一般来说，我们可以把排查问题的技术分成三层。底下是理论知识，上边是问题模式【注释1】，夹在理论知识和问题模式之间的是工具。而贯穿排查技术的是“用数据说话”。今天这篇文章，跟大家分享一例我与客户"用数据说话"的故事。
“您有问题截图吗？”，“没有，但我能背出来。”
客户直接通过钉钉联系我：“有一个奇葩问题要你看了”。通过简单的沟通，我了解到，客户的业务程序使用一个200G的云盘做数据盘，晚上11点30的时候，业务程序由于不能写入数据而报错。这里关键的问题在于，客户声称当时磁盘并没有用光。
因为踩过不少坑，所以就算是熟客，我还是很专（jing）业（ti）地问了一句，“您有当时问题现场的截图吗？”。客户的回答让我哭笑不得：“没有，但是我能背出来”。接着呢，客户可能觉得口说无凭，就画了下边这张图给我。这里我想说的是，我们平时在跟客户处理问题的时候，总会听到客户各种各样的描述，但是最关键的沟通，还是数据沟通，比如一个报错，或者一个性能截图。然而，客户画一个性能数据给我做，这真的是第一次。
从这张手写的使用情况的截图来看，文件系统vdb1共有197G的可用空间，其中被用掉的空间是186G。这里让人难以理解的地方在于，空间使用率居然已经是100%了。
云盘不是硬盘
要想给客户解释这些“不合理”的数字，我们需要从磁盘的最基本单位说起。不管是云盘，还是传统的硬盘，都是以块为最小单位，进行数据存取的。这一点类似于我们平时读书：数只能一页一页的读，我们只要读到某一页，就能看到一整页的文字。我们没有办法只打开某一行，或者某一个字去读书。一般而言，磁盘块的大小是固定的512个字节。那么，客户购买的200G的云盘，到底是多少个字节呢？
之所以有这个提问，是因为传统的硬件厂商在售卖硬盘的时候，使用的换算单位是1000。也就是说，200G的硬盘应该是200,000,000,000个字节。那么我们卖给客户的200G的云盘，也是这么大吗？其实阿里云在售卖云盘的时候，使用的换算单位是并不是传统的1000，而是1024。有一个简单的办法可以验证这件事情。我们可以读/sys/block/vdb/size文件，得到vdb这个云盘的总块数。以200G云盘为例，我们读到的块数是419430400，每块512字节，那么200G的云盘，实际上是214748364800个字节。【注释2】
分区管理成本
了解了磁盘的最基本单位之后，我们眼中的磁盘，差不多就变成下边这个样子了：一块磁盘由若干个512字节的块组成。
然而，习惯上我们不会直接的，从第一块到最后一块这样去使用磁盘。我们要先对磁盘进行分区。客户的200G数据盘只有一个分区，所以分区之后大概是下边这样的。前边的黑色块是分区管理成本。这部分应该首先从可用空间中减掉。客户的数据盘中，分区管理成本是1M。
文件系统管理成本
分区之后，我们需要在分区之上，创建文件系统。文件系统是我们可以直接使用的存取数据的方式。在分区之上创建文件系统，有点类似于我们拿到一个空白的笔记本，对笔记本的使用做一些简单的规划，其中一部分用来写日记，一部分做计算等，然后根据不同的用途，编写一个目录。这里的“目录”，是文件系统的管理成本。这部分内容，也是需要从可用空间中减掉的。对于Linux文件系统来说，这部分开销最主要是inode结构。如下图，vdb1这个文件系统一共有13107200个inode，每个inode256个字节。那么这部分成本是不能忽略的一部分成本：3.125G。【注释3】
问题重现了一半
减掉分区成本和文件系统成本，200G的云盘，可用的空间就剩下197G了。这与Size的值相匹配。但这显然不能解释，为什么只用掉186G，空间使用率就到100%了。在百思不得其解之后，我决定自己动手试试，看能不能跑出客户看到的问题。我申请了一个云服务器，挂载了一个200G的云盘，然后连续创建1G大小的空白文件。在跑了大概30分钟以后，我看到下边的结果。结果证明，客户当时应该是真的看到了他手写的那个数据。
但是，当我尝试继续往磁盘里写空白文件的时候，我并没有看到客户所说的，磁盘空间不足的报错，直到197G被全部用完为止。
工具df不生产数据
所有的秘密都藏在工具df里。工具df可以用来查看磁盘的容量以及剩余空间，但是就像Linux上很多其他工具一样，df并不会凭空的产生数据。df命令使用系统调用从内核拿到数据，然后加工并把相对可读的信息提供给用户。研究df的行为，我们可以使用strace。用strace追踪df的执行过程，我们发现与磁盘容量相关的数据均来自于系统调用statfs。
下边这条记录，是在重现环境中抓的。我们可以看到，statfs以文件系统挂载路劲为输入，输出一个包含此文件系统统计信息的结构体。
statfs("/mnt", {f_type=EXT2_SUPER_MAGIC, f_bsize=4096, f_blocks=51572986, f_bfree=2557603, f_bavail=0, f_files=13107200, f_ffree=13107176, f_fsid={3186720966, 3846989262}, f_namelen=255, f_frsize=4096, f_flags=ST_VALID|ST_RELATIME}) = 0
在这个结构体中，f_bsize记录的是文件系统的块大小，这个和磁盘块大小是类似的概念。可以看到文件系统的块大小是4K，也就是说，1个文件系统块，需要使用8个磁盘块。f_blocks是文件系统总块数，df输出的文件系统的Size就是从这个值计算而来。
而跟这个“奇葩”问题相关的，是f_bfree和f_bavail这两个值。这两个值从命名来看都可以解释为可用空间，但意义却大不一样。根据定义，f_bfree是文件系统的可用块数，这个值是df输出的Size和Used的差值。而f_bavail，是“非特权”用户的可用块。Linux在创建文件系统的时候，会预留一部分磁盘空间，专门给root使用，默认情况下，这部分空间是磁盘空间的5%。f_bavail记录的是，从非特权用户视角看，磁盘的可用空间。
明白了上边几个数据项的含义之后，这个问题就变得很清楚了。之所以Used才到186G的时候，空间使用率就已经到了100%，是因为df计算使用率，用的是f_bavail，而不是f_bfree。换句话说，df使用的是非特权用户的视角。因为客户业务进程使用的并不是root账户，所以业务进程在使用到186G的时候报出磁盘空间不足的错误就不足为奇了。
大图
最后我们来看一下大图。200G的云盘，分区和文件系统，会用掉3G的管理成本。剩下197G就是df输出的Size值，也就是真正的可用磁盘空间。因为文件系统会预留5%的空间给特权用户使用，这大概是10G，所以对非特权用户来说，可用空间需要再减掉10G，所以大概就剩187G。
后记
在排查问题的过程中，我们必然会用到各种各样的数据和指标，毫不夸张地说，我们分析问题，解决问题的过程，就是收集数据，研究数据，以及使用数据和客户沟通的过程。而基础排查和进阶排查的一个最很重要的区别，就是我们能不能从数据本身出发，一层一层深入到数据产生的源头当中去，深入到加工数据的代码当中去，理解数据产生的原因。以今天这个问题为例，当我们弄清楚磁盘容量这些指标的计算方法之后，这个问题就变得非常的简单，但是，如果我们不能这样一步一步的深入去探究，那么这个问题就是显得奇葩而不可解释。
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注释1：问题模式这个概念和设计模式类似。设计模式是最佳实践，是软件开发领域，典型问题和经典解法的总结。而问题模式，也是类似的概念。当我们处理过大量问题之后，会自然而然的遇到一些典型的重复的场景，当然也会使用一些重复的处理方法。
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注释2：云盘和硬盘换算单位的差别，严格来说，是GiB和GB的差别。云盘使用的是GiB，而硬盘使用的是GB。但是使用中我们比较少对这两者做区分。
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注释3：文件系统还有其他一些管理开销，比如superblock等，因为占比很小，这里忽略掉了。
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