = c.id;

关键要素解析：

• Orders 表作为主数据流，携带处理时间属性；

  proc_time

• Customers 为外部维表，由指定的 connector 实现访问；

  jdbc

• FOR SYSTEM_TIME AS OF 子句表示：在处理当前订单的瞬间，从 MySQL 中读取对应的一行数据；

  FOR SYSTEM_TIME AS OF o.proc_time

• 此后即使数据库中的客户信息发生变更，也不会触发对已生成结果的回溯更新。

Lookup Join 的典型特征：

• 延迟受外部系统响应速度影响；
• 仅使用当前最新记录，不保留历史版本；
• Join 条件必须为等值条件，通常基于主键或索引字段。

5. UNNEST / 数组 & Map & Multiset 展开

在实际业务建模中，常出现“单行数据内嵌数组或 Map 结构”的情形，例如：

• 一条订单记录包含多个商品项
• 一条日志中包含统计用的 Map 或多重集合（Multiset）结构

UNNEST

展示了如何将这类嵌套结构展开为扁平化的多行记录，UNNEST 正是解决此类问题的核心工具。

5.1 数组展开

示例一：常量数组展开

SELECT * FROM (VALUES('order_1')), UNNEST(ARRAY['shirt', 'pants', 'hat']);

示例二：基于表字段的数组展开

SELECT order_id, product_name
FROM Orders

5.2 WITH ORDINALITY：同时获取元素下标

在使用 UNNEST 展开结构时，可以通过添加 WITH ORDINALITY 来一并返回元素的序号。例如：

SELECT *
FROM (VALUES ('order_1'), ('order_2'))
CROSS JOIN UNNEST(ARRAY['shirt', 'pants', 'hat'])
WITH ORDINALITY AS t(product_name, index);

需要注意的是：

• 下标从 1 开始计数；
• 对于数组类型，展开顺序是确定且有保证的；
• 而对于 Map 或 multiset 类型，遍历顺序则不作保证。

以 Map 为例，进行展开操作：

SELECT *
FROM
(VALUES('order_1'))
CROSS JOIN UNNEST(MAP['shirt', 2, 'pants', 1, 'hat', 1]) WITH ORDINALITY;

当处理 multiset 时，若某元素的出现次数（multiplicity）为 2，则会展开为两行相同记录。

index

6. 表函数 Join：实现“一行变多行”的动态扩展

表函数 Join 结合 LATERAL 关键字，其核心语义是：

将左表的每一行作为输入参数，调用一次表函数，将其返回的多行结果与该行进行连接。

LATERAL TABLE

6.1 内连接（Inner Join）表函数

如果表函数执行后未返回任何结果，则对应的左表行将被过滤掉：

SELECT order_id, res
FROM Orders,
LATERAL TABLE(table_func(order_id)) t(res);

6.2 左外连接（Left Outer Join）表函数

即使表函数无返回结果，左表记录依然保留，右侧字段填充 NULL：

SELECT order_id, res
FROM Orders
LEFT OUTER JOIN LATERAL TABLE(table_func(order_id)) t(res)
ON TRUE;

NULL

常见应用场景包括：

• 对字段内容进行拆分或解析，如将 JSON 字符串转换为多行多列数据；
• 对文本内容进行分词处理，输出多个关键词行；
• 调用外部服务接口，基于单行输入返回多个候选结果行。

7. 如何选择合适的 Join 类型？一表归纳清晰对比

根据不同的业务需求，应选用最匹配的 Join 方式。以下是典型场景与推荐方案对照：

场景诉求	推荐 Join 类型
任意两个动态表全量关联，语义最贴近离线 SQL	Regular Join
两个事件流基于 ID 和时间区间进行匹配	Interval Join
事实表回放某一时刻维度表的历史版本	Event Time Temporal Join
事实表实时补全当前最新的维度信息	Processing Time Temporal Join / Lookup Join
将数组、Map 或 multiset 展平为多行	UNNEST +（可选）WITH ORDINALITY
每行触发一个 UDTF 并将其多行结果 Join	LATERAL TABLE / 表函数 Join

一条关键实战经验提醒：

Regular Join 和无限制的多表 Join 是生产环境中事故高发区。

在流式计算中必须重点考虑以下因素：

• 状态数据的存储规模；
• watermark 机制与状态 TTL 设置；
• 是否可以改写为 Interval Join、Temporal Join 或 Lookup Join；
• 是否可通过引入窗口约束，将 Join 范围限定在合理的业务时间段内。

8. 总结

本文从语义逻辑、资源代价和典型应用三个维度，系统梳理了 Flink SQL 中各类 Join 的特性：

• Regular Join：行为最接近传统离线 SQL，但状态管理压力最大；
• Interval Join：通过时间区间限定关联范围，有效控制状态增长；
• Temporal Join：依据时间点查找维度表对应版本值，是流式数仓的核心能力之一；
• Lookup Join：用于实时补充最新维度信息，适用于低延迟查询场景；
• UNNEST 与表函数 Join：专用于处理嵌套或半结构化数据，实现“摊平”展开。

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关键词：temporal Regular join oral link