关于prometheus:prometheus源码分析tv数据的压缩写入和读取

prometheus 中的指标 t / v 数据保留在 block/chunks 下，label 数据保留在 block/index 下。

对于 t / v 数据，prometheus 采纳 Facebook Gorilla 论文的压缩形式：

• timestamp: delta-of-delta 形式压缩时序点的工夫值；
• value: xor 形式压缩时序点的 value 值；

依照上述压缩形式，能够将一个 16byte 的时序点压缩成 1.37byte，压缩率十分高。

时序点 t / v 的压缩

1)timestamp 压缩

在时序上，相邻两个点的工夫戳的差值个别是固定的，若隔 60s pull 一次，那么 timestamp 差值个别都是 60s，比方

• p1: 10:00:00，p2: 10:01:00，p3: 10:01:59，p4：10:03:00，p5：10:04:00，p6：10:05:00
• 工夫戳的差值为：60s，59s，61s，60s，60s；

Gorilla 论文采纳 delta-of-delta 形式压缩 timestamp：

• 第一个时序点的工夫戳 t0，被残缺存储起来；
• 第二个时序点的工夫戳 t1，存储 delta=t1-t0；

• 对后续的工夫戳 tn，首先计算 dod 值：delta=(tn – tn-1) – (tn-1 – tn-2)；

  • 如果 dod=0，则应用 1bit=“0”存储该工夫戳；
  • 如果 dod=[-8191, 8192]，则先存入“10”作为标识，再用 14bit 存储该 dod 值；
  • 如果 dod=[-65535, 65536]，则先存入“110”作为标识，再用 17bit 存储该 dod 值；
  • 如果 dod=[-524287, 524288]，则先存入“1110”作为标识，再用 20bit 存储该 dod 值；
  • 如果 dod>524288，则先存入“1111”作为标识，再用 64bit 存储该 dod 值；

在实践中发现，95% 的 timestamp 可能依照 dod= 0 的情景进行存储。

2)value 压缩

Gorilla 论文对时序点 value 的压缩基于：

• 相邻时序点的 value 值不会产生显著变动；
• value 大多是浮点数，当两个 value 十分靠近的时候，这两个浮点数的符号位、指数位和尾数局部的前几 bit 都是雷同的；

value 值的压缩算法：

• 第一个时序点的 value 值不压缩，间接保留；

• 从第二个点开始，将其 value 与上一个 value 进行 XOR 运算；

  • 若 XOR 运算后果为“0”，则示意前后两个 value 雷同，仅存入 1bit 的“0”值即可；

  • 否则，存入 1bit 值“1”；

    • 若 XOR 后果中非 0 的局部蕴含在前一个 XOR 后果中，那么再写入 1bit 值“0”，而后存入 XOR 中非 0 的局部；
    • 否则，写入 1bit 值“1”，用 5bit 存入 XOR 中前值 0 的个数，6bit 存入两头非 0 的长度，最初再存入两头的非 0 位；

数据显示，大概有 60% 的 value 值仅用 1bit 存储，有 30% 的 value 值落入“10”范畴，残余 10% 的 value 值落入“11”范畴。

3) 压缩示例

输出时序序列值

10:00:00    3.1
10:01:01    3.2
10:02:00    3.0
10:02:59    3.2
10:03:00    3.1

那么将存入

10:00:00     3.1
61           3.2 xor 3.1
-2(59-61)    3.0 xor 3.2
0(59-59)     3.2 xor 3.0
2(61-59)     3.1 xor 3.2

写入 t / v 的源码剖析

xorAppender 负责写入 t / v 的值，t=int64，v=float64

// tsdb/chunkenc/xor.go
func (a *xorAppender) Append(t int64, v float64) {
    var tDelta uint64
    num := binary.BigEndian.Uint16(a.b.bytes())

    // 第一个点，残缺记录 t1 和 v1 的值
    if num == 0 {buf := make([]byte, binary.MaxVarintLen64)
        for _, b := range buf[:binary.PutVarint(buf, t)] {a.b.writeByte(b)        // 写入 t1 的值
        }
        a.b.writeBits(math.Float64bits(v), 64)  // 写入 v1 的值
    } else if num == 1 {    // 第二个点
        tDelta = uint64(t - a.t)
        buf := make([]byte, binary.MaxVarintLen64)
        for _, b := range buf[:binary.PutUvarint(buf, tDelta)] {a.b.writeByte(b)    // 写入 tDeleta=t2-t1
        }
        a.writeVDelta(v)        // 写入 v2^v1 的值
    } else {    // 第三个点及当前的点
        tDelta = uint64(t - a.t)
        dod := int64(tDelta - a.tDelta)    // 计算 dod

        // Gorilla has a max resolution of seconds, Prometheus milliseconds.
        // Thus we use higher value range steps with larger bit size.
        switch {
        case dod == 0:
            a.b.writeBit(zero)    // 写入 0
        case bitRange(dod, 14):    //dod=[-8191,8192], 先存入 10 作为标识，再用 14bit 存储 dod 的值
            a.b.writeBits(0x02, 2) // '10'
            a.b.writeBits(uint64(dod), 14)
        case bitRange(dod, 17):    //dod=[-65535,65536], 先存入 110 作为标识，再用 17bit 存储该 dod 的值
            a.b.writeBits(0x06, 3) // '110'
            a.b.writeBits(uint64(dod), 17)
        case bitRange(dod, 20):    //dod=[-524287,524288], 先存入 1110 作为标识，再用 20bit 存储该 dod 的值
            a.b.writeBits(0x0e, 4) // '1110'
            a.b.writeBits(uint64(dod), 20)    
        default:        //dod>524288, 先存入 1111 作为标识，再用 64bit 存储该 dod 的值
            a.b.writeBits(0x0f, 4) // '1111'
            a.b.writeBits(uint64(dod), 64)
        }
        a.writeVDelta(v)    // 写入 vn^vn-1
    }
    a.t = t    // 写入的最初一个 t
    a.v = v    // 写入的最初一个 v
    binary.BigEndian.PutUint16(a.b.bytes(), num+1)
    a.tDelta = tDelta    // 写入的最初一个 tDelta
}

再看一下应用 xor 写入 VDelta 的源码：

// tsdb/chunkenc/xor.go
func (a *xorAppender) writeVDelta(v float64) {vDelta := math.Float64bits(v) ^ math.Float64bits(a.v)    // 以后 value 与上一个 value 进行 xor

    if vDelta == 0 {        //xor=0, 存入 1bit'0' 即可
        a.b.writeBit(zero)
        return
    }
    a.b.writeBit(one)    // 先存入管制位 '1'

    leading := uint8(bits.LeadingZeros64(vDelta))          // 计算 vdelta 前置 0 的个数
    trailing := uint8(bits.TrailingZeros64(vDelta))        // 计算 vdelta 后置 0 的个数

    // Clamp number of leading zeros to avoid overflow when encoding.
    if leading >= 32 {leading = 31}

    if a.leading != 0xff && leading >= a.leading && trailing >= a.trailing {a.b.writeBit(zero)
        a.b.writeBits(vDelta>>a.trailing, 64-int(a.leading)-int(a.trailing))
    } else {
        a.leading, a.trailing = leading, trailing

        a.b.writeBit(one)
        a.b.writeBits(uint64(leading), 5)

        // Note that if leading == trailing == 0, then sigbits == 64.  But that value doesn't actually fit into the 6 bits we have.
        // Luckily, we never need to encode 0 significant bits, since that would put us in the other case (vdelta == 0).
        // So instead we write out a 0 and adjust it back to 64 on unpacking.
        sigbits := 64 - leading - trailing
        a.b.writeBits(uint64(sigbits), 6)
        a.b.writeBits(vDelta>>trailing, int(sigbits))
    }
}

读取 t / v 的源码剖析

xorIterator 负责 t / v 数据的读取：根本就是写入过程的反过程

// tsdb/chunkenc/xor.go
func (it *xorIterator) Next() bool {
    if it.err != nil || it.numRead == it.numTotal {return false}
    // 读第 1 个点
    if it.numRead == 0 {t, err := binary.ReadVarint(&it.br)    //time 原值读取
        if err != nil {
            it.err = err
            return false
        }
        v, err := it.br.readBits(64)    //value 原值读取
        if err != nil {
            it.err = err
            return false
        }
        it.t = t
        it.val = math.Float64frombits(v)

        it.numRead++    // 读取数量 +1
        return true
    }
    // 读第 2 个点
    if it.numRead == 1 {tDelta, err := binary.ReadUvarint(&it.br)    // 读取 tDelta
        if err != nil {
            it.err = err
            return false
        }
        it.tDelta = tDelta
        it.t = it.t + int64(it.tDelta)    // 计算 time

        return it.readValue()        // 读取 xor 并计算出原值}
    // 读第 3 个及当前的点
    var d byte
    // 读前缀，最多 4bit
    // read delta-of-delta
    for i := 0; i < 4; i++ {
        d <<= 1
        bit, err := it.br.readBit()
        if err != nil {
            it.err = err
            return false
        }
        if bit == zero {break}
        d |= 1
    }
    var sz uint8
    var dod int64
    switch d {
    case 0x00:
        // dod == 0    // 前缀 =0
    case 0x02:
        sz = 14    // 前缀 =10，用 14bit 保留 dod
    case 0x06:     // 前缀 =110，用 17bit 保留 dod
        sz = 17
    case 0x0e:    // 前缀 =1110，用 20bit 保留 dod
        sz = 20
    case 0x0f:    // 前缀 =1111，用 64bit 保留 dod
        bits, err := it.br.readBits(64)
        if err != nil {
            it.err = err
            return false
        }
        dod = int64(bits)
    }

    if sz != 0 {bits, err := it.br.readBits(int(sz))
        if err != nil {
            it.err = err
            return false
        }
        if bits > (1 << (sz - 1)) {
            // or something
            bits = bits - (1 << sz)
        }
        dod = int64(bits)    // 读取并计算 dod 的值
    }

    it.tDelta = uint64(int64(it.tDelta) + dod)    // 计算 tdelta
    it.t = it.t + int64(it.tDelta)    // 计算 time

    return it.readValue()    // 读取 xor 的值}

再看一下读 xor 值的流程：将上一个 value 与 xor 的值进行异或

// tsdb/chunkenc/xor.go
func (it *xorIterator) readValue() bool {bit, err := it.br.readBit()    // 读第 1 个 bit
    if err != nil {
        it.err = err
        return false
    }

    if bit == zero {// 如果第 1 个 bit=0，value 放弃不变 ( 故无需更新)
        // it.val = it.val
    } else {bit, err := it.br.readBit()
        if err != nil {
            it.err = err
            return false
        }
        if bit == zero {
            // reuse leading/trailing zero bits
            // it.leading, it.trailing = it.leading, it.trailing
        } else {bits, err := it.br.readBits(5)
            if err != nil {
                it.err = err
                return false
            }
            it.leading = uint8(bits)

            bits, err = it.br.readBits(6)
            if err != nil {
                it.err = err
                return false
            }
            mbits := uint8(bits)
            // 0 significant bits here means we overflowed and we actually need 64; see comment in encoder
            if mbits == 0 {mbits = 64}
            it.trailing = 64 - it.leading - mbits
        }

        mbits := int(64 - it.leading - it.trailing)
        bits, err := it.br.readBits(mbits)
        if err != nil {
            it.err = err
            return false
        }
        vbits := math.Float64bits(it.val)        // 拿到上一个 value
        vbits ^= (bits << it.trailing)           // 与 xor 的值进行异或，失去本地的 value
        it.val = math.Float64frombits(vbits)     // v1^v2=xor，那么 v2=v1^xor
    }

    it.numRead++
    return true
}