module/zfs/vdev_cache.c

   1 /*
   2  * CDDL HEADER START
   3  *
   4  * The contents of this file are subject to the terms of the
   5  * Common Development and Distribution License (the "License").
   6  * You may not use this file except in compliance with the License.
   7  *
   8  * You can obtain a copy of the license at usr/src/OPENSOLARIS.LICENSE
   9  * or http://www.opensolaris.org/os/licensing.
  10  * See the License for the specific language governing permissions
  11  * and limitations under the License.
  12  *
  13  * When distributing Covered Code, include this CDDL HEADER in each
  14  * file and include the License file at usr/src/OPENSOLARIS.LICENSE.
  15  * If applicable, add the following below this CDDL HEADER, with the
  16  * fields enclosed by brackets "[]" replaced with your own identifying
  17  * information: Portions Copyright [yyyy] [name of copyright owner]
  18  *
  19  * CDDL HEADER END
  20  */
  21 /*
  22  * Copyright 2008 Sun Microsystems, Inc.  All rights reserved.
  23  * Use is subject to license terms.
  24  */
  25
  26 #include <sys/zfs_context.h>
  27 #include <sys/spa.h>
  28 #include <sys/vdev_impl.h>
  29 #include <sys/zio.h>
  30 #include <sys/kstat.h>
  31
  32 /*
  33  * Virtual device read-ahead caching.
  34  *
  35  * This file implements a simple LRU read-ahead cache.  When the DMU reads
  36  * a given block, it will often want other, nearby blocks soon thereafter.
  37  * We take advantage of this by reading a larger disk region and caching
  38  * the result.  In the best case, this can turn 128 back-to-back 512-byte
  39  * reads into a single 64k read followed by 127 cache hits; this reduces
  40  * latency dramatically.  In the worst case, it can turn an isolated 512-byte
  41  * read into a 64k read, which doesn't affect latency all that much but is
  42  * terribly wasteful of bandwidth.  A more intelligent version of the cache
  43  * could keep track of access patterns and not do read-ahead unless it sees
  44  * at least two temporally close I/Os to the same region.  Currently, only
  45  * metadata I/O is inflated.  A futher enhancement could take advantage of
  46  * more semantic information about the I/O.  And it could use something
  47  * faster than an AVL tree; that was chosen solely for convenience.
  48  *
  49  * There are five cache operations: allocate, fill, read, write, evict.
  50  *
  51  * (1) Allocate.  This reserves a cache entry for the specified region.
  52  *     We separate the allocate and fill operations so that multiple threads
  53  *     don't generate I/O for the same cache miss.
  54  *
  55  * (2) Fill.  When the I/O for a cache miss completes, the fill routine
  56  *     places the data in the previously allocated cache entry.
  57  *
  58  * (3) Read.  Read data from the cache.
  59  *
  60  * (4) Write.  Update cache contents after write completion.
  61  *
  62  * (5) Evict.  When allocating a new entry, we evict the oldest (LRU) entry
  63  *     if the total cache size exceeds zfs_vdev_cache_size.
  64  */
  65
  66 /*
  67  * These tunables are for performance analysis.
  68  */
  69 /*
  70  * All i/os smaller than zfs_vdev_cache_max will be turned into
  71  * 1<<zfs_vdev_cache_bshift byte reads by the vdev_cache (aka software
  72  * track buffer).  At most zfs_vdev_cache_size bytes will be kept in each
  73  * vdev's vdev_cache.
  74  */
  75 int zfs_vdev_cache_max = 1<<14;                 /* 16KB */
  76 int zfs_vdev_cache_size = 10ULL << 20;          /* 10MB */
  77 int zfs_vdev_cache_bshift = 16;
  78
  79 #define VCBS (1 << zfs_vdev_cache_bshift)       /* 64KB */
  80
  81 kstat_t *vdc_ksp = NULL;
  82
  83 typedef struct vdc_stats {
  84         kstat_named_t vdc_stat_delegations;
  85         kstat_named_t vdc_stat_hits;
  86         kstat_named_t vdc_stat_misses;
  87 } vdc_stats_t;
  88
  89 static vdc_stats_t vdc_stats = {
  90         { "delegations",        KSTAT_DATA_UINT64 },
  91         { "hits",               KSTAT_DATA_UINT64 },
  92         { "misses",             KSTAT_DATA_UINT64 }
  93 };
  94
  95 #define VDCSTAT_BUMP(stat)      atomic_add_64(&vdc_stats.stat.value.ui64, 1);
  96
  97 static int
  98 vdev_cache_offset_compare(const void *a1, const void *a2)
  99 {
 100         const vdev_cache_entry_t *ve1 = a1;
 101         const vdev_cache_entry_t *ve2 = a2;
 102
 103         if (ve1->ve_offset < ve2->ve_offset)
 104                 return (-1);
 105         if (ve1->ve_offset > ve2->ve_offset)
 106                 return (1);
 107         return (0);
 108 }
 109
 110 static int
 111 vdev_cache_lastused_compare(const void *a1, const void *a2)
 112 {
 113         const vdev_cache_entry_t *ve1 = a1;
 114         const vdev_cache_entry_t *ve2 = a2;
 115
 116         if (ve1->ve_lastused < ve2->ve_lastused)
 117                 return (-1);
 118         if (ve1->ve_lastused > ve2->ve_lastused)
 119                 return (1);
 120
 121         /*
 122          * Among equally old entries, sort by offset to ensure uniqueness.
 123          */
 124         return (vdev_cache_offset_compare(a1, a2));
 125 }
 126
 127 /*
 128  * Evict the specified entry from the cache.
 129  */
 130 static void
 131 vdev_cache_evict(vdev_cache_t *vc, vdev_cache_entry_t *ve)
 132 {
 133         ASSERT(MUTEX_HELD(&vc->vc_lock));
 134         ASSERT(ve->ve_fill_io == NULL);
 135         ASSERT(ve->ve_data != NULL);
 136
 137         avl_remove(&vc->vc_lastused_tree, ve);
 138         avl_remove(&vc->vc_offset_tree, ve);
 139         zio_buf_free(ve->ve_data, VCBS);
 140         kmem_free(ve, sizeof (vdev_cache_entry_t));
 141 }
 142
 143 /*
 144  * Allocate an entry in the cache.  At the point we don't have the data,
 145  * we're just creating a placeholder so that multiple threads don't all
 146  * go off and read the same blocks.
 147  */
 148 static vdev_cache_entry_t *
 149 vdev_cache_allocate(zio_t *zio)
 150 {
 151         vdev_cache_t *vc = &zio->io_vd->vdev_cache;
 152         uint64_t offset = P2ALIGN(zio->io_offset, VCBS);
 153         vdev_cache_entry_t *ve;
 154
 155         ASSERT(MUTEX_HELD(&vc->vc_lock));
 156
 157         if (zfs_vdev_cache_size == 0)
 158                 return (NULL);
 159
 160         /*
 161          * If adding a new entry would exceed the cache size,
 162          * evict the oldest entry (LRU).
 163          */
 164         if ((avl_numnodes(&vc->vc_lastused_tree) << zfs_vdev_cache_bshift) >
 165             zfs_vdev_cache_size) {
 166                 ve = avl_first(&vc->vc_lastused_tree);
 167                 if (ve->ve_fill_io != NULL)
 168                         return (NULL);
 169                 ASSERT(ve->ve_hits != 0);
 170                 vdev_cache_evict(vc, ve);
 171         }
 172
 173         ve = kmem_zalloc(sizeof (vdev_cache_entry_t), KM_SLEEP);
 174         ve->ve_offset = offset;
 175         ve->ve_lastused = lbolt;
 176         ve->ve_data = zio_buf_alloc(VCBS);
 177
 178         avl_add(&vc->vc_offset_tree, ve);
 179         avl_add(&vc->vc_lastused_tree, ve);
 180
 181         return (ve);
 182 }
 183
 184 static void
 185 vdev_cache_hit(vdev_cache_t *vc, vdev_cache_entry_t *ve, zio_t *zio)
 186 {
 187         uint64_t cache_phase = P2PHASE(zio->io_offset, VCBS);
 188
 189         ASSERT(MUTEX_HELD(&vc->vc_lock));
 190         ASSERT(ve->ve_fill_io == NULL);
 191
 192         if (ve->ve_lastused != lbolt) {
 193                 avl_remove(&vc->vc_lastused_tree, ve);
 194                 ve->ve_lastused = lbolt;
 195                 avl_add(&vc->vc_lastused_tree, ve);
 196         }
 197
 198         ve->ve_hits++;
 199         bcopy(ve->ve_data + cache_phase, zio->io_data, zio->io_size);
 200 }
 201
 202 /*
 203  * Fill a previously allocated cache entry with data.
 204  */
 205 static void
 206 vdev_cache_fill(zio_t *zio)
 207 {
 208         vdev_t *vd = zio->io_vd;
 209         vdev_cache_t *vc = &vd->vdev_cache;
 210         vdev_cache_entry_t *ve = zio->io_private;
 211         zio_t *dio;
 212
 213         ASSERT(zio->io_size == VCBS);
 214
 215         /*
 216          * Add data to the cache.
 217          */
 218         mutex_enter(&vc->vc_lock);
 219
 220         ASSERT(ve->ve_fill_io == zio);
 221         ASSERT(ve->ve_offset == zio->io_offset);
 222         ASSERT(ve->ve_data == zio->io_data);
 223
 224         ve->ve_fill_io = NULL;
 225
 226         /*
 227          * Even if this cache line was invalidated by a missed write update,
 228          * any reads that were queued up before the missed update are still
 229          * valid, so we can satisfy them from this line before we evict it.
 230          */
 231         for (dio = zio->io_delegate_list; dio; dio = dio->io_delegate_next)
 232                 vdev_cache_hit(vc, ve, dio);
 233
 234         if (zio->io_error || ve->ve_missed_update)
 235                 vdev_cache_evict(vc, ve);
 236
 237         mutex_exit(&vc->vc_lock);
 238
 239         while ((dio = zio->io_delegate_list) != NULL) {
 240                 zio->io_delegate_list = dio->io_delegate_next;
 241                 dio->io_delegate_next = NULL;
 242                 dio->io_error = zio->io_error;
 243                 zio_execute(dio);
 244         }
 245 }
 246
 247 /*
 248  * Read data from the cache.  Returns 0 on cache hit, errno on a miss.
 249  */
 250 int
 251 vdev_cache_read(zio_t *zio)
 252 {
 253         vdev_cache_t *vc = &zio->io_vd->vdev_cache;
 254         vdev_cache_entry_t *ve, ve_search;
 255         uint64_t cache_offset = P2ALIGN(zio->io_offset, VCBS);
 256         uint64_t cache_phase = P2PHASE(zio->io_offset, VCBS);
 257         zio_t *fio;
 258
 259         ASSERT(zio->io_type == ZIO_TYPE_READ);
 260
 261         if (zio->io_flags & ZIO_FLAG_DONT_CACHE)
 262                 return (EINVAL);
 263
 264         if (zio->io_size > zfs_vdev_cache_max)
 265                 return (EOVERFLOW);
 266
 267         /*
 268          * If the I/O straddles two or more cache blocks, don't cache it.
 269          */
 270         if (P2BOUNDARY(zio->io_offset, zio->io_size, VCBS))
 271                 return (EXDEV);
 272
 273         ASSERT(cache_phase + zio->io_size <= VCBS);
 274
 275         mutex_enter(&vc->vc_lock);
 276
 277         ve_search.ve_offset = cache_offset;
 278         ve = avl_find(&vc->vc_offset_tree, &ve_search, NULL);
 279
 280         if (ve != NULL) {
 281                 if (ve->ve_missed_update) {
 282                         mutex_exit(&vc->vc_lock);
 283                         return (ESTALE);
 284                 }
 285
 286                 if ((fio = ve->ve_fill_io) != NULL) {
 287                         zio->io_delegate_next = fio->io_delegate_list;
 288                         fio->io_delegate_list = zio;
 289                         zio_vdev_io_bypass(zio);
 290                         mutex_exit(&vc->vc_lock);
 291                         VDCSTAT_BUMP(vdc_stat_delegations);
 292                         return (0);
 293                 }
 294
 295                 vdev_cache_hit(vc, ve, zio);
 296                 zio_vdev_io_bypass(zio);
 297
 298                 mutex_exit(&vc->vc_lock);
 299                 zio_execute(zio);
 300                 VDCSTAT_BUMP(vdc_stat_hits);
 301                 return (0);
 302         }
 303
 304         ve = vdev_cache_allocate(zio);
 305
 306         if (ve == NULL) {
 307                 mutex_exit(&vc->vc_lock);
 308                 return (ENOMEM);
 309         }
 310
 311         fio = zio_vdev_delegated_io(zio->io_vd, cache_offset,
 312             ve->ve_data, VCBS, ZIO_TYPE_READ, ZIO_PRIORITY_CACHE_FILL,
 313             ZIO_FLAG_DONT_CACHE, vdev_cache_fill, ve);
 314
 315         ve->ve_fill_io = fio;
 316         fio->io_delegate_list = zio;
 317         zio_vdev_io_bypass(zio);
 318
 319         mutex_exit(&vc->vc_lock);
 320         zio_nowait(fio);
 321         VDCSTAT_BUMP(vdc_stat_misses);
 322
 323         return (0);
 324 }
 325
 326 /*
 327  * Update cache contents upon write completion.
 328  */
 329 void
 330 vdev_cache_write(zio_t *zio)
 331 {
 332         vdev_cache_t *vc = &zio->io_vd->vdev_cache;
 333         vdev_cache_entry_t *ve, ve_search;
 334         uint64_t io_start = zio->io_offset;
 335         uint64_t io_end = io_start + zio->io_size;
 336         uint64_t min_offset = P2ALIGN(io_start, VCBS);
 337         uint64_t max_offset = P2ROUNDUP(io_end, VCBS);
 338         avl_index_t where;
 339
 340         ASSERT(zio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE);
 341
 342         mutex_enter(&vc->vc_lock);
 343
 344         ve_search.ve_offset = min_offset;
 345         ve = avl_find(&vc->vc_offset_tree, &ve_search, &where);
 346
 347         if (ve == NULL)
 348                 ve = avl_nearest(&vc->vc_offset_tree, where, AVL_AFTER);
 349
 350         while (ve != NULL && ve->ve_offset < max_offset) {
 351                 uint64_t start = MAX(ve->ve_offset, io_start);
 352                 uint64_t end = MIN(ve->ve_offset + VCBS, io_end);
 353
 354                 if (ve->ve_fill_io != NULL) {
 355                         ve->ve_missed_update = 1;
 356                 } else {
 357                         bcopy((char *)zio->io_data + start - io_start,
 358                             ve->ve_data + start - ve->ve_offset, end - start);
 359                 }
 360                 ve = AVL_NEXT(&vc->vc_offset_tree, ve);
 361         }
 362         mutex_exit(&vc->vc_lock);
 363 }
 364
 365 void
 366 vdev_cache_purge(vdev_t *vd)
 367 {
 368         vdev_cache_t *vc = &vd->vdev_cache;
 369         vdev_cache_entry_t *ve;
 370
 371         mutex_enter(&vc->vc_lock);
 372         while ((ve = avl_first(&vc->vc_offset_tree)) != NULL)
 373                 vdev_cache_evict(vc, ve);
 374         mutex_exit(&vc->vc_lock);
 375 }
 376
 377 void
 378 vdev_cache_init(vdev_t *vd)
 379 {
 380         vdev_cache_t *vc = &vd->vdev_cache;
 381
 382         mutex_init(&vc->vc_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
 383
 384         avl_create(&vc->vc_offset_tree, vdev_cache_offset_compare,
 385             sizeof (vdev_cache_entry_t),
 386             offsetof(struct vdev_cache_entry, ve_offset_node));
 387
 388         avl_create(&vc->vc_lastused_tree, vdev_cache_lastused_compare,
 389             sizeof (vdev_cache_entry_t),
 390             offsetof(struct vdev_cache_entry, ve_lastused_node));
 391 }
 392
 393 void
 394 vdev_cache_fini(vdev_t *vd)
 395 {
 396         vdev_cache_t *vc = &vd->vdev_cache;
 397
 398         vdev_cache_purge(vd);
 399
 400         avl_destroy(&vc->vc_offset_tree);
 401         avl_destroy(&vc->vc_lastused_tree);
 402
 403         mutex_destroy(&vc->vc_lock);
 404 }
 405
 406 void
 407 vdev_cache_stat_init(void)
 408 {
 409         vdc_ksp = kstat_create("zfs", 0, "vdev_cache_stats", "misc",
 410             KSTAT_TYPE_NAMED, sizeof (vdc_stats) / sizeof (kstat_named_t),
 411             KSTAT_FLAG_VIRTUAL);
 412         if (vdc_ksp != NULL) {
 413                 vdc_ksp->ks_data = &vdc_stats;
 414                 kstat_install(vdc_ksp);
 415         }
 416 }
 417
 418 void
 419 vdev_cache_stat_fini(void)
 420 {
 421         if (vdc_ksp != NULL) {
 422                 kstat_delete(vdc_ksp);
 423                 vdc_ksp = NULL;
 424         }
 425 }