云原生时代如何用 Prometheus 实现性能压测可观测-Metrics 篇

作者：拂衣

什么是性能压测可观测

可观测性包括 Metrics、Traces、Logs3 个维度。可观测能力帮助我们在复杂的分布式系统中快速排查、定位问题，是分布式系统中必不可少的运维工具。

在性能压测领域中，可观测能力更为重要，除了有助于定位性能问题，其中Metrics性能指标更直接决定了压测是否通过，对系统上线有决定性左右，具体如下：

• Metrics，监控指标

系统性能指标，包括请求成功率、系统吞吐量、响应时长

资源性能指标，衡量系统软硬件资源使用情况，配合系统性能指标，观察系统资源水位

• Logs，日志

施压引擎日志，观察施压引擎是否健康，压测脚本执行是否有报错

采样日志，采样记录 API 的请求和响应详情，辅助排查压测过程中的一些出错请求的参数是否正常，并通过响应详情，查看完整的错误信息

• Traces，分布式链路追踪用于性能问题诊断阶段，通过追踪请求在系统中的调用链路，

定位报错 API 的报错系统和报错堆栈，快速定位性能问题点

本篇阐述如何使用 Prometheus 实现性能压测 Metrics 的可观测性。

压测监控的核心指标

系统性能指标

压测监控最重要的 3 个指标：请求成功率、服务吞吐量(TPS)、请求响应时长(RT)，这 3 个指标任意一个出现拐点，都可以认为系统已达到性能瓶颈。

这里特别说明下响应时长，对于这个指标，用平均值来判断很有误导性，因为一个系统的响应时长并不是平均分布的，往往会出现长尾现象，表现为一部分用户请求的响应时间特别长，但整体平均响应时间符合预期，这样其实是影响了一部分用户的体验，不应该判断为测试通过。因此对于响应时长，常用 99、95、90 分位值来判断系统响应时长是否达标。

另外，如果需要观察请求响应时长的分布细节，可以补充请求建联时长(Connect Time)、等待响应时长(Idle Time)等指标。

资源性能指标

压测过程中，对系统硬件、中间件、数据库资源的监控也很重要，包括但不限于：

• CPU 使用率
• 内存使用率
• 磁盘吞吐量
• 网络吞吐量
• 数据库连接数
• 缓存命中率
... ...

详细可见《测试指标》[1]一文。

施压机性能指标

压测链路中，施压机性能是容易被忽略的一环，为了保证施压机不是整个压测链路的性能瓶颈，需要关注如下施压机性能指标：

• 压测进程的内存使用量
• 施压机 CPU 使用率，Load1、Load5 负载指标
• 基于 JVM 的压测引擎，需要关注垃圾回收次数、垃圾回收时长

## 为什么用 Prometheus 做压测监控

开源压测工具如 JMeter 本身支持简单的系统性能监控指标，如：请求成功率、系统吞吐量、响应时长等。但是对于大规模分布式压测来说，开源压测工具的原生监控有如下不足：

1. 监控指标不够全面，一般只包含了基础的系统性能指标，只能用于判断压测是否通过。但是如果压测不通过，需要排查、定位问题时，如分析一个 API 的 99 分位建联时长，原生监控指标就无法实现。
2. 聚合时效性不能保证
3. 无法支持大规模分布式的监控数据聚合
4. 监控指标不支持按时间轴回溯

综上，在大规模分布式压测中，不推荐使用开源压测工具的原生监控。

下面对比 2 种开源的监控方案：

方案一：Zabbix

Zabbix 是早期开源的分布式监控系统，支持 MySQL 或 PostgreSQL 关系型数据库作为数据源。

对于系统性能监控，需要施压机提供秒级的监控指标，每秒高并发的监控指标写入，使关系型数据库成为了监控系统的瓶颈。

对于资源性能监控，Zabbix 对物理机、虚拟机的指标很全面，但是对容器、弹性计算的监控支持还不够。

方案二：Prometheus

Prometheus 使用时序数据库作为数据源，相比传统关系型数据库，读写性能大大提高，对于施压机大量的秒级监控数据上报的场景，性能表现良好。

对于资源性能监控，Prometheus 更适用于云资源的监控，尤其对 Kubernates 和容器的监控非常全面，对使用云原生技术的用户，上手更简单。

总结下来，Prometheus 相较 Zabbix，更适合于压测中高并发监控指标的采集和聚合，并且更适用于云资源的监控，且易于扩展。

当然，使用成熟的云产品也是一个很好选择，如压测工具 PTS[2]+可观测工具 ARMS[3]，就是一组黄金搭档。PTS 提供压测时的系统性能指标，ARMS 提供资源监控和整体可观测的能力，一站式解决压测可观测的问题。

怎么使用 Prometheus 实现压测监控

开源 JMeter 改造

Prometheus 是拉数据模型，因此需要压测引擎暴露 HTTP 服务，供 Prometheus 获取各压测指标。

JMeter 提供了插件机制，可以自定义插件来扩展 Prometheus 监控能力。在自定插件中，需要扩展 JMeter 的 BackendListener，让在采样器执行完成时，更新每个压测指标，如成功请求数、失败请求数、请求响应时长。并将各压测指标在内存中保存，在 Prometheus 拉数据时，通过 HTTP 服务暴露出去。整体结构如下：

JMeter 自定义插件需要改造的点：

1. 增加指标注册中心
2. 扩展 Prometheus 指标更新器
3. 实现自定义 JMeter BackendListener，在采样器执行结束后，调用 Prometheus 更新器
4. 实现 HTTP Server，如果有安全需要，补充鉴权逻辑

PTS 压测工具

性能测试 PTS（Performance Testing Service）是一款阿里云 SaaS 化的性能测试工具。PTS支持自研压测引擎，同时支持开源 JMeter 压测，在 PTS 上开放压测指标到 Prometheus，无需开发自定义插件来改造引擎，只需 3 步白屏化操作即可。
具体步骤如下：

1. PTS 压测的高级设置中，打开【Prometheus】开关
2. 压测开始后，在【监控导出】一键复制 Prometheus 配置
3. 自建的 Prometheus 中粘贴并热加载此配置，即可生效

详细参考：《如何将 PTS 压测的指标数据输出到 Prometheus》[4]

快速搭建 Grafana 监控大盘

PTS 提供了官方 Grafana 大盘模板[5]，支持一键导入监控大盘，并可以灵活编辑和扩展，满足您的定制监控需求。

本大盘提供了全局请求成功率，系统吞吐量(TPS)，99、95、90 分位响应时长，以及按错误状态码聚合的错误请求数等数据。

在 API 分布专栏中，可以直观的对比各 API 的监控指标，快速定位性能短板 API。

在 API 详情专栏中，可以查看单个 API 的详细指标，准确定位性能瓶颈。

另外，大盘还提供了施压机的JVM垃圾回收监控指标，可以辅助判断施压机是否是压测链路中的性能瓶颈。

导入步骤如下：

步骤一

在菜单栏，点击 Dashboard 下的 import：

步骤二

填写 PTS Dashboard 的 id：15981

在 Prometheus 选择您已有的数据源，本示例中数据源名为 Prometheus。选中后，单击 Import 导入

步骤三

导入后，在左上角【PTS 压测任务】，选择需要监控的压测任务，即可看到当前监控大盘。

此任务名对应 PTS 控制台在监控导出-Prometheus 配置中的 jobname。

总结

本文阐述了

1. 什么是性能测试可观测
2. 为什么用 Prometheus 做压测性能指标监控
3. 如何使用开源 JMeter 和云上 PTS 实现基于 Prometheus 的压测监控

PTS 压测监控导出 Prometheus 功能，目前免费公测中，欢迎使用。

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相关链接

[1] 测试指标
https://help.aliyun.com/docum...

[2] 压测工具 PTS
https://www.aliyun.com/produc...

[3] 可观测工具 ARMS
https://www.aliyun.com/produc...

[4] 如何将 PTS 压测的指标数据输出到 Prometheus
https://help.aliyun.com/docum...

[5]官方 Grafana 大盘模板
https://grafana.com/grafana/d...