文章来源:【公众号:云加社区】‍

目录

  • 简介

  • 整体生态

  • 工作原理

  • Metric 指标

  • PromQL

  • Grafana 可视化

  • 监控告警

简介

Prometheus 是一个开源的完整监控解决方案,本文将从指标抓取到查询及可视化展示,以及最后的监控告警,对 Prometheus 做一个基本的认识。

Prometheus 是古希腊神话里泰坦族的一名神明,名字的意思是“先见之明”,下图中是 Prometheus 被宙斯惩罚,饱受肝脏日食夜长之苦。

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下面就是我们 CRUD Boy 所了解的 Prometheus,下面是其官网封面图引导语:From metrics to insight,从指标到洞察力,通过指标去洞察你的系统,为我们的系统提供指标收集和监控的开源解决方案。

也就是说,Prometheus 是一个数据监控的解决方案,让我们能随时掌握系统运行的状态,快速定位问题和排除故障。

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Prometheus 发展速度很快,12 年开发完成,16 年加入 CNCF,成为继 K8s 之后第二个 CNCF 托管的项目,而且社区很活跃,维护频率很高,基本稳定在 1 个月 1 个小版本的迭代速度。

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整体生态

Prometheus 提供了从指标暴露,到指标抓取、存储和可视化,以及最后的监控告警等一系列组件。

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| 指标暴露

每一个被 Prometheus 监控的服务都是一个 Job,Prometheus 为这些 Job 提供了官方的 SDK ,利用这个 SDK 可以自定义并导出自己的业务指标,也可以使用 Prometheus 官方提供的各种常用组件和中间件的 Exporter(比如常用的 MySQL,Consul 等等)。

对于短时间执行的脚本任务或者不好直接 Pull 指标的服务,Prometheus 提供了 PushGateWay 网关给这些任务将服务指标主动推 Push 到网关,Prometheus 再从这个网关里 Pull 指标。

| 指标抓取

上面提到了 Push 和 Pull,其实这是两种指标抓取模型。

Pull 模型:监控服务主动拉取被监控服务的指标。

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被监控服务一般通过主动暴露 metrics 端口或者通过 Exporter 的方式暴露指标,监控服务依赖服务发现模块发现被监控服务,从而去定期的抓取指标。

Push 模型:被监控服务主动将指标推送到监控服务,可能需要对指标做协议适配,必须得符合监控服务要求的指标格式。

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对于 Prometheus 中的指标抓取,采用的是 Pull 模型,默认是一分钟去拉取一次指标,通过 Prometheus.yaml 配置文件中的 scrape_interval 配置项配置。

Prometheus 对外都是用的 Pull 模型,一个是 Pull Exporter 的暴露的指标,一个是 Pull PushGateway 暴露的指标。

| 指标存储和查询

指标抓取后会存储在内置的时序数据库中,Prometheus 也提供了 PromQL 查询语言给我们做指标的查询,我们可以在 Prometheus 的 WebUI 上通过 PromQL,可视化查询我们的指标,也可以很方便的接入第三方的可视化工具,例如 grafana。

| 监控告警

Prometheus 提供了 alertmanageer 基于 promql 来做系统的监控告警,当 promql 查询出来的指标超过我们定义的阈值时,prometheus 会发送一条告警信息到 alertmanager,manager 会将告警下发到配置好的邮箱或者微信。

工作原理

Prometheus 的从被监控服务的注册到指标抓取到指标查询的流程分为五个步骤:

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| 服务注册

被监控服务在 Prometheus 中是一个 Job 存在,被监控服务的所有实例在  Prometheus 中是一个 target 的存在,所以被监控服务的注册就是在 Prometheus 中注册一个 Job 和其所有的 target,这个注册分为:静态注册和动态注册。

静态注册:静态的将服务的 IP 和抓取指标的端口号配置在 Prometheus yaml 文件的 scrape_configs 配置下。

scrape_configs:- job_name: "prometheus"static_configs:- targets: ["localhost:9090"]

以上就是注册了一个名为 prometheus 的服务,这个服务下有一个实例,暴露的抓取地址是 localhost:9090。

动态注册:动态注册就是在 Prometheus yaml 文件的 scrape_configs 配置下配置服务发现的地址和服务名。

Prometheus 会去该地址,根据你提供的服务名动态发现实例列表,在 Prometheus 中,支持 consul,DNS,文件,K8s 等多种服务发现机制。

基于 consul 的服务发现:

- job_name: "node_export_consul"metrics_path: /node_metricsscheme: httpconsul_sd_configs:- server: localhost:8500services:- node_exporter

我们 consul 的地址就是:localhost:8500,服务名是 node_exporter,在这个服务下有一个 exporter 实例:localhost:9600。

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注意:如果是动态注册,最好加上这两配置,静态注册指标拉取的路径会默认的帮我们指定为 metrics_path:/metrics,所以如果暴露的指标抓取路径不同或者是动态的服务注册,最好加上这两个配置。

不然会报错“INVALID“ is not a valid start token,演示下,百度了一下,这里可能是数据格式不统一导致。

metrics_path: /node_metrics
scheme: http

最后可以在 webUI 中查看发现的实例:

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目前,Prometheus 支持多达二十多种服务发现协议:

<azure_sd_config>
<consul_sd_config>
<digitalocean_sd_config>
<docker_sd_config>
<dockerswarm_sd_config>
<dns_sd_config>
<ec2_sd_config>
<openstack_sd_config>
<file_sd_config>
<gce_sd_config>
<hetzner_sd_config>
<http_sd_config>
<kubernetes_sd_config>
<kuma_sd_config>
<lightsail_sd_config>
<linode_sd_config>
<marathon_sd_config>
<nerve_sd_config>
<serverset_sd_config>
<triton_sd_config>
<eureka_sd_config>
<scaleway_sd_config>
<static_config>

| 配置更新

在更新完 Prometheus 的配置文件后,我们需要更新我们的配置到程序内存里,这里的更新方式有两种,第一种简单粗暴,就是重启 Prometheus,第二种是动态更新的方式。如何实现动态的更新 Prometheus 配置?

第一步:首先要保证启动 Prometheus 的时候带上启动参数:–web.enable-lifecycle。

prometheus --config.file=/usr/local/etc/prometheus.yml --web.enable-lifecycle

第二步:去更新我们的 Prometheus 配置。

curl -v --request POST 'http://localhost:9090/-/reload'

第三步:更新完配置后,我们可以通过 Post 请求的方式,动态更新配置。

原理:Prometheus 在 web 模块中,注册了一个 handler。

if o.EnableLifecycle {router.Post("/-/quit", h.quit)router.Put("/-/quit", h.quit)router.Post("/-/reload", h.reload)  // reload配置router.Put("/-/reload", h.reload)   
}

通过 h.reload 这个 handler 方法实现:这个 handler 就是往一个 channle 中发送一个信号。

func (h *Handler) reload(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {rc := make(chan error)h.reloadCh <- rc    // 发送一个信号到channe了中if err := <-rc; err != nil {http.Error(w, fmt.Sprintf("failed to reload config: %s", err), http.StatusInternalServerError)}
}

在 main 函数中会去监听这个 channel,只要有监听到信号,就会做配置的 reload,重新将新配置加载到内存中。

case rc := <-webHandler.Reload():if err := reloadConfig(cfg.configFile, cfg.enableExpandExternalLabels, cfg.tsdb.EnableExemplarStorage, logger, noStepSubqueryInterval, reloaders...); err != nil {level.Error(logger).Log("msg", "Error reloading config", "err", err)rc <- err} else {rc <- nil}

| 指标抓取和存储

Prometheus 对指标的抓取采取主动 Pull 的方式,即周期性的请求被监控服务暴露的 metrics 接口或者是 PushGateway,从而获取到 Metrics 指标,默认时间是 15s 抓取一次。

配置项如下:

global:scrape_interval: 15s

抓取到的指标会被以时间序列的形式保存在内存中,并且定时刷到磁盘上,默认是两个小时回刷一次。

并且为了防止 Prometheus 发生崩溃或重启时能够恢复数据,Prometheus 也提供了类似 MySQL 中 binlog 一样的预写日志,当 Prometheus 崩溃重启时,会读这个预写日志来恢复数据。

Metric 指标

| 数据模型

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Prometheus 采集的所有指标都是以时间序列的形式进行存储,每一个时间序列有三部分组成:

  • 指标名和指标标签集合:metric_name{<label1=v1>,<label2=v2>….},指标名:表示这个指标是监控哪一方面的状态,比如 http_request_total 表示:请求数量;指标标签,描述这个指标有哪些维度,比如 http_request_total 这个指标,有请求状态码 code= 200/400/500,请求方式:method=get/post 等,实际上指标名称实际上是以标签的形式保存,这个标签是 name,即:name=。

  • 时间戳:描述当前时间序列的时间,单位:毫秒。

  • 样本值:当前监控指标的具体数值,比如 http_request_total 的值就是请求数是多少。

可以通过查看 Prometheus 的 metrics 接口查看所有上报的指标:

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所有的指标也都是通过如下所示的格式来标识的:

# HELP    // HELP:这里描述的指标的信息,表示这个是一个什么指标,统计什么的
# TYPE    // TYPE:这个指标是什么类型的
<metric name>{<label name>=<label value>, ...}  value    // 指标的具体格式,<指标名>{标签集合} 指标值

| 指标类型

Prometheus 底层存储上其实并没有对指标做类型的区分,都是以时间序列的形式存储。

但是为了方便用户的使用和理解不同监控指标之间的差异,Prometheus 定义了 4 种不同的指标类型:计数器 counter,仪表盘 gauge,直方图 histogram,摘要 summary。

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Counter 计数器:Counter 类型和 redis 的自增命令一样,只增不减,通过 Counter 指标可以统计 Http 请求数量,请求错误数,接口调用次数等单调递增的数据。

同时可以结合 increase 和 rate 等函数统计变化速率,后续我们会提到这些内置函数。

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Gauge 仪表盘:和 Counter 不同,Gauge 是可增可减的,可以反映一些动态变化的数据。

例如当前内存占用,CPU 利用,Gc 次数等动态可上升可下降的数据,在 Prometheus 上通过 Gauge,可以不用经过内置函数直观的反映数据的变化情况。

如下图表示堆可分配的空间大小:

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上面两种是数值指标,代表数据的变化情况,Histogram 和 Summary 是统计类型的指标,表示数据的分布情况。

Histogram 直方图:Histogram 是一种直方图类型,可以观察到指标在各个不同的区间范围的分布情况。

如下图所示:可以观察到请求耗时在各个桶的分布。

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有一点要注意的是,Histogram 是累计直方图,即每一个桶的是只有上区间,例如下图表示小于 0.1 毫秒(le=“0.1”)的请求数量是 18173 个,小于 0.2 毫秒(le=“0.2”)的请求是 18182 个。

在le=“0.2”这个桶中是包含了 le=“0.1”这个桶的数据,如果我们要拿到 0.1 毫秒到 0.2 毫秒的请求数量,可以通过两个桶想减得到。

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在直方图中,还可以通过 histogram_quantile 函数求出百分位数,比如 P50,P90,P99 等数据。

Summary 摘要:Summary 也是用来做统计分析的,和 Histogram 区别在于,Summary 直接存储的就是百分位数。

如下所示:可以直观的观察到样本的中位数,P90 和 P99。

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Summary 的百分位数是客户端计算好直接让 Prometheus 抓取的,不需要 Prometheus 计算,直方图是通过内置函数 histogram_quantile 在 Prometheus 服务端计算求出。

| 指标导出

指标导出有两种方式,一种是使用 Prometheus 社区提供的定制好的 Exporter 对一些组件诸如 MySQL,Kafka 等的指标作导出,也可以利用社区提供的 Client 来自定义指标导出。

github.com/prometheus/client_golang/prometheus/promhttp

自定义 Prometheus exporter:

package mainimport ("net/http""github.com/prometheus/client_golang/prometheus/promhttp"
)func main()  {http.Handle("/metrics", promhttp.Handler())http.ListenAndServe(":8080", nil)
}

访问:http://localhost:8080/metrics,即可看到导出的指标,这里我们没有自定义任何的指标,但是能看到一些内置的 Go 的运行时指标和 promhttp 相关的指标。

这个 Client 默认为我们暴露的指标,go_:以 go_ 为前缀的指标是关于 Go 运行时相关的指标,比如垃圾回收时间、goroutine 数量等,这些都是 Go 客户端库特有的,其他语言的客户端库可能会暴露各自语言的其他运行时指标。

promhttp_:来自 promhttp 工具包的相关指标,用于跟踪对指标请求的处理。

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添加自定义指标:

package mainimport ("net/http""github.com/prometheus/client_golang/prometheus""github.com/prometheus/client_golang/prometheus/promhttp"
)func main() {// 1.定义指标(类型,名字,帮助信息)myCounter := prometheus.NewCounter(prometheus.CounterOpts{Name: "my_counter_total",Help: "自定义counter",})// 2.注册指标prometheus.MustRegister(myCounter)// 3.设置指标值myCounter.Add(23)http.Handle("/metrics", promhttp.Handler())http.ListenAndServe(":8080", nil)
}

运行:

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模拟下在业务中上报接口请求量:

package mainimport ("fmt""net/http""github.com/prometheus/client_golang/prometheus"
)var (MyCounter prometheus.Counter
)// init 注册指标
func init() {// 1.定义指标(类型,名字,帮助信息)MyCounter = prometheus.NewCounter(prometheus.CounterOpts{Name: "my_counter_total",Help: "自定义counter",})// 2.注册指标prometheus.MustRegister(MyCounter)
}// Sayhello
func Sayhello(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {// 接口请求量递增MyCounter.Inc()fmt.Fprintf(w, "Hello Wrold!")
}

main.go:

package mainimport ("net/http""github.com/prometheus/client_golang/prometheus/promhttp"
)func main() {http.Handle("/metrics", promhttp.Handler())http.HandleFunc("/counter",Sayhello)http.ListenAndServe(":8080", nil)
}

一开始启动时,指标 counter 是 0:

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调用:/counter 接口后,指标数据发生了变化,这样就可以简单实现了接口请求数的统计:

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对于其他指标定义方式是一样的:

var (MyCounter prometheus.CounterMyGauge prometheus.GaugeMyHistogram prometheus.HistogramMySummary prometheus.Summary
)// init 注册指标
func init() {// 1.定义指标(类型,名字,帮助信息)MyCounter = prometheus.NewCounter(prometheus.CounterOpts{Name: "my_counter_total",Help: "自定义counter",})// 定义gauge类型指标MyGauge = prometheus.NewGauge(prometheus.GaugeOpts{Name: "my_gauge_num",Help: "自定义gauge",})// 定义histogramMyHistogram = prometheus.NewHistogram(prometheus.HistogramOpts{Name: "my_histogram_bucket",Help: "自定义histogram",Buckets: []float64{0.1,0.2,0.3,0.4,0.5},   // 需要指定桶})// 定义SummaryMySummary = prometheus.NewSummary(prometheus.SummaryOpts{Name: "my_summary_bucket",Help: "自定义summary",// 这部分可以算好后在setObjectives: map[float64]float64{0.5: 0.05,0.9: 0.01,   0.99: 0.001, },})// 2.注册指标prometheus.MustRegister(MyCounter)prometheus.MustRegister(MyGauge)prometheus.MustRegister(MyHistogram)prometheus.MustRegister(MySummary)
}

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上面的指标都是没有设置标签的,我们一般的指标都是带有标签的,如何设置指标的标签呢?

如果我要设置带标签的 counter 类型指标,只需要将原来的 NewCounter 方法替换为 NewCounterVec 方法即可,并且传入标签集合。

MyCounter *prometheus.CounterVec
// 1.定义指标(类型,名字,帮助信息)
MyCounter = prometheus.NewCounterVec(prometheus.CounterOpts{Name: "my_counter_total",Help: "自定义counter",},// 标签集合[]string{"label1","label2"},
)
// 带标签的set指标值
MyCounter.With(prometheus.Labels{"label1":"1","label2":"2"}).Inc()

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其他同理。

PromQL

刚刚提到了 Prometheus 中指标有哪些类型以及如何导出我们的指标,现在指标导出到 Prometheus 了,利用其提供的 PromQL 可以查询我们导出的指标。

PromQL 是 Prometheus 为我们提供的函数式的查询语言,查询表达式有四种类型:

  • 字符串:只作为某些内置函数的参数出现

  • 标量:单一的数字值,可以是函数参数,也可以是函数的返回结果

  • 瞬时向量:某一时刻的时序数据

  • 区间向量:某一时间区间内的时序数据集合

| 瞬时查询

直接通过指标名即可进行查询,查询结果是当前指标最新的时间序列,比如查询 Gc 累积消耗的时间:

go_gc_duration_seconds_count

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我们可以看到查询出来有多个同名指标结果 可以用{}做标签过滤查询:比如我们想查指定实例的指标。

go_gc_duration_seconds_count{instance="127.0.0.1:9600"}

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而且也支持则表达式,通过 =~ 指定正则表达式,如下所示:查询所有 instance 是 localhost 开头的指标。

go_gc_duration_seconds_count{instance=~"localhost.*"}

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| 范围查询

范围查询的结果集就是区间向量,可以通过[]指定时间来做范围查询,查询 5 分钟内的 Gc 累积消耗时间:

go_gc_duration_seconds_count{}[5m]

注意:这里范围查询第一个点并不一定精确到刚刚好 5 分钟前的那个时序样本点,他是以 5 分钟作为一个区间,寻找这个区间的第一个点到最后一个样本点。

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时间单位:

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d:天,h:小时,m:分钟,ms:毫秒,s:秒,w:周,y:年。

同样支持类似 SQL 中的 offset 查询,如下:查询一天前当前 5 分钟前的时序数据集。

go_gc_duration_seconds_count{}[5m] offset 1d

| 内置函数

Prometheus 内置了很多函数,这里主要记录下常用的几个函数的使用: 

rate 和 irate 函数:rate 函数可以用来求指标的平均变化速率。

rate函数=时间区间前后两个点的差 / 时间范围

一般 rate 函数可以用来求某个时间区间内的请求速率,也就是我们常说的 QPS。

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但是 rate 函数只是算出来了某个时间区间内的平均速率,没办法反映突发变化,假设在一分钟的时间区间里,前 50 秒的请求量都是 0 到 10 左右,但是最后 10 秒的请求量暴增到 100 以上,这时候算出来的值可能无法很好的反映这个峰值变化。

这个问题可以通过 irate 函数解决,irate 函数求出来的就是瞬时变化率。

时间区间内最后两个样本点的差 / 最后两个样本点的时间差

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可以通过图像看下两者的区别:irate 函数的图像峰值变化大,rate 函数变化较为平缓。

rate 函数:

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irate 函数:

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聚合函数:Sum() by() without()

也是上边的例子,我们在求指定接口的 QPS 的时候,可能会出现多个实例的 QPS 的计算结果,如下是存在多个接口,三个服务的 QPS。

rate(demo_api_request_duration_seconds_count{job="demo", method="GET", status="200"}[5m])

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利用 sum 函数可以将三个 QPS 聚合,即可得到整个服务该接口的 QPS:其实 Sum 就是将指标值做相加。

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但是这样直接的相加太笼统抽象了,可以配合 by 和 without 函数在 sum 的时候,基于某些标签分组,类似 SQL 中的 group by。

例如,我可以根据请求接口标签分组:这样拿到的就是具体接口的 QPS:

sum(rate(demo_api_request_duration_seconds_count{job="demo", method="GET", status="200"}[5m])) by(path)

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也可以不根据接口路径分组:通过 without 指定。

sum(rate(demo_api_request_duration_seconds_count{job="demo", method="GET", status="200"}[5m])) without(path)

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可以通过 histogram_quantile 函数做数据统计:可以用来统计百分位数:第一个参数是百分位,第二个 histogram 指标,这样计算出来的就是中位数,即 P50。

histogram_quantile(0.5,go_gc_pauses_seconds_total_bucket)

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分享之前和同事一起发现的坑:在刚刚写的自定义 exporter 上新增几个 histogram 的样本点。

MyHistogram.Observe(0.3)
MyHistogram.Observe(0.4)
MyHistogram.Observe(0.5)

histogram 的桶设置:

MyHistogram = prometheus.NewHistogram(prometheus.HistogramOpts{Name: "my_histogram_bucket",Help: "自定义histogram",Buckets: []float64{0,2.5,5,7.5,10},    // 需要指定桶
})

如果这样的话,所有指标都会直接进入到第一个桶,即 0 到 2.5 这个桶,如果我要计算中位数,那么这个中位数按照数学公式来算的话,肯定是在 0 到 2 之间的,而且肯定是 0.3 到 0.5 之间。

我用 histogram_quantile 函数计算下:计算结果是 1.25,其实已经不对了。

histogram_quantile(0.5,my_histogram_bucket_bucket)

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我在计算下 P99,等于 2.475:

histogram_quantile(0.99,my_histogram_bucket_bucket)

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我的指标都是不大于 1 的,为啥算出来的 P50 和 P99 都这么离谱呢?

这是因为 Prometheus 他是不保存你具体的指标数值的,他会帮你把指标放到具体的桶,但是他不会保存你指标的值,计算的分位数是一个预估的值,怎么预估呢?

就是假设每个桶内的样本分布是均匀的,线性分布来计算的,比如刚刚的 P50,其实就是算排在第 50% 位置的样本值。

因为刚刚所有的数据都落在了第一个桶,那么他在计算的时候就会假定这个 50% 值在第一个桶的中点,他就会假定这个数就是 0.5_ 2.5,P99 就是第一个桶的 99% 的位置,他就会假定这个数就是 0.99 _ 2.5。

导致这个误差较大的原因就是我们的 bucket 设置的不合理。

重新定义桶:

// 定义histogram
MyHistogram = prometheus.NewHistogram(prometheus.HistogramOpts{Name: "my_histogram_bucket",Help: "自定义histogram",Buckets: []float64{0.1,0.2,0.3,0.4,0.5},   // 需要指定桶
})

上报数据:

MyHistogram.Observe(0.1)
MyHistogram.Observe(0.3)
MyHistogram.Observe(0.4)

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重新计算 P50,P99:

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桶设置的越合理,计算的误差越小。

Grafana 可视化

除了可以利用 Prometheus 提供的 webUI 可视化我们的指标外,还可以接入 Grafana 来做指标的可视化。

第一步,对接数据源。

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配置好 prometheus 的地址:

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第二步:创建仪表盘。

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编辑仪表盘:

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在 metrics 处编写 PromQL 即可完成查询和可视化:

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仪表盘编辑完后,可以导出对应的 json 文件,方便下次导入同样的仪表盘:

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以上是我之前搭建的仪表盘:

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监控告警

AlertManager 是 prometheus 提供的告警信息下发组件,包含了对告警信息的分组,下发,静默等策略。

配置完成后可以在 webui 上看到对应的告警策略信息。告警规则也是基于 PromQL 进行定制的。

编写告警配置:当 Http_srv 这个服务挂了,Prometheus 采集不到指标,并且持续时间 1 分钟,就会触发告警。

groups:
- name: simulator-alert-rulerules:- alert: HttpSimulatorDownexpr: sum(up{job="http_srv"}) == 0 for: 1mlabels:severity: critical

在 prometheus.yml 中配置告警配置文件,需要配置上 alertmanager 的地址和告警文件的地址。

# Alertmanager configuration
alerting:alertmanagers:- static_configs:- targets: ['localhost:9093']
# Load rules once and periodically evaluate them according to the global 'evaluation_interval'.
rule_files:- "alert_rules.yml"#- "first_rules.yml"

配置告警信息,例如告警发送地址,告警内容模版,分组策略等都在 alertmanager 的配置文件中配置。

global:smtp_smarthost: 'smtp.qq.com:465'smtp_from: 'xxxx@qq.com'smtp_auth_username: 'xxxx@qq.com'smtp_auth_password: 'xxxx'smtp_require_tls: falseroute:group_interval: 1mrepeat_interval: 1mreceiver: 'mail-receiver'#  group_by             //采用哪个标签作为分组
#  group_wait           //分组等待的时间,收到报警不是立马发送出去,而是等待一段时间,看看同一组中是否有其他报警,如果有一并发送
#  group_interval       //告警时间间隔
#  repeat_interval      //重复告警时间间隔,可以减少发送告警的频率
#  receiver             //接收者是谁
#  routes               //子路由配置
receivers:
- name: 'mail-receiver'email_configs:- to: 'xxxx@qq.com'

当我 kill 进程:

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prometheus 已经触发告警:

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在等待 1 分钟,如果持续还是符合告警策略,则状态为从 pending 变为 FIRING 会发送邮件到我的邮箱。

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此时我的邮箱收到了一条告警消息:

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alertmanager 也支持对告警进行静默,在 alertmanager 的 WEBUI 中配置即可:

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间隔了 4 分钟,没有收到告警,静默生效:

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一个小时没有收到告警信息:

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