module/zfs/vdev_queue.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 2009 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_impl.h>
  28 #include <sys/vdev_impl.h>
  29 #include <sys/zio.h>
  30 #include <sys/avl.h>
  31
  32 /*
  33  * These tunables are for performance analysis.
  34  */
  35 /*
  36  * zfs_vdev_max_pending is the maximum number of i/os concurrently
  37  * pending to each device.  zfs_vdev_min_pending is the initial number
  38  * of i/os pending to each device (before it starts ramping up to
  39  * max_pending).
  40  */
  41 int zfs_vdev_max_pending = 35;
  42 int zfs_vdev_min_pending = 4;
  43
  44 /* deadline = pri + (lbolt >> time_shift) */
  45 int zfs_vdev_time_shift = 6;
  46
  47 /* exponential I/O issue ramp-up rate */
  48 int zfs_vdev_ramp_rate = 2;
  49
  50 /*
  51  * To reduce IOPs, we aggregate small adjacent I/Os into one large I/O.
  52  * For read I/Os, we also aggregate across small adjacency gaps; for writes
  53  * we include spans of optional I/Os to aid aggregation at the disk even when
  54  * they aren't able to help us aggregate at this level.
  55  */
  56 int zfs_vdev_aggregation_limit = SPA_MAXBLOCKSIZE;
  57 int zfs_vdev_read_gap_limit = 32 << 10;
  58 int zfs_vdev_write_gap_limit = 4 << 10;
  59
  60 /*
  61  * Virtual device vector for disk I/O scheduling.
  62  */
  63 int
  64 vdev_queue_deadline_compare(const void *x1, const void *x2)
  65 {
  66         const zio_t *z1 = x1;
  67         const zio_t *z2 = x2;
  68
  69         if (z1->io_deadline < z2->io_deadline)
  70                 return (-1);
  71         if (z1->io_deadline > z2->io_deadline)
  72                 return (1);
  73
  74         if (z1->io_offset < z2->io_offset)
  75                 return (-1);
  76         if (z1->io_offset > z2->io_offset)
  77                 return (1);
  78
  79         if (z1 < z2)
  80                 return (-1);
  81         if (z1 > z2)
  82                 return (1);
  83
  84         return (0);
  85 }
  86
  87 int
  88 vdev_queue_offset_compare(const void *x1, const void *x2)
  89 {
  90         const zio_t *z1 = x1;
  91         const zio_t *z2 = x2;
  92
  93         if (z1->io_offset < z2->io_offset)
  94                 return (-1);
  95         if (z1->io_offset > z2->io_offset)
  96                 return (1);
  97
  98         if (z1 < z2)
  99                 return (-1);
 100         if (z1 > z2)
 101                 return (1);
 102
 103         return (0);
 104 }
 105
 106 void
 107 vdev_queue_init(vdev_t *vd)
 108 {
 109         vdev_queue_t *vq = &vd->vdev_queue;
 110
 111         mutex_init(&vq->vq_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
 112
 113         avl_create(&vq->vq_deadline_tree, vdev_queue_deadline_compare,
 114             sizeof (zio_t), offsetof(struct zio, io_deadline_node));
 115
 116         avl_create(&vq->vq_read_tree, vdev_queue_offset_compare,
 117             sizeof (zio_t), offsetof(struct zio, io_offset_node));
 118
 119         avl_create(&vq->vq_write_tree, vdev_queue_offset_compare,
 120             sizeof (zio_t), offsetof(struct zio, io_offset_node));
 121
 122         avl_create(&vq->vq_pending_tree, vdev_queue_offset_compare,
 123             sizeof (zio_t), offsetof(struct zio, io_offset_node));
 124 }
 125
 126 void
 127 vdev_queue_fini(vdev_t *vd)
 128 {
 129         vdev_queue_t *vq = &vd->vdev_queue;
 130
 131         avl_destroy(&vq->vq_deadline_tree);
 132         avl_destroy(&vq->vq_read_tree);
 133         avl_destroy(&vq->vq_write_tree);
 134         avl_destroy(&vq->vq_pending_tree);
 135
 136         mutex_destroy(&vq->vq_lock);
 137 }
 138
 139 static void
 140 vdev_queue_io_add(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 141 {
 142         avl_add(&vq->vq_deadline_tree, zio);
 143         avl_add(zio->io_vdev_tree, zio);
 144 }
 145
 146 static void
 147 vdev_queue_io_remove(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 148 {
 149         avl_remove(&vq->vq_deadline_tree, zio);
 150         avl_remove(zio->io_vdev_tree, zio);
 151 }
 152
 153 static void
 154 vdev_queue_agg_io_done(zio_t *aio)
 155 {
 156         zio_t *pio;
 157
 158         while ((pio = zio_walk_parents(aio)) != NULL)
 159                 if (aio->io_type == ZIO_TYPE_READ)
 160                         bcopy((char *)aio->io_data + (pio->io_offset -
 161                             aio->io_offset), pio->io_data, pio->io_size);
 162
 163         zio_buf_free(aio->io_data, aio->io_size);
 164 }
 165
 166 /*
 167  * Compute the range spanned by two i/os, which is the endpoint of the last
 168  * (lio->io_offset + lio->io_size) minus start of the first (fio->io_offset).
 169  * Conveniently, the gap between fio and lio is given by -IO_SPAN(lio, fio);
 170  * thus fio and lio are adjacent if and only if IO_SPAN(lio, fio) == 0.
 171  */
 172 #define IO_SPAN(fio, lio) ((lio)->io_offset + (lio)->io_size - (fio)->io_offset)
 173 #define IO_GAP(fio, lio) (-IO_SPAN(lio, fio))
 174
 175 static zio_t *
 176 vdev_queue_io_to_issue(vdev_queue_t *vq, uint64_t pending_limit)
 177 {
 178         zio_t *fio, *lio, *aio, *dio, *nio, *mio;
 179         avl_tree_t *t;
 180         int flags;
 181         uint64_t maxspan = zfs_vdev_aggregation_limit;
 182         uint64_t maxgap;
 183         int stretch;
 184
 185 again:
 186         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 187
 188         if (avl_numnodes(&vq->vq_pending_tree) >= pending_limit ||
 189             avl_numnodes(&vq->vq_deadline_tree) == 0)
 190                 return (NULL);
 191
 192         fio = lio = avl_first(&vq->vq_deadline_tree);
 193
 194         t = fio->io_vdev_tree;
 195         flags = fio->io_flags & ZIO_FLAG_AGG_INHERIT;
 196         maxgap = (t == &vq->vq_read_tree) ? zfs_vdev_read_gap_limit : 0;
 197
 198         if (!(flags & ZIO_FLAG_DONT_AGGREGATE)) {
 199                 /*
 200                  * We can aggregate I/Os that are sufficiently adjacent and of
 201                  * the same flavor, as expressed by the AGG_INHERIT flags.
 202                  * The latter requirement is necessary so that certain
 203                  * attributes of the I/O, such as whether it's a normal I/O
 204                  * or a scrub/resilver, can be preserved in the aggregate.
 205                  * We can include optional I/Os, but don't allow them
 206                  * to begin a range as they add no benefit in that situation.
 207                  */
 208
 209                 /*
 210                  * We keep track of the last non-optional I/O.
 211                  */
 212                 mio = (fio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL) ? NULL : fio;
 213
 214                 /*
 215                  * Walk backwards through sufficiently contiguous I/Os
 216                  * recording the last non-option I/O.
 217                  */
 218                 while ((dio = AVL_PREV(t, fio)) != NULL &&
 219                     (dio->io_flags & ZIO_FLAG_AGG_INHERIT) == flags &&
 220                     IO_SPAN(dio, lio) <= maxspan &&
 221                     IO_GAP(dio, fio) <= maxgap) {
 222                         fio = dio;
 223                         if (mio == NULL && !(fio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL))
 224                                 mio = fio;
 225                 }
 226
 227                 /*
 228                  * Skip any initial optional I/Os.
 229                  */
 230                 while ((fio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL) && fio != lio) {
 231                         fio = AVL_NEXT(t, fio);
 232                         ASSERT(fio != NULL);
 233                 }
 234
 235                 /*
 236                  * Walk forward through sufficiently contiguous I/Os.
 237                  */
 238                 while ((dio = AVL_NEXT(t, lio)) != NULL &&
 239                     (dio->io_flags & ZIO_FLAG_AGG_INHERIT) == flags &&
 240                     IO_SPAN(fio, dio) <= maxspan &&
 241                     IO_GAP(lio, dio) <= maxgap) {
 242                         lio = dio;
 243                         if (!(lio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL))
 244                                 mio = lio;
 245                 }
 246
 247                 /*
 248                  * Now that we've established the range of the I/O aggregation
 249                  * we must decide what to do with trailing optional I/Os.
 250                  * For reads, there's nothing to do. While we are unable to
 251                  * aggregate further, it's possible that a trailing optional
 252                  * I/O would allow the underlying device to aggregate with
 253                  * subsequent I/Os. We must therefore determine if the next
 254                  * non-optional I/O is close enough to make aggregation
 255                  * worthwhile.
 256                  */
 257                 stretch = B_FALSE;
 258                 if (t != &vq->vq_read_tree && mio != NULL) {
 259                         nio = lio;
 260                         while ((dio = AVL_NEXT(t, nio)) != NULL &&
 261                             IO_GAP(nio, dio) == 0 &&
 262                             IO_GAP(mio, dio) <= zfs_vdev_write_gap_limit) {
 263                                 nio = dio;
 264                                 if (!(nio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL)) {
 265                                         stretch = B_TRUE;
 266                                         break;
 267                                 }
 268                         }
 269                 }
 270
 271                 if (stretch) {
 272                         /* This may be a no-op. */
 273                         VERIFY((dio = AVL_NEXT(t, lio)) != NULL);
 274                         dio->io_flags &= ~ZIO_FLAG_OPTIONAL;
 275                 } else {
 276                         while (lio != mio && lio != fio) {
 277                                 ASSERT(lio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL);
 278                                 lio = AVL_PREV(t, lio);
 279                                 ASSERT(lio != NULL);
 280                         }
 281                 }
 282         }
 283
 284         if (fio != lio) {
 285                 uint64_t size = IO_SPAN(fio, lio);
 286                 ASSERT(size <= zfs_vdev_aggregation_limit);
 287
 288                 aio = zio_vdev_delegated_io(fio->io_vd, fio->io_offset,
 289                     zio_buf_alloc(size), size, fio->io_type, ZIO_PRIORITY_NOW,
 290                     flags | ZIO_FLAG_DONT_CACHE | ZIO_FLAG_DONT_QUEUE,
 291                     vdev_queue_agg_io_done, NULL);
 292
 293                 nio = fio;
 294                 do {
 295                         dio = nio;
 296                         nio = AVL_NEXT(t, dio);
 297                         ASSERT(dio->io_type == aio->io_type);
 298                         ASSERT(dio->io_vdev_tree == t);
 299
 300                         if (dio->io_flags & ZIO_FLAG_NODATA) {
 301                                 ASSERT(dio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE);
 302                                 bzero((char *)aio->io_data + (dio->io_offset -
 303                                     aio->io_offset), dio->io_size);
 304                         } else if (dio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE) {
 305                                 bcopy(dio->io_data, (char *)aio->io_data +
 306                                     (dio->io_offset - aio->io_offset),
 307                                     dio->io_size);
 308                         }
 309
 310                         zio_add_child(dio, aio);
 311                         vdev_queue_io_remove(vq, dio);
 312                         zio_vdev_io_bypass(dio);
 313                         zio_execute(dio);
 314                 } while (dio != lio);
 315
 316                 avl_add(&vq->vq_pending_tree, aio);
 317
 318                 return (aio);
 319         }
 320
 321         ASSERT(fio->io_vdev_tree == t);
 322         vdev_queue_io_remove(vq, fio);
 323
 324         /*
 325          * If the I/O is or was optional and therefore has no data, we need to
 326          * simply discard it. We need to drop the vdev queue's lock to avoid a
 327          * deadlock that we could encounter since this I/O will complete
 328          * immediately.
 329          */
 330         if (fio->io_flags & ZIO_FLAG_NODATA) {
 331                 mutex_exit(&vq->vq_lock);
 332                 zio_vdev_io_bypass(fio);
 333                 zio_execute(fio);
 334                 mutex_enter(&vq->vq_lock);
 335                 goto again;
 336         }
 337
 338         avl_add(&vq->vq_pending_tree, fio);
 339
 340         return (fio);
 341 }
 342
 343 zio_t *
 344 vdev_queue_io(zio_t *zio)
 345 {
 346         vdev_queue_t *vq = &zio->io_vd->vdev_queue;
 347         zio_t *nio;
 348
 349         ASSERT(zio->io_type == ZIO_TYPE_READ || zio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE);
 350
 351         if (zio->io_flags & ZIO_FLAG_DONT_QUEUE)
 352                 return (zio);
 353
 354         zio->io_flags |= ZIO_FLAG_DONT_CACHE | ZIO_FLAG_DONT_QUEUE;
 355
 356         if (zio->io_type == ZIO_TYPE_READ)
 357                 zio->io_vdev_tree = &vq->vq_read_tree;
 358         else
 359                 zio->io_vdev_tree = &vq->vq_write_tree;
 360
 361         mutex_enter(&vq->vq_lock);
 362
 363         zio->io_deadline = (lbolt64 >> zfs_vdev_time_shift) + zio->io_priority;
 364
 365         vdev_queue_io_add(vq, zio);
 366
 367         nio = vdev_queue_io_to_issue(vq, zfs_vdev_min_pending);
 368
 369         mutex_exit(&vq->vq_lock);
 370
 371         if (nio == NULL)
 372                 return (NULL);
 373
 374         if (nio->io_done == vdev_queue_agg_io_done) {
 375                 zio_nowait(nio);
 376                 return (NULL);
 377         }
 378
 379         return (nio);
 380 }
 381
 382 void
 383 vdev_queue_io_done(zio_t *zio)
 384 {
 385         vdev_queue_t *vq = &zio->io_vd->vdev_queue;
 386
 387         mutex_enter(&vq->vq_lock);
 388
 389         avl_remove(&vq->vq_pending_tree, zio);
 390
 391         for (int i = 0; i < zfs_vdev_ramp_rate; i++) {
 392                 zio_t *nio = vdev_queue_io_to_issue(vq, zfs_vdev_max_pending);
 393                 if (nio == NULL)
 394                         break;
 395                 mutex_exit(&vq->vq_lock);
 396                 if (nio->io_done == vdev_queue_agg_io_done) {
 397                         zio_nowait(nio);
 398                 } else {
 399                         zio_vdev_io_reissue(nio);
 400                         zio_execute(nio);
 401                 }
 402                 mutex_enter(&vq->vq_lock);
 403         }
 404
 405         mutex_exit(&vq->vq_lock);
 406 }