微服务系列之服务监控 Prometheus与Grafana

1.为什么需要监控服务
监控服务的所属服务器硬件(如cpu,内存，磁盘I/O等)指标、服务本身的(如gc频率、线程池大小、锁争用情况、请求、响应、自定义业务指标)，对于以前的小型单体服务来说，确实没什么必要，但对于中大型项目，尤其那些群集部署显得尤为重要、尤其是现在的微服务架构，服务众多，而且很多服务都是群集部署，我们更是需要实时知道每一个服务所属的实例(pod,服务器)的运行、请求异常、自定义业务监控指标等情况。
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2.监控方案
监控方案因公司而异，没有固定的套路，不一定复杂就好用，越复杂学习、维护、支出成本就越高，适合自己团队就好，抛砖引玉我们之前使用过的方案：

自己的服务器windows群集，.net core微服务架构，使用Telegraf在每台机服务器上进行采集cpu,内存,磁盘IO等等硬件指标数据和sqlserver、redis、rabbitmq等指标信息，使用Prometheus来采集.net core服务的请求相关的数据，无论是硬件指标还是软件指标，统一发送到时序数据库InfulxDB种，使用开源的报表程序Grafana来进行实时报表监控，通过Grafana的Alert条件触发webhook来将报警的数据信息组织好格式后，发送到我们自己写的一个服务接收，然后通过我们研发的通知订阅中心来发送给订阅者邮件、短信、企业微信、桌面等告警提示；
腾讯云Linux服务器，.net core微服务架构，基于k8s编排管理的docker集群，既然是云，很多硬件指标都是自带的监控，使用Prometheus监控集群下的所有服务的异常请求，Rabbitmq,Redis等等中间件指标信息,这次是基于Prometheus自带的时许数据库，使用其altermanger组件进行告警，全部Prometheus配置和自动发现新pod能力，都由牛逼的运维团队完成。

3.Prometheus
本文中，我们主要来说说目前非常流行的监控中间件Prometheus，基于docker的搭建、配置、基本指标采集、自定义业务指标采集。

Prometheus是一个开源的现代化的、支持云原生的系统监控与告警系统，2012年由前谷歌员工开发并做为社区开源项目开发，2015年正式发布，2016年加入云原生计算基金会CNCF，热度仅次于K8S。git地址。

已经很多知名的三方厂商已经基于Prometheus做成了导入器node exporter，比如linux系统，MYSQL数据库，Redis等等非常多的中间件，有了这些导入器，我们直接可以使用，非常丰富的监控指标人家已经为我们做好了。等下，我们演示以下使用linux的导入器来监控linux系统指标。
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上面是官方给出的生态组件图，Prometheus整个生态圈组成主要包括prometheus server，Exporter，pushgateway，alertmanager，grafana，Web ui界面，Prometheus server由三个部分组成，Retrieval，Storage，PromQL；

Retrieval 负责在活跃的target主机上抓取监控指标数据；
Storage 存储主要是把采集到的数据存储到磁盘中；
PromQL是Prometheus提供的查询语言模块；

工作流程，Prometheus server定期从活跃的目标主机上通过http pull的方式拉取指标数据，目标主机可以通过prometheus的配置文件进行配置或者通过服务发现方式来发现目标主机；也可以通过pushGateway组件，从目标主机推送该组件，Prometheus server再定时从该组件拉取指标数据；

4.Prometheus基于docker的搭建和监控

拉取linux系统的导入器node exporter

docker pull prom/node-exporter

启动linux监控容器

docker run --name=node-exporter -p 9100:9100 -itd prom/node-exporter

创建prometheus配置文件

mkdir /opt/prometheus
cd /opt/prometheus/
vim prometheus.yml

修改配置文件

global:
  scrape_interval:   60s
  evaluation_interval: 60s

scrape_configs:
  - job_name: linuxNode1 --目标任务名称
    static_configs:
      - targets: ['ip:9100'] --可以是多台
        labels:
          instance: linux1    --指标维度

5.启动prometheus容器

docker run -d -p 9090:9090 -v /opt/prometheus/prometheus.yml:/etc/prometheus/prometheus.yml --name prometheus prom/prometheus:latest

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启动成功后，prometheus的webui也可以使用了，浏览器输入http://IP:9090/targets

5.Grafana
官方说明，grafana是用于可视化大型测量数据的开源程序，他提供了强大和优雅的方式去创建、共享、浏览数据。用过之后确实强大，可配置性灵活，现成的主流中间件基于prometheus的报表模板非常丰富。

拉取grafana镜像

docker pull grafana/grafana

启动grafana容器

docker run -d -p 3000:3000 --name=jmeterGrafana grafana/grafana

浏览器访问：http://ip:3000（账号密码都是：admin）
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选择数据源

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至此，我们的linux服务器的报表监控好了，接下来，我们来监控.net core服务的基本指标、请求、自定义业务数据。

6..net core集成prometheus

nuget引入prometheus-net.AspNetCore
startup类，管道运行时配置中

 //收集一些服务基本信息，比如线程数，内存使用，句柄，3个GC得回收次数统计
            app.UseMetricServer();

启动程序访问http://localhost:5000/metrics
做为API服务，我们当然要收集http请求，请求状态，耗时，次数这些

 //收集一些服务基本信息，比如线程数，内存使用，句柄，3个GC得回收次数统计
 app.UseMetricServer();
 //收集http请求和计数监控，比如总请求数，每次请求得耗时
 app.UseHttpMetrics();
 app.UseEndpoints(endpoints =>
            {
                endpoints.MapControllers();
            });

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我们还想收集一些.net core服务运行时一些更深的指标来定位一些困难问题，不用我们写，我们只需要再引入一个别人封装好的包 prometheus-net.DotNetRuntime，就可以得到以下指标：
- 垃圾回收的收集频率和时间;
- 服务占用堆大小;
- 对象堆分配的字节;
- JIT编译和JIT CPU消耗率;
- 线程池大小，调度延迟以及增长/缩小的原因;
- 锁争用情况;
  代码如下：

//Program下main方法，为了减少性能开销，可以设置如下
DotNetRuntimeStatsBuilder
               .Customize()
               //每5个事件个采集一个
               .WithContentionStats(sampleRate: SampleEvery.FiveEvents)
               //每10事件采集一个
               .WithJitStats(sampleRate: SampleEvery.TenEvents)
               .WithThreadPoolStats()
               .WithGcStats()
               .StartCollecting();

再次运行会看到更多的指标了
这么多指标，维度的监控在prometheus原生UI上通过过滤可以看到响应的数据和报表，比如我们要看服务运行总内存，通过指标key：dotnet_total_memory_bytes，去webui上搜索：

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原生UI多少差点意思，我们去prometheus报表模板市场去看看，有没有基于prometheus的.net core运行时的模板，市场传送门

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我们找到一个模板，复制id用上文grafana导入模板的方法，导入进去，看看：
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嗯，看上去好像不咋地，很多指标显示不出来，实际项目里，我们知道了指标数据，都是基于grafana自己配置要看的报表，下文我们继续来看看，怎么在.net core中基于promethues自定义一些指标收集，并且利用grafana来配置响应的报表。

7.自定义指标收集与配置报表
通过上文的metrics指标数据，指标数据其实就是key value结构，只不过key中有label增加维度，并且每一个键值对都有响应的指标类型，prometheus的metrics有以下4种主要类型:

Counter：计数器，单调递增，应用启动之后只会增加不会减少
Gauge：仪表，和 Counter 类似，可增可减
Histogram：直方图，柱形图，Histogram其实是一组数据，主要用于统计数据分布的情况 —— 统计落在某些值的范围内的计数，同时也提供了所有值的总和和个数
Summary：汇总，摘要，summary 类似于 histogram，也是一组数据。不同的是，它统计的不是区间的个数而是统计分位数。

接下来，我们在代码里，使用Counter和Gauge这两种类型，来演示自定义指标收集；
先定义一个收集中心HUB

public class PrometheusMetricsHub
    {
        /// <summary>
        /// 监控计数器维度统计容器
        /// </summary>
        public Dictionary<string, Counter> Counters { get; set; } = new Dictionary<string, Counter>();
        /// <summary>
        /// 监控仪表盘维度统计容器
        /// </summary>
        public Dictionary<string, Gauge> Gauges { get; set; } = new Dictionary<string, Gauge>();


        /// <summary>
        /// 创建计数器容器
        /// </summary>
        /// <param name="key"></param>
        /// <param name="desc"></param>
        /// <returns></returns>
        public void CreateCounter(string key, string desc)
        {
            if (!this.Counters.ContainsKey(key))
                this.Counters.Add(key, Metrics.CreateCounter(key, desc));
        }

        /// <summary>
        /// 创建仪表盘容器
        /// </summary>
        /// <param name="key"></param>
        /// <param name="desc"></param>
        /// <returns></returns>
        public void CreateGauge(string key, string desc)
        {
            if (!this.Gauges.ContainsKey(key))
                this.Gauges.Add(key, Metrics.CreateGauge(key, desc));
        }

        /// <summary>
        /// 根据维度类型获取监控实例
        /// </summary>
        /// <typeparam name="TContainer"></typeparam>
        /// <param name="prometheusEnum"></param>
        /// <param name="key"></param>
        /// <returns></returns>
        public TContainer GetContainer<TContainer>(PrometheusEnum prometheusEnum, string key) where TContainer : class
        {
            if (prometheusEnum == PrometheusEnum.Counter && this.Counters.ContainsKey(key))
                return this.Counters.GetValueOrDefault(key) as TContainer;
            if (prometheusEnum == PrometheusEnum.Gauge && this.Gauges.ContainsKey(key))
                return this.Gauges.GetValueOrDefault(key) as TContainer;
            return null;

        }

创建Prometheus注册容器的扩展方法

public static class PrometheusMetricsHubExtenisons
    {
        public static IServiceCollection AddPrometheusMetricsHub(this IServiceCollection services,Action<PrometheusMetricsHub> buildAction)
        {
            var hub = new PrometheusMetricsHub();
            buildAction(hub);
            services.AddSingleton<PrometheusMetricsHub>(hub);
            return services;
        }
    }

启动类，使用扩展方法，进行对PrometheusHub配置并注入容器

 //注册监控
            services.AddPrometheusMetricsHub(hub =>
            {
                hub.CreateCounter("demoCounter", "测试计数器");
                hub.CreateGauge("demoGauge", "测试仪表盘");
            });

创建一个中间件，每一次请求，都使用Prometheus指标容器进行累加统计

 public class PrometheusRequestMiddleware
    {
        private readonly RequestDelegate _next;
        private readonly PrometheusMetricsHub _prometheusMetricsHub;
        public PrometheusRequestMiddleware(RequestDelegate next, PrometheusMetricsHub prometheusMetricsHub)
        {
            _next = next;
            _prometheusMetricsHub = prometheusMetricsHub;
        }
        public async Task InvokeAsync(HttpContext context)
        {

            try
            {
                //增加测试数据
                var counter = _prometheusMetricsHub.GetContainer<Counter>(Models.PrometheusEnum.Counter, "demoCounter");
                var gauge = _prometheusMetricsHub.GetContainer<Gauge>(Models.PrometheusEnum.Gauge, "demoGauge");

                counter.Inc();
                gauge.Inc();
                await _next(context);
                
            }
            finally
            {
                
            }
        }
    }
	 app.UseMiddleware<PrometheusRequestMiddleware>();

启动，并查看metrics指标
配置Grafana报表

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由上图所见，我们自定义的指标监控完成。

8.关于Prometheus高可用
Prometheus本身不支持群集部署，也就是说本身没法动态水平扩容，其实其本身的性能非常高，很少有撑不住情况，我们担心的是硬盘容量问题，假设真的是超级大量的指标数据，怎么办呢，下面有几个方案，也欢迎留言讨论：

取舍方案，放弃一些不重要的指标采集，降低指标数据持久化时间，调整采集速率等等一些逻辑优化；
服务维度拆分方案,也很容易理解，之前一台Prometheus去采集监控100个服务，现在用3台，划分服务，每台采集30多个服务；
分片方案,这种比较极端，某一个服务，pod规模上千甚至更多，这时候，你单台Promethues想完整采集这些pod的服务，对宽带、硬盘、CPU要求极高极高，性能估计也不咋地，这时候就要分片处理，从一台变多台，分别采集，但是这里有2个问题：
1.这么多pod，肯定是要利用注册中心，在promethues配置里通过服务发现来动态配置要监控的服务，consul可以，并且promethues服务发现配置也支持consul，然后在服务注册的时候通过区分一个维度注册，好让对应promethues知道哪些节点是当前这台需要采集的。
2.分片监控一个服务，基于Prometheus本身存储，肯定是没法集中聚合观看了，这里又涉及到统一使用其他数据源，比如InfluxDB,Redis等等，Promethes也支持配置只采集不存储，通过 remote write 方式写入远程存储库。

9.一些问题

Prometheus不是持久化数据的，但是对于大部分指标监控，我们也不需要持久化，这里有一些产品上的业务指标，要想好是否需要持久化，别某台服务重启，之前数据没了。
报表问题，专业的BI产品经理才行，维度得把控好才行。
.自定义指标收集时候，最好不要侵入性代码，能解耦则解耦。

CL静淡

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