詳解Prometheus range query中的step參數

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Prometheus有兩種query：instant query、range query。本文要講的就是range query中的step參數。

range query是很是常見的一種query，看看它有哪些參數：

• query=<string>: PromQL表達式。
• start=<rfc3339 | unix_timestamp>: 時間範圍的開始。
• end=<rfc3339 | unix_timestamp>: 時間範圍的結束。
• step=<duration | float>: 查詢解析度（query resolution）。
• timeout=<duration>: 執行超時。這個參數是可選的。

在Prometheus expression browser裏看到的是這樣的：

注意到上圖中的Res框裏沒有給值，沒有給的話Prometheus會自動給一個值，這個值在圖示右上角能夠看到。

step對於查詢結果的影響

Prometheues在對PromQL表達式求值的邏輯是這樣的（詳見這個issue裏的回答）：

1. 對於[start, end]時間區間，從start開始，以step爲長度，把時間區間分紅若干段
2. 對每一個段進行求值

舉例：start=10,end=20,step=2，那麼就會有ts=10,ts=12,ts=14,ts=16,ts=18,ts=206段，而後爲這6個段進行求值。求值方式視乎表達式中Time series selector的類型而定。

PromQL有兩種Time series selector：instant vector selector和range vector selector。下面將分別講解：

Instant vector selector

形以下面的就是Instant vector selector，x是metric的名字。

x

Prometheus在對每段Instant vector selector求值的邏輯是這樣的：

• 從該段的timestamp（含）往前找，取第一個找到的data point的值。若是有一個data point的timestamp==該段的timestamp，則直接使用該data point。
• 若是該段timestamp往前的5分鐘範圍內沒有找到任何data point，則該段無值。

下面這張圖解釋了上面邏輯：

圖中的綠點是Prometheus實際存儲的數據，按照時間軸從左到右排列。藍點是根據step參數的求值結果。

當data point間隔比step更大的時候會發生下圖這種狀況：

能夠看到有兩個段的求值結果來自於同一個data point。

Range vector selector

形以下面的就是Range vector selector，x是metric的名字，方括號裏的是range duration。

x[5m]

range vector select返回的是當前timestamp以前的range duration內的全部data point。range vector是不能直接用作繪圖的，你得用某些function把range vector轉換成instant vector才行，好比rate()。

下圖解釋了是如何對Range vector selector進行分段求值的：

step和rate duration

step和range duration是獨立的兩個參數，在某些狀況下二者的值存在某種限制條件，這裏例舉rate()來講明。rate()的做用是得到一個range-vector的每秒平均增加率。

若是step=10m而range duration=5m，那麼rate在計算的時候會丟失一半的數據，兩個分段之間的data point有一半沒有被歸入計算。前面那張圖就存在數據丟失的狀況，有一個data point被漏掉了。

所以在使用rate()時，range duration得大於等於step。

而若是是irate()，這個限制則是range duration不得大於step（詳見Brian Brazil的Presentation）。

Grafana中的step參數

在Grafana中並無直接提供step參數，而是這兩個參數：min step和resolution（文檔在這裏)。min step故名思義設定的是step的最小值，那麼resolution是什麼呢？

你們都知道Grafana都是用來畫圖的，好比下面這張圖Y軸是值，X軸則是時間線，所以在X軸方向的每一個像素都表明了一個timestamp。

resolution就是用來根據像素來計算step的一個參數。下面用6個像素以及它們的timestamp來講明：

x=1,ts=0; x=2,ts=5; x=3,ts=10; x=4,ts=15; x=5,ts=20; x=6,ts=25

• resolution=1/1時，那麼step就是相鄰像素所表明的timestamp的差，即5；
• resolution=1/2時，那麼step就是相隔1個像素的兩個像素的timestamp的差，即10；
• resolution=1/3時，那麼step就是相隔2個像素的兩個像素的timestamp的差，即15；
• 以此類推

而每一個像素所表明的timestamp受兩個因素影響：

1. 查詢所定義的時間範圍
2. Graph的寬度（單位：像素）

因此在Grafana發起的查詢中step參數是動態的。其實這也是很合理的，由於只有這樣纔可以在Graph寬度小的時候繪圖更粗糙（即step更大），Graph寬度大的時候繪圖更精細（即step更小，可是不能小於min step）。實際發起的請求的step參數你能夠在Graph的Query Inspector裏看到：

可是咱們以前不說過了rate()的range duration不能小於step嗎？那麼把range duration給固定值的化就不太好了，怎麼辦呢？你可使用Grafana提供的內置變量$__interval，它表明的Grafana就是計算出來的step的值。好比這樣就可以將range duration和step保持一致了（更多內置變量能夠見這裏）：

rate(x[$__interval])

因此，你想本身實驗一把

若是你想本身動手實驗，可是又苦於沒法制造乾淨的假數據，那麼能夠參考這篇文章推薦的方法。