prometheus/tsdb 的源码阅读笔记 0x02

fileutil

fileutil
├── dir_unix.go
├── dir_windows.go
├── fileutil.go
├── mmap.go
├── mmap_unix.go
├── mmap_windows.go
├── preallocate.go
├── preallocate_darwin.go
├── preallocate_linux.go
├── preallocate_other.go
├── sync.go
├── sync_darwin.go
└── sync_linux.go

fileutil 提供了一些操作文件/目录的函数, 处理了不同平台 (主要是 win) 的兼容性问题.

除非遇到类似的场景需要相关的处理思路.

直接阅读 godoc 即可.

index

index
├── encoding_helpers.go
├── index.go
├── index_test.go
├── postings.go
└── postings_test.go

index 实现针对 labels 的索引.

在 prometheus/tsdb 中, 认为 labels + timestamp + value 是一个完整的数据点

chunks 相关的代码用于存储 timestamp + value, 而 index 则是对于 labels 的处理.

encbuf, decbuf

作为 buffer 在 index 数据编码/解码时进行 复用

实际上这里也定义了一些数据格式如何进行存储

// putVarintStr writes a string to the buffer prefixed by its varint length (in bytes!).
// 对于字符串, 分别写入长度及字符串本身
func (e *encbuf) putUvarintStr(s string) {
    b := *(*[]byte)(unsafe.Pointer(&s))
    e.putUvarint(len(b))
    e.putString(s)
}

// 相应地, 在解码时也会先确定 str 长度, 再从整个 []byte 中取出必要的部分
func (d *decbuf) uvarintStr() string {
    l := d.uvarint64()
    if d.e != nil {
        return ""
    }
    if len(d.b) < int(l) {
        d.e = errInvalidSize
        return ""
    }
    s := string(d.b[:l])
    d.b = d.b[l:]
    return s
}
indexWriterSeries
type indexWriterSeries struct {
    // labels 的实际内容, 即 kv 对
    labels labels.Labels
    
    // 这里重要的实际是 Meta.Ref, 即每个 chunk 对应的文件/起点
    chunks []chunks.Meta // series file offset of chunks
    
    // 这里是 labels 数据在文件中的 offset
    offset uint32        // index file offset of series reference
}
indexTOC

index table of contents, 记录 index 不同类型数据的位置

type indexTOC struct {
    symbols           uint64
    series            uint64
    labelIndices      uint64
    labelIndicesTable uint64
    postings          uint64
    postingsTable     uint64
}
Writer

实现 IndexWriter , 基于文件的 index 存储

index 的文件格式要比 chunk 复杂的多, 可以参考 Documentation/format/index.md

每个 index 文件的写入分为 5 个阶段, 顺序执行.

type indexWriterStage uint8

const (
    idxStageNone indexWriterStage = iota
    idxStageSymbols
    idxStageSeries
    idxStageLabelIndex
    idxStagePostings
    idxStageDone
)

// ensureStage handles transitions between write stages and ensures that IndexWriter
// methods are called in an order valid for the implementation.
func (w *Writer) ensureStage(s indexWriterStage) error {
    if w.stage == s {
        return nil
    }
    
    // 排在当前阶段之前的, 不可再执行
    if w.stage > s {
        return errors.Errorf("invalid stage %q, currently at %q", s, w.stage)
    }

    // Mark start of sections in table of contents.
    switch s {
    
    // ...

    // 执行到完成阶段时, 自动写入必要的辅助信息
    case idxStageDone:
        w.toc.labelIndicesTable = w.pos
        if err := w.writeOffsetTable(w.labelIndexes); err != nil {
            return err
        }
        w.toc.postingsTable = w.pos
        if err := w.writeOffsetTable(w.postings); err != nil {
            return err
        }
        if err := w.writeTOC(); err != nil {
            return err
        }
    }

    w.stage = s
    return nil
}
AddSymbols
func (w *Writer) AddSymbols(sym map[string]struct{}) error {
    if err := w.ensureStage(idxStageSymbols); err != nil {
        return err
    }
    
    // ...
    
    return errors.Wrap(err, "write symbols")
}

label 中的每一个键或值都是一个 symbol.

通过 "使用对 symbol 的引用" 的方式, 来缩减后续索引文件中的空间占用.

AddSeries
func (w *Writer) AddSeries(ref uint64, lset labels.Labels, chunks ...chunks.Meta) error {
    if err := w.ensureStage(idxStageSeries); err != nil {
        return err
    }
    if labels.Compare(lset, w.lastSeries) <= 0 {
        return errors.Errorf("out-of-order series added with label set %q", lset)
    }

    // 记录每个时间序列的位置
    if _, ok := w.seriesOffsets[ref]; ok {
        return errors.Errorf("series with reference %d already added", ref)
    }
    w.seriesOffsets[ref] = w.pos

    w.buf2.reset()
    w.buf2.putUvarint(len(lset))

    // 对于每个 label, 分别记录 它的 name 和 value 在索引文件中的位置
    for _, l := range lset {
        offset, ok := w.symbols[l.Name]
        // ...

        offset, ok = w.symbols[l.Value]
        // ...
    }

    w.buf2.putUvarint(len(chunks))

    // 对于 chunk 数据, 记录它覆盖的时间范围, 以及存储地址
    // 除第一个 chunk 外, 其他记录的都是变化量
    if len(chunks) > 0 {
        c := chunks[0]
        w.buf2.putVarint64(c.MinTime)
        w.buf2.putUvarint64(uint64(c.MaxTime - c.MinTime))
        w.buf2.putUvarint64(c.Ref)
        t0 := c.MaxTime
        ref0 := int64(c.Ref)

        for _, c := range chunks[1:] {
            w.buf2.putUvarint64(uint64(c.MinTime - t0))
            w.buf2.putUvarint64(uint64(c.MaxTime - c.MinTime))
            t0 = c.MaxTime

            w.buf2.putVarint64(int64(c.Ref) - ref0)
            ref0 = int64(c.Ref)
        }
    }

    // ...

    return nil
}
WriteLabelIndex
// 这里传入的参数可以认为是下述结构
// 其中每一组 value 都是 names 的一组取值组合
// type Label struct {
//  names []string
//  valus [][]string
// }
func (w *Writer) WriteLabelIndex(names []string, values []string) error {
    if len(values)%len(names) != 0 {
        return errors.Errorf("invalid value list length %d for %d names", len(values), len(names))
    }
    if err := w.ensureStage(idxStageLabelIndex); err != nil {
        return errors.Wrap(err, "ensure stage")
    }

    // ...

    // 所有 hash entry 会统一在后续阶段写入
    w.labelIndexes = append(w.labelIndexes, hashEntry{
        keys:   names,
        offset: w.pos,
    })

    // ...

    // 对于每个 value, 都只写入引用值
    for _, v := range valt.s {
        offset, ok := w.symbols[v]
        // ...
    }

    // ...

    err = w.write(w.buf1.get(), w.buf2.get())
    return errors.Wrap(err, "write label index")
}
WritePostings
// Postings 用来记录每一个 label (一对 name, value) 对应了哪些数据块, 用于检索
func (w *Writer) WritePostings(name, value string, it Postings) error {
    // ...
    
    // 每一对 name-value 对应的数据位置
    w.postings = append(w.postings, hashEntry{
        keys:   []string{name, value},
        offset: w.pos,
    })

    // Order of the references in the postings list does not imply order
    // of the series references within the persisted block they are mapped to.
    // We have to sort the new references again.
    refs := w.uint32s[:0]

    for it.Next() {
        offset, ok := w.seriesOffsets[it.At()]
        
        // ...
        
        refs = append(refs, uint32(offset))
    }
    if err := it.Err(); err != nil {
        return err
    }
    sort.Sort(uint32slice(refs))

    // ...

    err := w.write(w.buf1.get(), w.buf2.get())
    return errors.Wrap(err, "write postings")
}
Close
func (w *Writer) Close() error {
    // 这里会自动执行 labelIndexes, postings, toc 的写入
    if err := w.ensureStage(idxStageDone); err != nil {
        return err
    }
    
    // 文件落盘
    if err := w.fbuf.Flush(); err != nil {
        return err
    }
    if err := fileutil.Fsync(w.f); err != nil {
        return err
    }
    return w.f.Close()
}
// writeOffsetTable writes a sequence of readable hash entries.
func (w *Writer) writeOffsetTable(entries []hashEntry) error {
    w.buf2.reset()
    w.buf2.putBE32int(len(entries))

    for _, e := range entries {
        w.buf2.putUvarint(len(e.keys))
        for _, k := range e.keys {
            w.buf2.putUvarintStr(k)
        }
        w.buf2.putUvarint64(e.offset)
    }

    w.buf1.reset()
    w.buf1.putBE32int(w.buf2.len())
    w.buf2.putHash(w.crc32)

    return w.write(w.buf1.get(), w.buf2.get())
}
func (w *Writer) writeTOC() error {
    w.buf1.reset()

    w.buf1.putBE64(w.toc.symbols)
    w.buf1.putBE64(w.toc.series)
    w.buf1.putBE64(w.toc.labelIndices)
    w.buf1.putBE64(w.toc.labelIndicesTable)
    w.buf1.putBE64(w.toc.postings)
    w.buf1.putBE64(w.toc.postingsTable)

    w.buf1.putHash(w.crc32)

    return w.write(w.buf1.get())
}
Reader

实现了 IndexReader

func newReader(b ByteSlice, c io.Closer) (*Reader, error) {
    r := &Reader{
        // ...
    }
    // Verify magic number.
    
    // ...

    // toc 在文件尾部, 且长度固定, 因此可以直接读出
    if err := r.readTOC(); err != nil {
        return nil, errors.Wrap(err, "read TOC")
    }
    if err := r.readSymbols(int(r.toc.symbols)); err != nil {
        return nil, errors.Wrap(err, "read symbols")
    }
    var err error

    err = r.readOffsetTable(r.toc.labelIndicesTable, func(key []string, off uint32) error {
        // 不知道这里为什么会强制长度为 1?
        // 根据 Writer.WriteLabelIndex 的定义, 明显是支持多 names 的
        // 实际验证, 多 names 写入没有问题, 但在读取的时候会在这里报错
        // 等待后续看相关代码来理解吧.
        if len(key) != 1 {
            return errors.Errorf("unexpected key length %d", len(key))
        }
        r.labels[key[0]] = off
        return nil
    })
    if err != nil {
        return nil, errors.Wrap(err, "read label index table")
    }
    err = r.readOffsetTable(r.toc.postingsTable, func(key []string, off uint32) error {
        // ...
        return nil
    })
    if err != nil {
        return nil, errors.Wrap(err, "read postings table")
    }

    r.dec = &DecoderV1{symbols: r.symbols}

    return r, nil
}
Postings

Posting 及其实现的具体作用, 待阅读剩余部分的代码后再回过头来确认.

这是一个 Iterator.

// Postings provides iterative access over a postings list.
type Postings interface {
    // Next advances the iterator and returns true if another value was found.
    Next() bool

    // Seek advances the iterator to value v or greater and returns
    // true if a value was found.
    Seek(v uint64) bool

    // At returns the value at the current iterator position.
    At() uint64

    // Err returns the last error of the iterator.
    Err() error
}
  • 给出了 Posting 的交集, 并集, 以及差集实现

    // Intersect returns a new postings list over the intersection of the
    // input postings.
    func Intersect(its ...Postings) Postings {
      if len(its) == 0 {
          return emptyPostings
      }
      if len(its) == 1 {
          return its[0]
      }
      l := len(its) / 2
      return newIntersectPostings(Intersect(its[:l]...), Intersect(its[l:]...))
    }
    
    type intersectPostings struct {
      a, b     Postings
      aok, bok bool
      cur      uint64
    }
    
    
    
    // Merge returns a new iterator over the union of the input iterators.
    func Merge(its ...Postings) Postings {
      if len(its) == 0 {
          return EmptyPostings()
      }
      if len(its) == 1 {
          return its[0]
      }
      l := len(its) / 2
      return newMergedPostings(Merge(its[:l]...), Merge(its[l:]...))
    }
    
    type mergedPostings struct {
      a, b        Postings
      initialized bool
      aok, bok    bool
      cur         uint64
    }
    
    
    
    // Without returns a new postings list that contains all elements from the full list that
    // are not in the drop list
    func Without(full, drop Postings) Postings {
      return newRemovedPostings(full, drop)
    }
    
    type removedPostings struct {
      full, remove Postings
    
      cur uint64
    
      initialized bool
      fok, rok    bool
    }
    

  • 给出了几种特定类型的 Postings

    // EmptyPostings returns a postings list that's always empty.
    func EmptyPostings() Postings {
      return emptyPostings
    }
    
    
    // ErrPostings returns new postings that immediately error.
    func ErrPostings(err error) Postings {
      return errPostings{err}
    }
    
    
    
    // listPostings implements the Postings interface over a plain list.
    type listPostings struct {
      list []uint64
      cur  uint64
    }
    
    
    
    // bigEndianPostings implements the Postings interface over a byte stream of
    // big endian numbers.
    type bigEndianPostings struct {
      list []byte
      cur  uint32
    }
    

MemPostings

label - posting idx 的映射记录器

// MemPostings holds postings list for series ID per label pair. They may be written
// to out of order.
// ensureOrder() must be called once before any reads are done. This allows for quick
// unordered batch fills on startup.
type MemPostings struct {
    mtx     sync.RWMutex
  
    // label 和 posting id 的关联
    m       map[labels.Label][]uint64
  
    // 成功执行 EnsureOrder 之后置为 true
    ordered bool
}

labels

labels
├── labels.go
├── labels_test.go
└── selector.go

labels 是标签, 对应 influxdb 中的 tags, 即一组键值对.

在 promethues/tsdb 中, timestamp 和 value 之外的所有信息都放在 labels 中

这个 pkg 的核心就是 Label, Labels, 以及 Labels 的 Matcher

Label
// Label is a key/value pair of strings.
type Label struct {
    Name, Value string
}

就是键值对

Labels
// Labels is a sorted set of labels. Order has to be guaranteed upon
// instantiation.
type Labels []Label

在实际使用中, Labels 都应该是应该排序的. 因此 Labels 首先实现了 sort.Interface.

同时, Labels 之间也是可以进行比较的

// Compare compares the two label sets.
// The result will be 0 if a==b, <0 if a < b, and >0 if a > b.
func Compare(a, b Labels) int {
    l := len(a)
    if len(b) < l {
        l = len(b)
    }

    // 逐个 label 比较 name, value 的字母序
    for i := 0; i < l; i++ {
        if d := strings.Compare(a[i].Name, b[i].Name); d != 0 {
            return d
        }
        if d := strings.Compare(a[i].Value, b[i].Value); d != 0 {
            return d
        }
    }
    
    // If all labels so far were in common, the set with fewer labels comes first.
    // 可比较的部分无法确定顺序, 则比较两者长度
    return len(a) - len(b)
}
Slice

SliceLabels 的切片

因为 Labels 可比较, 因此 Slice 也实现了 sort.Interface

Matcher
// Matcher specifies a constraint for the value of a label.
type Matcher interface {
    // Name returns the label name the matcher should apply to.
    Name() string
    // Matches checks whether a value fulfills the constraints.
    Matches(v string) bool
}

Matcher 用来筛选 Labels

这里提供了 equal, prefix, regexp, not 四种基本的 Matcher

tsdbutil

tsdbutil
├── buffer.go
└── buffer_test.go

tsdbutil 目前只提供了一个 BufferedSeriesIterator

sampleRing
type sample struct {
    t int64
    v float64
}

// 既然是 Ring, 那么 buf 就是环装的, 因此有辅助的 i, f, l
type sampleRing struct {
    delta int64

    buf []sample // lookback buffer
    i   int      // position of most recent element in ring buffer
    f   int      // position of first element in ring buffer
    l   int      // number of elements in buffer
}

sampleRing 用来处理数据点的采样

// add adds a sample to the ring buffer and frees all samples that fall
// out of the delta range.
func (r *sampleRing) add(t int64, v float64) {
    l := len(r.buf)
    // Grow the ring buffer if it fits no more elements.
    if l == r.l {
        // ring buffer 的扩容
        buf := make([]sample, 2*l)
        copy(buf[l+r.f:], r.buf[r.f:])
        copy(buf, r.buf[:r.f])

        r.buf = buf
        r.i = r.f
        r.f += l
    } else {
        r.i++
        if r.i >= l {
            r.i -= l
        }
    }

    r.buf[r.i] = sample{t: t, v: v}
    r.l++

    // Free head of the buffer of samples that just fell out of the range.
    // 这里认为 add 是有序的, 将头部所有早于 `t - r.delta` 的数据点移出有效区域
    for r.buf[r.f].t < t-r.delta {
        r.f++
        if r.f >= l {
            r.f -= l
        }
        r.l--
    }
}
sampleRingIterator
type sampleRingIterator struct {
    r *sampleRing
    i int
}

sampleRingIterator 是 SeriesIterator 的实现

BufferedSeriesIterator

BufferedSeriesIterator 同样也实现了 SeriesIterator, 它将一段部分数据点通过 sampleRing 缓存下来, 具体效果, 待阅读其他代码.

// BufferedSeriesIterator wraps an iterator with a look-back buffer.
type BufferedSeriesIterator struct {
    it  tsdb.SeriesIterator
    buf *sampleRing

    lastTime int64
}

// NewBuffer returns a new iterator that buffers the values within the time range
// of the current element and the duration of delta before.
// BufferedSeriesIterator 的作用是对上层 Iter 进行封装
// 将其中最多 delta 时间范围内的数据点通过 sampleRing 缓存下来
func NewBuffer(it tsdb.SeriesIterator, delta int64) *BufferedSeriesIterator {
    return &BufferedSeriesIterator{
        it:       it,
        buf:      newSampleRing(delta, 16),
        lastTime: math.MinInt64,
    }
}
Seek
// Seek advances the iterator to the element at time t or greater.
// 这里的 `指针` 只会向后移动, 不会向前
func (b *BufferedSeriesIterator) Seek(t int64) bool {
    t0 := t - b.buf.delta

    // If the delta would cause us to seek backwards, preserve the buffer
    // and just continue regular advancement while filling the buffer on the way.
    // 此时 sampleRing 中的点都会失效, 因此直接重置
    if t0 > b.lastTime {
        b.buf.reset()

        ok := b.it.Seek(t0)
        if !ok {
            return false
        }
        b.lastTime, _ = b.At()
    }

    if b.lastTime >= t {
        return true
    }
    for b.Next() {
        if b.lastTime >= t {
            return true
        }
    }

    return false
}

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