爱可生上海研发中心成员，研发工程师。
一、前言
Prometheus 提供了本地存储，本文主要讲述 Prometheus 自带的 tsdb 时序数据库。
二、本地存储（tsdb）
1. 什么是时序数据库
时序数据库全称为时间序列数据库。时间序列数据库主要用于指处理带时间标签（按照时间的顺序变化，即时间序列化）的数据，带时间标签的数据也称为时间序列数据。主要用于存储周期性的采集各种实时监控信息。
2. 特点
垂直写，水平读
数据点写入分散，且数据量巨大
热点数据明显
3．存储配置
–storage.tsdb.path：数据存储目录。默认为 data/。
–storage.tsdb.retention.time：数据过期清理时间，默认为 15 天。
–storage.tsdb.wal-compression：此标志启用预写日志（WAL）的压缩。根据您的数据，您可以预期 WAL 大小将减少一半，而额外的 CPU 负载却很少。此标志在 2.11.0 中引入，默认情况下在 2.20.0 中启用。请注意，一旦启用，将 Prometheus 降级到 2.11.0 以下的版本将需要删除 WAL。
4．目录结构
./data├── 01BKGV7JBM69T2G1BGBGM6KB12│ └── meta.json├── 01BKGTZQ1SYQJTR4PB43C8PD98│ ├── chunks│ │ └── 000001│ ├── tombstones│ ├── index│ └── meta.json├── 01BKGTZQ1HHWHV8FBJXW1Y3W0K│ └── meta.json├── 01BKGV7JC0RY8A6MACW02A2PJD│ ├── chunks│ │ └── 000001│ ├── tombstones│ ├── index│ └── meta.json└── wal├── 00000002└── checkpoint.000001
5．储存原理（write）
Prometheus 按 2 小时一个 block 进行存储，最新写入的数据保存在内存 block 中，达到 2 小时后写入磁盘。为了防止程序崩溃导致数据丢失，实现了 WAL（write-ahead-log）机制，启动时会以写入日志（WAL）的方式来实现重播，从而恢复数据。
查询时间范围时，我们可以轻松忽略该范围之外的所有数据块。只需要读取时间范围内的 block 数据；
当完成一个块时，我们可以通过顺序写入一些较大的文件来保留内存数据库中的数据，避免随机带来的写放大；
最近 2 小时的数据放在内存，使得查询最多的数据始终缓存在内存中；
删除旧数据的开销很小，只需要删除一个目录。
6．mmap(read)
使用 mmap 读取压缩和合并的大文件（不占用过多的句柄），建立进程虚拟地址和文件偏移量之间的映射关系，并且仅在查询和读取相应位置时才将数据读入物理内存。绕过文件系统页面缓存，减少一个数据副本。查询结束后，Linux 系统会根据内存压力自动回收相应的内存，并可在回收之前将其用于下一个查询命中。因此，使用 mmap 自动管理查询所需的内存缓存的优点是管理简单且处理效率高。
7．索引
一般 Prometheus 的查询是把 metric + label 做关键字的，而且是很宽泛，完全用户自定义的字符，因此没办法使用常规的 sql 数据库，Prometheus 的存储层使用了全文检索中的倒排索引【文末链接】概念，将每个时间序列视为一个小文档。而 metric 和 label 对应的是文档中的单词。
name=”requests_total”
path=”/status”
method=”GET”
instance=”10.0.0.1:80″
提示：由于 Prometheus 索引定义很宽泛，label 会作为索引，官方不建议将 label 定义为动态的值，会导致索引的文件大小变大。
8．数据压缩
数据压缩的主要操作包括合并 block、删除过期数据、重构 chunk 数据。其中合并多个 block 成为更大的 block，可以有效减少 block 个数，当查询覆盖的时间范围较长时，避免需要合并很多 block 的查询结果。为提高删除效率，删除时序数据时，会记录删除的位置，并不会立即从 chunk 文件删除，而是将删除的记录先记录在 block 目录下的 tombstone 文件中，只有 block 所有数据都需要删除时，才将 block 整个目录删除。因此 block 合并的大小也需要进行限制，避免保留了过多已删除空间（额外的空间占用）。比较好的方法是根据数据保留时长，按百分比（如 10%）计算 block 的最大时长。
三、远程存储
Prometheus 的本地存储在可伸缩性和持久性方面受到单个节点的限制。Prometheus 并没有尝试从本地存储中解决这个问题，而是提供了一组允许与远程存储系统集成的接口。
Prometheus 可以将提取的样本以标准格式写入远程 URL。
Prometheus 可以以标准化格式从远程 URL 读取（返回）样本数据。
读取和写入协议都使用基于 HTTP 的快速压缩协议缓冲区编码。该协议尚未被认为是稳定的 API，当可以安全地假定 Prometheus 和远程存储之间的所有跃点都支持 HTTP / 2 时，该协议将来可能会更改为在 HTTP / 2 上使用 gRPC。
四、参考
1. https://fabxc.org/tsdb/
2. https://prometheus.io/docs/prometheus/latest/storage/
3. https://docs.google.com/presentation/d/1TMvzwdaS8Vw9MtscI9ehDyiMngII8iB_Z5D4QW4U4ho
4. 倒排索引：https://nlp.stanford.edu/IR-book/html/htmledition/a-first-take-at-building-an-inverted-index-1.html)
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