yunlzheng.gitbook.io/prometheus-… 主要来自上述电子书摘要

Prometheus组件

Prometheus Server

Prometheus Server是Prometheus组件中的核心部分，负责实现对监控数据的获取，存储以及查询。 Prometheus Server可以通过静态配置管理监控目标，也可以配合使用Service Discovery的方式动态管理监控目标，并从这些监控目标中获取数据。其次Prometheus Server需要对采集到的监控数据进行存储，Prometheus Server本身就是一个时序数据库，将采集到的监控数据按照时间序列的方式存储在本地磁盘当中。最后Prometheus Server对外提供了自定义的PromQL语言，实现对数据的查询以及分析。
Prometheus Server的联邦集群能力可以使其从其他的Prometheus Server实例中获取数据，因此在大规模监控的情况下，可以通过联邦集群以及功能分区的方式对Prometheus Server进行扩展。

Exporters

Exporter将监控数据采集的端点通过HTTP服务的形式暴露给Prometheus Server，Prometheus Server通过访问该Exporter提供的Endpoint端点，即可获取到需要采集的监控数据。Exporter分为2类：

直接采集：这一类Exporter直接内置了对Prometheus监控的支持，比如cAdvisor，Kubernetes，Etcd，Gokit等，都直接内置了用于向Prometheus暴露监控数据的端点。
间接采集：间接采集，原有监控目标并不直接支持Prometheus，因此我们需要通过Prometheus提供的Client Library编写该监控目标的监控采集程序。例如： Mysql Exporter，JMX Exporter，Consul Exporter等。

AlertManager

在Prometheus Server中支持基于PromQL创建告警规则，如果满足PromQL定义的规则，则会产生一条告警，而告警的后续处理流程则由AlertManager进行管理。在AlertManager中我们可以与邮件，Slack等等内置的通知方式进行集成，也可以通过Webhook自定义告警处理方式。AlertManager即Prometheus体系中的告警处理中心。

PushGateway

由于Prometheus数据采集基于Pull模型进行设计，因此在网络环境的配置上必须要让Prometheus Server能够直接与Exporter进行通信。当这种网络需求无法直接满足时，就可以利用PushGateway来进行中转。可以通过PushGateway将内部网络的监控数据主动Push到Gateway当中。而Prometheus Server则可以采用同样Pull的方式从PushGateway中获取到监控数据。

PromQL

时序序列

Prometheus会将所有采集到的样本数据以时间序列（time-series）的方式保存在内存数据库中，并且定时保存到硬盘上。time-series是按照时间戳和值的序列顺序存放的，我们称之为向量(vector). 每条time-series通过指标名称(metrics name)和一组标签集(labelset)命名。
在time-series中的每一个点称为一个样本（sample），样本由以下三部分组成：

指标(metric)：metric name和描述当前样本特征的labelsets;
时间戳(timestamp)：一个精确到毫秒的时间戳;
样本值(value)：一个float64的浮点型数据表示当前样本的值。

<--------------- metric ---------------------><-timestamp -><-value->
http_request_total{status="200", method="GET"}@1434417560938 => 94355
http_request_total{status="200", method="GET"}@1434417561287 => 94334
http_request_total{status="404", method="GET"}@1434417560938 => 38473
http_request_total{status="404", method="GET"}@1434417561287 => 38544
http_request_total{status="200", method="POST"}@1434417560938 => 4748
http_request_total{status="200", method="POST"}@1434417561287 => 4785

指标

在形式上，所有的指标(Metric)都通过如下格式标示：

<metric name>{<label name>=<label value>, ...}

指标的名称(metric name)可以反映被监控样本的含义（比如，http_request_total - 表示当前系统接收到的HTTP请求总量）。
标签(label)反映了当前样本的特征维度，通过这些维度Prometheus可以对样本数据进行过滤，聚合等。标签的名称只能由ASCII字符、数字以及下划线组成并满足正则表达式。

Metrics类型

Prometheus定义了4种不同的指标类型(metric type)：Counter（计数器）、Gauge（仪表盘）、Histogram（直方图）、Summary（摘要）

Counter：只增不减的计数器

Counter类型的指标其工作方式和计数器一样，只增不减（除非系统发生重置）。常见的监控指标，如http_requests_total，node_cpu都是Counter类型的监控指标。一般在定义Counter类型指标的名称时推荐使用_total作为后缀。

Gauge：可增可减的仪表盘

与Counter不同，Gauge类型的指标侧重于反应系统的当前状态。因此这类指标的样本数据可增可减。常见指标如：node_memory_MemFree（主机当前空闲的内容大小）、node_memory_MemAvailable（可用内存大小）都是Gauge类型的监控指标。
通过Gauge指标，用户可以直接查看系统的当前状态，通过PromQL内置函数delta()可以获取样本在一段时间返回内的变化情况。

使用Histogram和Summary分析数据分布情况

Histogram和Summary主用用于统计和分析样本的分布情况，与Summary类型的指标相似之处在于Histogram类型的样本同样会反应当前指标的记录的总数(以_count作为后缀)以及其值的总量（以_sum作为后缀）。不同在于Histogram指标直接反应了在不同区间内样本的个数，区间通过标签len进行定义。

# HELP prometheus_tsdb_compaction_chunk_range Final time range of chunks on their first compaction
# TYPE prometheus_tsdb_compaction_chunk_range histogram
prometheus_tsdb_compaction_chunk_range_bucket{le="100"} 0
prometheus_tsdb_compaction_chunk_range_bucket{le="400"} 0
prometheus_tsdb_compaction_chunk_range_bucket{le="1600"} 0
prometheus_tsdb_compaction_chunk_range_bucket{le="6400"} 0
prometheus_tsdb_compaction_chunk_range_bucket{le="25600"} 0
prometheus_tsdb_compaction_chunk_range_bucket{le="102400"} 0
prometheus_tsdb_compaction_chunk_range_bucket{le="409600"} 0
prometheus_tsdb_compaction_chunk_range_bucket{le="1.6384e+06"} 260
prometheus_tsdb_compaction_chunk_range_bucket{le="6.5536e+06"} 780
prometheus_tsdb_compaction_chunk_range_bucket{le="2.62144e+07"} 780
prometheus_tsdb_compaction_chunk_range_bucket{le="+Inf"} 780
prometheus_tsdb_compaction_chunk_range_sum 1.1540798e+09
prometheus_tsdb_compaction_chunk_range_count 780

PromQL基础概念

PromQL是Prometheus内置的数据查询语言，其提供对时间序列数据丰富的查询，聚合以及逻辑运算能力的支持。并且被广泛应用在Prometheus的日常应用当中，包括对数据查询、可视化、告警处理当中。
PromQL支持用户根据时间序列的标签匹配模式来对时间序列进行过滤，目前主要支持两种匹配模式：完全匹配和正则匹配。 PromQL支持使用=和!=两种完全匹配模式：

通过使用label=value可以选择那些标签满足表达式定义的时间序列；
反之使用label!=value则可以根据标签匹配排除时间序列；

http_requests_total{instance="localhost:9090"}

支持使用正则表达式作为匹配条件，多个表达式之间使用|进行分离：

使用label=~regx表示选择那些标签符合正则表达式定义的时间序列；
反之使用label!~regx进行排除；

http_requests_total{environment=~"staging|testing|development",method!="GET"}

时间范围

直接通过类似于PromQL表达式http_requests_total查询时间序列时，返回值中只会包含该时间序列中的最新的一个样本值，这样的返回结果我们称之为瞬时向量。如果我们想过去一段时间范围内的样本数据时，我们则需要使用区间向量表达式。区间向量表达式和瞬时向量表达式之间的差异在于在区间向量表达式中我们需要定义时间选择的范围，时间范围通过时间范围选择器[]进行定义。

http_requests_total{}[5m]

时间位移操作

offset时间位移操作，可以获取5分钟前的瞬时样本数据，或昨天一天的区间内的样本数据

http_request_total{} # 瞬时向量表达式，选择当前最新的数据
http_request_total{}[5m] # 区间向量表达式，选择以当前时间为基准，5分钟内的数据
http_request_total{} offset 5m
http_request_total{}[1d] offset 1d

聚合操作

一般来说，如果描述样本特征的标签(label)在并非唯一的情况下，通过PromQL查询数据，会返回多条满足这些特征维度的时间序列。而PromQL提供的聚合操作可以用来对这些时间序列进行处理，形成一条新的时间序列

# 查询系统所有http请求的总量
sum(http_request_total)

# 按照mode计算主机CPU的平均使用时间
avg(node_cpu) by (mode)

# 按照主机查询各个主机的CPU使用率
sum(sum(irate(node_cpu{mode!='idle'}[5m]))  / sum(irate(node_cpu[5m]))) by (instance)

标量和字符串

除了使用瞬时向量表达式和区间向量表达式以外，PromQL还直接支持用户使用标量(Scalar)和字符串(String)。直接使用字符串，作为PromQL表达式，则会直接返回字符串。

合法的PromQL表达式

所有的PromQL表达式都必须至少包含一个指标名称(例如http_request_total)，或者一个不会匹配到空字符串的标签过滤器(例如{code="200"})。

http_request_total # 合法
http_request_total{} # 合法
{method="get"} # 合法

除了使用<metric name>{label=value}的形式以外，我们还可以使用内置的__name__标签来指定监控指标名称：

{__name__=~"http_request_total"} # 合法
{__name__=~"node_disk_bytes_read|node_disk_bytes_written"} # 合法

操作符

数学运算

当瞬时向量与标量之间进行数学运算时，数学运算符会依次作用域瞬时向量中的每一个样本值，从而得到一组新的时间序列。\

node_disk_bytes_written + node_disk_bytes_read

依次找到与左边向量元素匹配（标签完全一致）的右边向量元素进行运算，如果没找到匹配元素，则直接丢弃。同时新的时间序列将不会包含指标名称。
目前支持：+、-、*、/、%、^

使用布尔运算过滤时间序列

在PromQL通过标签匹配模式，用户可以根据时间序列的特征维度对其进行查询。而布尔运算则支持用户根据时间序列中样本的值，对时间序列进行过滤。
当前内存使用率超过95%的主机：

(node_memory_bytes_total - node_memory_free_bytes_total) / node_memory_bytes_total > 0.95

瞬时向量与标量进行布尔运算时，PromQL依次比较向量中的所有时间序列样本的值，如果比较结果为true则保留，反之丢弃。
瞬时向量与瞬时向量直接进行布尔运算时，同样遵循默认的匹配模式：依次找到与左边向量元素匹配（标签完全一致）的右边向量元素进行相应的操作，如果没找到匹配元素，则直接丢弃。
目前支持的布尔运算：== != > < >= <=

使用bool修饰符改变布尔运算符的行为

布尔运算符的默认行为是对时序数据进行过滤。而在其它的情况下我们可能需要的是真正的布尔结果。例如，只需要知道当前模块的HTTP请求量是否>=1000，如果大于等于1000则返回1（true）否则返回0（false）。这时可以使用bool修饰符改变布尔运算的默认行为

http_requests_total > bool 1000

使用集合运算符

使用瞬时向量表达式能够获取到一个包含多个时间序列的集合，我们称为瞬时向量。通过集合运算，可以在两个瞬时向量与瞬时向量之间进行相应的集合操作。

vector1 and vector2 会产生一个由vector1的元素组成的新的向量。该向量包含vector1中完全匹配vector2中的元素组成
vector1 or vector2 会产生一个新的向量，该向量包含vector1中所有的样本数据，以及vector2中没有与vector1匹配到的样本数据。
vector1 unless vector2 会产生一个新的向量，新向量中的元素由vector1中没有与vector2匹配的元素组成。

一对一匹配

一对一匹配模式会从操作符两边表达式获取的瞬时向量依次比较并找到唯一匹配(标签完全一致)的样本值。默认情况下，使用表达式：

vector1 <operator> vector2

在操作符两边表达式标签不一致的情况下，可以使用on(label list)或者ignoring(label list）来修改便签的匹配行为。使用ignoreing可以在匹配时忽略某些便签。而on则用于将匹配行为限定在某些便签之内。

<vector expr> <bin-op> ignoring(<label list>) <vector expr>
<vector expr> <bin-op> on(<label list>) <vector expr>

举个例子：

method_code:http_errors:rate5m{method="get", code="500"}  24
method_code:http_errors:rate5m{method="get", code="404"}  30
method_code:http_errors:rate5m{method="put", code="501"}  3
method_code:http_errors:rate5m{method="post", code="500"} 6
method_code:http_errors:rate5m{method="post", code="404"} 21

method:http_requests:rate5m{method="get"}  600
method:http_requests:rate5m{method="del"}  34
method:http_requests:rate5m{method="post"} 120

该表达式会返回在过去5分钟内，HTTP请求状态码为500的在所有请求中的比例。
如果没有使用ignoring(code)，操作符两边表达式返回的瞬时向量中将找不到任何一个标签完全相同的匹配项。
method_code:http_errors:rate5m{code="500"} / ignoring(code) method:http_requests:rate5m
返回结果：
{method="get"}  0.04            //  24 / 600
{method="post"} 0.05            //   6 / 120

排除掉code进行运算

{method="get"}  0.04            //  24 / 600
{method="post"} 0.05            //   6 / 120

多对一匹配

多对一和一对多两种匹配模式指的是“一”侧的每一个向量元素可以与"多"侧的多个元素匹配的情况。在这种情况下，必须使用group修饰符：group_left或者group_right来确定哪一个向量具有更高的基数（充当“多”的角色）。

<vector expr> <bin-op> ignoring(<label list>) group_left(<label list>) <vector expr>
<vector expr> <bin-op> ignoring(<label list>) group_right(<label list>) <vector expr>
<vector expr> <bin-op> on(<label list>) group_left(<label list>) <vector expr>
<vector expr> <bin-op> on(<label list>) group_right(<label list>) <vector expr>

举例来说，左向量method_code:http_errors:rate5m包含两个标签method和code。而右向量method:http_requests:rate5m中只包含一个标签method，因此匹配时需要使用ignoring限定匹配的标签为code。在限定匹配标签后，右向量中的元素可能匹配到多个左向量中的元素因此该表达式的匹配模式为多对一，需要使用group修饰符group_left指定左向量具有更好的基数

method_code:http_errors:rate5m / ignoring(code) group_left method:http_requests:rate5m
获的结果
{method="get", code="500"}  0.04            //  24 / 600
{method="get", code="404"}  0.05            //  30 / 600
{method="post", code="500"} 0.05            //   6 / 120
{method="post", code="404"} 0.175           //  21 / 120

group修饰符只能在比较和数学运算符中使用。在逻辑运算and,unless和or才注意操作中默认与右向量中的所有元素进行匹配。

聚合操作

sum (求和)
min (最小值)
max (最大值)
avg (平均值)
stddev (标准差)
stdvar (标准方差)
count (计数)
count_values (对value进行计数)
bottomk (后n条时序)
topk (前n条时序)
quantile (分位数) 具体语法如下

<aggr-op>([parameter,] <vector expression>) [without|by (<label list>)]

其中只有count_values, quantile, topk, bottomk支持参数(parameter)。without用于从计算结果中移除列举的标签，而保留其它标签。by则正好相反，结果向量中只保留列出的标签，其余标签则移除。通过without和by可以按照样本的问题对数据进行聚合。

sum(http_requests_total) without (instance)
等价于
sum(http_requests_total) by (code,handler,job,method)

count_values用于时间序列中每一个样本值出现的次数。count_values会为每一个唯一的样本值输出一个时间序列，并且每一个时间序列包含一个额外的标签。

count_values("count", http_requests_total)

topk和bottomk则用于对样本值进行排序，返回当前样本值前n位，或者后n位的时间序列。获取HTTP请求数前5位的时序样本数据，可以使用表达式：

topk(5, http_requests_total)

内置函数

计算Counter指标增长率

increase(v range-vector)函数是PromQL中提供的众多内置函数之一。其中参数v是一个区间向量，increase函数获取区间向量中的第一个后最后一个样本并返回其增长量。因此，可以通过以下表达式Counter类型指标的增长率：

increase(node_cpu[2m]) / 120

这里通过node_cpu[2m]获取时间序列最近两分钟的所有样本，increase计算出最近两分钟的增长量，最后除以时间120秒得到node_cpu样本在最近两分钟的平均增长率
rate函数可以直接计算区间向量v在时间窗口内平均增长速率

rate(node_cpu[2m])

使用rate或者increase函数去计算样本的平均增长速率，容易陷入“长尾问题”当中，其无法反应在时间窗口内样本数据的突发变化。例如，对于主机而言在2分钟的时间窗口内，可能在某一个由于访问量或者其它问题导致CPU占用100%的情况，但是通过计算在时间窗口内的平均增长率却无法反应出该问题。
PromQL提供了另外一个灵敏度更高的函数irate(v range-vector)。irate同样用于计算区间向量的计算率，但是其反应出的是瞬时增长率。irate函数是通过区间向量中最后两个样本数据来计算区间向量的增长速率

irate(node_cpu[2m])

统计Histogram指标的分位数

Histogram和Summary都可以用于统计和分析数据的分布情况。区别在于Summary是直接在客户端计算了数据分布的分位数情况。而Histogram的分位数计算需要通过histogram_quantile(φ float, b instant-vector)函数进行计算。其中φ（0<φ<1）表示需要计算的分位数，如果需要计算中位数φ取值为0.5

histogram_quantile(0.5, http_request_duration_seconds_bucket)

通过histogram_quantile计算的分位数，并非为精确值，而是通过http_request_duration_seconds_bucket和http_request_duration_seconds_sum近似计算的结果。

Prometheus告警

告警能力在Prometheus的架构中被划分成两个独立的部分。如下所示，通过在Prometheus中定义AlertRule（告警规则），Prometheus会周期性的对告警规则进行计算，如果满足告警触发条件就会向Alertmanager发送告警信息。

在Prometheus中一条告警规则主要由以下几部分组成：

告警名称：用户需要为告警规则命名，当然对于命名而言，需要能够直接表达出该告警的主要内容
告警规则：告警规则实际上主要由PromQL进行定义，其实际意义是当表达式（PromQL）查询结果持续多长时间（During）后出发告警在Prometheus中，还可以通过Group（告警组）对一组相关的告警进行统一定义。当然这些定义都是通过YAML文件来统一管理的。

Alertmanager作为一个独立的组件，负责接收并处理来自Prometheus Server(也可以是其它的客户端程序)的告警信息。Alertmanager可以对这些告警信息进行进一步的处理，比如当接收到大量重复告警时能够消除重复的告警信息，同时对告警信息进行分组并且路由到正确的通知方，Prometheus内置了对邮件，Slack等多种通知方式的支持，同时还支持与Webhook的集成，以支持更多定制化的场景。例如，目前Alertmanager还不支持钉钉，那用户完全可以通过Webhook与钉钉机器人进行集成，从而通过钉钉接收告警信息。同时AlertManager还提供了静默和告警抑制机制来对告警通知行为进行优化。

Alertmanager特性

Alertmanager除了提供基本的告警通知能力以外，还主要提供了如：分组、抑制以及静默等告警特性：

分组：分组机制可以将详细的告警信息合并成一个通知。在某些情况下，比如由于系统宕机导致大量的告警被同时触发，在这种情况下分组机制可以将这些被触发的告警合并为一个告警通知，避免一次性接受大量的告警通知，而无法对问题进行快速定位。
抑制：抑制是指当某一告警发出后，可以停止重复发送由此告警引发的其它告警的机制。
静默：静默提供了一个简单的机制可以快速根据标签对告警进行静默处理。如果接收到的告警符合静默的配置，Alertmanager则不会发送告警通知。

Prometheus基础知识

Prometheus组件

Prometheus Server

Exporters

AlertManager

PushGateway

PromQL

时序序列

指标

Metrics类型

Counter：只增不减的计数器

Gauge：可增可减的仪表盘

使用Histogram和Summary分析数据分布情况

PromQL基础概念

时间范围

时间位移操作

聚合操作

标量和字符串

合法的PromQL表达式

操作符

数学运算

使用布尔运算过滤时间序列

使用bool修饰符改变布尔运算符的行为

使用集合运算符

一对一匹配

多对一匹配

聚合操作

内置函数

计算Counter指标增长率

统计Histogram指标的分位数

Prometheus告警

Alertmanager特性