保姆级别的 PromQL 教程

这篇文章介绍如何使用 PromQL 查询 Prometheus 里面的数据。包括如何使用函数，理解这些函数，Metrics 的逻辑等等，因为看了很多教程试图学习 PromQL，发现这些教程都直说有哪些函数、语法是什么，看完之后还是很难理解。比如 [1m] 是什么意思？为什么有的函数需要有的函数不需要？它对 Grafana 上面展示的数据有什么影响？rate 和 irate 的区别是什么？sum 和 rate 要先用哪个后用哪个？经过照葫芦画瓢地写了很多 PromQL 来设置监控和告警规则，我渐渐对 PromQL 的逻辑有了一些理解。这篇文章从头开始，通过介绍 PromQL 里面的逻辑，来理解这些函数的作用。本文不会一一回答上面这些问题，但是我的这些问题都是由于之前对 PromQL 里面的逻辑和概念不了解，相信读完本文之后，这些问题的答案就显得不言而喻了。

本文不会深入讲解 Prometheus 的数据存储原理，Prometheus 对 metrics 的抓取原理等问题；也不会深入介绍 PromQL 中每一个 API 的实现。只会着重于介绍如何写 PromQL 的原理，和它的设计逻辑。但是相信如果理解了本文这些概念，可以更透彻地理解和阅读 Prometheus 官方的文档。

Metric 类型

Prometheus 里面其实只有两种数据类型。Gauge 和 Counter。

Gauge

Gauge 是比较符合直觉的。它就是表示一个当前的“状态”，比如内存当前是多少，CPU 当前的使用率是多少。

Counter

Counter 有一些不符合直觉。我想了很久才理解（可能我有点钻牛角尖了）。Counter 是一个永远只递增的 Metric 类型。

典型的 Counter 举例：服务器服务的请求数，服务器收到了多少包（上图）。这个数字是只增不减的，用 Counter 最合适了。因为每一个时间点的总请求数都会包含之前时间点的请求数，所以可以理解成它是一个“有状态的”（非官方说法，我这么说只是为了方便读者理解）。使用 Counter 记录每一个时间点的“总数”，然后除以时间，就可以得到 QPS，packets/s 等数据。

为什么需要 Counter 呢？先来回顾一下 Gauge，你可以将 Gauge 理解为“无状态的”，即类型是 Gauge 的 metric 不需要关心历史的值，只需要记录当前的值是多少就可以了。比如当前的内存值，当前的 CPU 使用率。当然，如果你想要查询历史的值，依然是可以查到的。只不过对于每一个时间点的“内存使用量”这个 Gauge，不包含历史的数据。那么可否用 Gauge 来代替 Counter 呢？

Prometheus 是一个抓取的模型：服务器暴露一个 HTTP 服务，Prometheus 来访问这个 HTTP 接口来获取 metrics 的数据。如果使用 Gauge 来表示上面的 pk/s 数据的话，只能使用这种方案：使用这个 Metric 记录自从上次抓取过后收到的 Packet 总数（或者直接记录 Packet/s ，原理是一样的）。每次 Prometheus 来抓取数据之后，就将这个值重置为 0. 这样的实现就类似 Gauge 了。

这种实现的缺点有：

1. 抓取数据本质是 GET 操作，但是这个 GET 操作却会修改数据（将 metric 重置为 0），所以会带来很多隐患，比如一个服务每次只能由一个 Prometheus 来抓取，不能扩展；不能 cURL 这个 /metrics 来进行 debug，因为会影响真实的数据，等等。
2. 如果服务器发生了重启，数据将会清零，会丢失数据（虽然 Counter 也没有从本质上解决这个问题）。

Counter 因为是一个只递增的值，所以它可以判断数字下降的问题，比如现在请求的 Count 数是 1000，然后下次 Prometheus 来抓取发现变成了 20，那么 Prometheus 就知道，真实的数据不可能是 20，因为请求数是不可能下降的。所以它会将这个点认为是 1020。

然后用 Counter 也可以解决多次读的问题，服务器上的 /metrics，可以使用 cURL 和 grep 等工具实时查看，不会改变数据。Counter 有关的细节可以参考下 How does a Prometheus Counter work?^[1]

其实 Prometheus 里面还有两种数据类型，一种是 Histogram，另一种是 Summary.

但是这两种类型本质上都是 Counter。比如，如果你要统计一个服务处理请求的平均耗时，就可以用 Summary。在代码中只用一种 Summary 类型^[2]，就可以暴露出收到的总请求数，处理这些请求花费的总时间数，两个 Counter 类型的 metric。算是一个“语法糖”。

Histogram 是由多个 Counter 组成的一组（bucket）metrics，比如你要统计 P99 的信息，使用 Histogram 可以暴露出 10 个 bucket 分别存放不同耗时区间的请求数，使用 histogram_quantile 函数就可以方便地计算出 P99（《P99 是如何计算的？^[3]》）. 本质上也是一个“糖”。假如 Prometheus 没有 Histogram 和 Summary 这两种 Metric 类型，也是完全可以的，只不过我们在使用上就需要多做很多事情，麻烦一些。

讲了这么说，希望读者已经明白 Counter 和 Gauge 了。因为我们接下来的查询会一直跟这两种 Metric 类型打交道。

Selectors

下面这张图简单地表示了 Metric 在 Prometheus 中的样子，以给读者一个概念。

如果我们直接在 Grafana 中使用 node_network_receive_packets_total 来画图的话，就会得到 5 条线。

Metric 可以通过 label 来进行选择，比如 node_network_receive_packets_total{device=”bond0″} 就会只查询到 bond0 的数据，绘制 bond0 这个 device 的曲线。也支持正则表达式，可以通过 node_network_receive_packets_total{device=~”en.*”} 绘制 en0 和 en2 的曲线。

其实，metric name 也是一个 “label”, 所以 node_network_receive_packets_total{device="bond0"} 本质上是 {__name__="node_network_receive_packets_total", device="bond0"} 。但是因为 metric name 基本上是必用的 label，所以我们一般用第一种写法， 这样看起来更易懂。

PromQL 支持很复杂的 Selector，详细的用法可以参考文档^[4]。指的一提的是，Prometheus 是图灵完备 (Turing Complete)^[5]的（Surprise!）。

实际上，如果你使用下面的查询语句，将会仅仅得到一个数字，而不是整个 metric 的历史数据（node_network_receive_packets_total{device=~"en.*"} 得到的是下图中黄色的部分。

这个就是 Instant Vector：只查询到 metric 的在某个时间点（默认是当前时间）的值。

PromQL 语言的数据类型

为了避免读者混淆，这里说明一下 Metric Type 和 PromQL 查询语言中的数据类型的区别。很简单，在写 PromQL 的时候，无论是 Counter 还是 Gauge，对于函数来说都是一串数字，他们数据结构上没有区别。我们说的 Instant Vector 还是 Range Vector, 指的是 PromQL 函数的入参和返回值的类型。

Instant Vector

Instant 是立即的意思，Instant Vector 顾名思义，就是当前的值。假如查询的时间点是 t，那么查询会返回距离 t 时间点最近的一个值。

常用的另一种数据类型是 Range Vector。

Range Vector

Range Vector 顾名思义，返回的是一个 range 的数据。

Range 的表示方法是 [1m]，表示 1 分钟的数据。也可以使用 [1h] 表示 1 小时，[1d] 表示 1 天。支持的所有的 duration 表示方法可以参考文档^[6]。

假如我们对 Prometheus 的采集配置是每 10s 采集一次，那么 1 分钟内就会有采集 6 次，就会有 6 个数据点。我们使用 node_network_receive_packets_total{device=~“.*”}[1m] 查询的话，就可以得到以下的数据：两个 metric，最后的 6 个数据点。

Prometheus 大部分的函数要么接受的是 Instant Vector，要么接受的是 Range Vector。所以要看懂这些函数的文档，就要理解这两种类型。

在详细解释之前，请读者思考一个问题：在 Grafana 中画出来一个 Metric 的图标，需要查询结果是一个 Instant Vector，还是 Range Vector 呢？

答案是 Instant Vector （Surprise!）。

为什么呢？要画出一段时间的 Chart，不应该需要一个 Range 的数据吗？为什么是 Instant Vector？

答案是：Range Vector 基本上只是为了给函数用的，Grafana 绘图只能接受 Instant Vector。Prometheus 的查询 API 是以 HTTP 的形式提供的，Grafana 在渲染一个图标的时候会向 Prometheus 去查询数据。而这个查询 API 主要有两种：

第一种是 /query：查询一个时间点的数据，返回一个数据值，通过 ?time=1627111334 可以查询指定时间的数据。

假如要绘制 1 个小时内的 Chart 的话，Grafana 首先需要你在创建 Chart 的时候传入一个 step 值，表示多久查一个数据，这里假设 step=1min 的话，我们对每分钟需要查询一次数据。那么 Grafana 会向 Prometheus 发送 60 次请求，查询 60 个数据点，即 60 个 Instant Vector，然后绘制出来一张图表。

当然，60 次请求太多了。所以就有了第二种 API query_range，接收的参数有 ?start=&end=&step=60。但是这个 API 本质上，是一个语法糖，在 Prometheus 内部还是对 60 个点进行了分别计算，然后返回。当然了，会有一些优化。

然后就有了下一个问题：为什么 Grafana 偏偏要绘制 Instant Vector，而不是 Range Vector 呢？

因为这里的 Range Vector 并不是一个“绘制的时间”，而是函数计算所需要的时间区间。看下面的例子就容易理解了。

来解释一下这个查询：

rate(node_network_receive_packets_total{device=~”en.*”}[1m])

node_network_receive_packets_total 是一个 Counter，为了计算每秒的 packet 数量，我们要计算每秒的数量，就要用到 rate 函数。

先来看一个时间点的计算，假如我们计算 t 时间点的每秒 packet 数量，rate 函数可以帮我们用这段时间（[1m]）的总 packet 数量，除以时间 [1m] ，就得到了一个“平均值”，以此作为曲线来绘制。

以这种方法就得到了一个点的数据。

然后我们对之前的每一个点，都以此法进行计算，就得到了一个 pk/s 的曲线（最长的那条是原始的数据，黄色的表示 rate 对于每一个点的计算过程，蓝色的框为最终的绘制的点）。

所以这个 PromQL 查询最终得到的数据点是：… 2.2, 1.96, 2.31, 2, 1.71 （即蓝色的点）。

这里有两个选中的 metric，分别是 en0 和 en2，所以 rate 会分别计算两条曲线，就得到了上面的 Chart，有两条线。

rate, irate 和 increase

很多人都会纠结 irate 和 rate 有什么区别。看到这里，其实就很好解释了。

以下来自官方的文档：

irate() irate(v range-vector) calculates the per-second instant rate of increase of the time series in the range vector. This is based on the last two data points.

即，irate 是计算的最后两个点之间的差值。可以用下图来表示：

自然，因为只用最后两个点的差值来计算，会比 rate 平均值的方法得到的结果，变化更加剧烈，更能反映当时的情况。那既然是使用最后两个点计算，这里又为什么需要 [1m] 呢？这个 [1m] 不是用来计算的，是用来限制找 t-2 个点的时间的，比如，如果中间丢了很多数据，那么显然这个点的计算会很不准确，irate 在计算的时候会最多向前在 [1m] 找点，如果超过 [1m] 没有找到数据点，这个点的计算就放弃了。

在现实中的例子，可以将上面查询的 rate 改成 irate。

irate(node_network_receive_packets_total{device=~”en.*”}[1m])

对比与之前的图，可以看到变化更加剧烈了。

那么，是不是我们总是使用 irate 比较好呢？也不是，比如 requests/s 这种，如果变化太剧烈，从面板上你只能看到一条剧烈抖动导致看不清数值的曲线，而具体值我们是不太关心的，我们可能更关心一天中的 QPS 变化情况；但是像是 CPU，network 这种资源的变化，使用 irate 更加有意义一些。

还有一个函数叫做 increase，它的计算方式是 end - start，没有除。计算的是每分钟的增量。比较好理解，这里就不画图了。

这三个函数接受的都是 Range Vector，返回的是 Instant Vector，比较常用。

另外需要注意的是，increase 和 rate 的 range 内必须要有至少 4 个数据点。详细的解释可以见这里：What range should I use with rate()?^[7]

介绍了这两种类型，那么其他的 Prometheus 函数^[8]应该都可以看文档理解了。Prometheus 的文档中会将函数这样标注：

changes() For each input time series, changes(v range-vector) returns the number of times its value has changed within the provided time range as an instant vector.

我们就知道，changes() 这个函数接受的是一个 range-vector, 所以要带上类似于 [1m] 。不能传入不带类似 [1m] 的 metrics，类似于这样的使用是不合法的：change(requests_count{server="server_a"}，这样就相当于传入了一个 Instant Vector。

看到这里，你应该已经成为一只在 Prometheus 里面自由翱翔的鸟儿了。接下来可以抱着文档^[9]去写查询了，但是在这之前，让我再介绍一点非常重要的误区。

使用函数的顺序问题

在计算 P99 的时候，我们会使用下面的查询：

histogram_quantile(0.9,
    sum by (le)
    (rate(http_request_duration_seconds_bucket[10m]))
)

首先，Histogram 是一个 Counter，所以我们要使用 rate 先处理，然后根据 le 将 labels 使用 sum 合起来，最后使用 histogram_quantile 来计算。这三个函数的顺序是不能调换的，必须是先 rate 再 sum，最后 histogram_quantile。

为什么呢？这个问题可以分成两步来看：

rate 必须在 sum 之前。前面提到过 Prometheus 支持在 Counter 的数据有下降之后自动处理的，比如服务器重启了，metric 重新从 0 开始。这个其实不是在存储的时候做的，比如应用暴露的 metric 就是从 2033 变成 0 了，那么 Prometheus 就会忠实地存储 0. 但是在计算 rate 的时候，就会识别出来这个下降。但是 sum 不会，所以如果先 sum 再 rate，曲线就会出现非常大的波动。详细见这里^[10]。

histogram_quantile 必须在最后。在《P99 是如何计算的？^[11]》这篇文章中介绍了 P99 的原理。也就是说 histogram_quantile 计算的结果是近似值，去聚合（无论是 sum 还是 max 还是 avg）这个值都是没有意义的。

引用链接

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