剖析Prometheus的内部存储机制

Prometheus有着非常高效的时间序列数据存储方法，每个采样数据仅仅占用3.5byte左右空间，上百万条时间序列，30秒间隔，保留60天，大概花了200多G（引用官方PPT）。

接下来让我们看看他的原理。

Prometheus内部主要分为三大块，Retrieval是负责定时去暴露的目标页面上去抓取采样指标数据，Storage是负责将采样数据写磁盘，PromQL是Prometheus提供的查询语言模块。

从最原始的抓取数据上来看，基本是这个样子，timestamp是当前抓取时间戳：

每个Metric name代表了一类的指标，他们可以携带不同的Labels，每个Metric name + Label组合成代表了一条时间序列的数据。

例如图上的数据：

http_requests_total{status="200",method="GET"}
http_requests_total{status="404",method="GET"}

表示了两条不同的时间序列。

在Prometheus的世界里面，所有的数值都是64bit的。每条时间序列里面记录的其实就是64bit timestamp(时间戳) + 64bit value(采样值)。

而对于时间序列的基本特性来说，通常是过去的数据一般是只读的，是不会变更的，当前时间的数据才会可能在写，模式如下图：

根据上面的分析，时间序列的存储似乎可以设计成key-value存储的方式（基于BigTable）。

进一步拆分，可以像下面这样子：

上图的第二条样式就是现在Prometheus内部的表现形式了，__name__是特定的label标签，代表了metric name。

再回顾一下Prometheus的整体流程：

上面提到了K-V存储，当然是使用了LevelDB的引擎，它的特点是顺序读写性能非常高，这是非常符合时间序列的存储的。

为了得到顺序的时间序列哈希索引值，Prometheus是这样处理的：

FNV哈希算法全名为Fowler-Noll-Vo算法，是以三位发明人Glenn Fowler，Landon Curt Noll，Phong Vo的名字来命名的，最早在1991年提出。

FNV能快速hash大量数据并保持较小的冲突率，它的高度分散使它适用于hash一些非常相近的字符串，比如URL，hostname，文件名，text，IP地址等。

1KB Chunks

在Prometheus的世界中，无论是内存还是磁盘，它都是以1KB单位分成块来操作的。（新出的Prometheus 2.0对存储底层做了很大改动，专门针对SSD的写放大进行了优化，提高SSD的读写性能和读写次数等。）

整体流程是 抓取数据 -> 写到head chunk，写满1KB，就再生成新的块，完成的块，是不可再变更的 -> 根据配置文件的设置，有一部份chunk会被保留在内存里，按照LRU算法，定期将块写进磁盘文件内。

注意： 一条时间序列，保存到一个磁盘文件内。

时间序列的保留维护

在Prometheus的启动选项中，有一项storage.local.retention可以设置数据自动保留多长时间，例如24h，表示数据超过24小时内的将会自动清除，类似于zabbix的housekeeping功能。storage.local.series-file-shrink-ratio可以按一定的比例保留数据。

关于Chunk 块编码的剖析

Prometheus 提供三种不同类型的块编码，用户可以在Prometheus启动时指定最新的编码方式，-storage.local.chunk-encoding-version，有效值是0，1，2。

版本0的编码是较老版本上的Prometheus上使用的，新版本已经不再建议使用的。

版本1是当前版本默认提供的编码方式，它相对于0版有较好的压缩能力，而且在一个块内，有较高的访问速度，当然版本0的编码速度是最快的，但是相对版本1，速度优势不是特别明显。

版本2提供了一个更高的压缩比例，编码和解码需要耗更多的CPU，当然，这是取决于查询的数据集有多大。通常如果是较少的查询，仅用于存档的数据，可以使用这种编码。

对比：

Chunk版本号	每个采样点所占字节	耗CPU核	块编码耗时
1	3.3	1.6	2.9s
2	1.3	2.4	4.9s

V0 结构

V1 结构

V2 结构

Prometheus是如何访止数据丢失的呢？例如发生异常关闭或者什么别的情况？它提供了一个Checkpointing功能，对于内存里面的块，Prometheus 使用了一个checkpoint file 去同步写入磁盘，类似于Hbase的WAL原理，当发生crash时，先从checkpoint file去恢复数据。

以上内容是根据Prometheus官方人员的一份PPT摘取，原文件在此：https://files.cnblogs.com/files/vovlie/copyofprometheusstorage1-160127133731.pdf 。