module/zfs/metaslab.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 (c) 2005, 2010, Oracle and/or its affiliates. All rights reserved.
  23  * Copyright (c) 2012 by Delphix. All rights reserved.
  24  */
  25
  26 #include <sys/zfs_context.h>
  27 #include <sys/dmu.h>
  28 #include <sys/dmu_tx.h>
  29 #include <sys/space_map.h>
  30 #include <sys/metaslab_impl.h>
  31 #include <sys/vdev_impl.h>
  32 #include <sys/zio.h>
  33
  34 #define WITH_DF_BLOCK_ALLOCATOR
  35
  36 /*
  37  * Allow allocations to switch to gang blocks quickly. We do this to
  38  * avoid having to load lots of space_maps in a given txg. There are,
  39  * however, some cases where we want to avoid "fast" ganging and instead
  40  * we want to do an exhaustive search of all metaslabs on this device.
  41  * Currently we don't allow any gang, zil, or dump device related allocations
  42  * to "fast" gang.
  43  */
  44 #define CAN_FASTGANG(flags) \
  45         (!((flags) & (METASLAB_GANG_CHILD | METASLAB_GANG_HEADER | \
  46         METASLAB_GANG_AVOID)))
  47
  48 uint64_t metaslab_aliquot = 512ULL << 10;
  49 uint64_t metaslab_gang_bang = SPA_MAXBLOCKSIZE + 1;     /* force gang blocks */
  50
  51 /*
  52  * This value defines the number of allowed allocation failures per vdev.
  53  * If a device reaches this threshold in a given txg then we consider skipping
  54  * allocations on that device.
  55  */
  56 int zfs_mg_alloc_failures;
  57
  58 /*
  59  * Metaslab debugging: when set, keeps all space maps in core to verify frees.
  60  */
  61 int metaslab_debug = 0;
  62
  63 /*
  64  * Minimum size which forces the dynamic allocator to change
  65  * it's allocation strategy.  Once the space map cannot satisfy
  66  * an allocation of this size then it switches to using more
  67  * aggressive strategy (i.e search by size rather than offset).
  68  */
  69 uint64_t metaslab_df_alloc_threshold = SPA_MAXBLOCKSIZE;
  70
  71 /*
  72  * The minimum free space, in percent, which must be available
  73  * in a space map to continue allocations in a first-fit fashion.
  74  * Once the space_map's free space drops below this level we dynamically
  75  * switch to using best-fit allocations.
  76  */
  77 int metaslab_df_free_pct = 4;
  78
  79 /*
  80  * A metaslab is considered "free" if it contains a contiguous
  81  * segment which is greater than metaslab_min_alloc_size.
  82  */
  83 uint64_t metaslab_min_alloc_size = DMU_MAX_ACCESS;
  84
  85 /*
  86  * Max number of space_maps to prefetch.
  87  */
  88 int metaslab_prefetch_limit = SPA_DVAS_PER_BP;
  89
  90 /*
  91  * Percentage bonus multiplier for metaslabs that are in the bonus area.
  92  */
  93 int metaslab_smo_bonus_pct = 150;
  94
  95 /*
  96  * ==========================================================================
  97  * Metaslab classes
  98  * ==========================================================================
  99  */
 100 metaslab_class_t *
 101 metaslab_class_create(spa_t *spa, space_map_ops_t *ops)
 102 {
 103         metaslab_class_t *mc;
 104
 105         mc = kmem_zalloc(sizeof (metaslab_class_t), KM_PUSHPAGE);
 106
 107         mc->mc_spa = spa;
 108         mc->mc_rotor = NULL;
 109         mc->mc_ops = ops;
 110         mutex_init(&mc->mc_fastwrite_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
 111
 112         return (mc);
 113 }
 114
 115 void
 116 metaslab_class_destroy(metaslab_class_t *mc)
 117 {
 118         ASSERT(mc->mc_rotor == NULL);
 119         ASSERT(mc->mc_alloc == 0);
 120         ASSERT(mc->mc_deferred == 0);
 121         ASSERT(mc->mc_space == 0);
 122         ASSERT(mc->mc_dspace == 0);
 123
 124         mutex_destroy(&mc->mc_fastwrite_lock);
 125         kmem_free(mc, sizeof (metaslab_class_t));
 126 }
 127
 128 int
 129 metaslab_class_validate(metaslab_class_t *mc)
 130 {
 131         metaslab_group_t *mg;
 132         vdev_t *vd;
 133
 134         /*
 135          * Must hold one of the spa_config locks.
 136          */
 137         ASSERT(spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALL, RW_READER) ||
 138             spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALL, RW_WRITER));
 139
 140         if ((mg = mc->mc_rotor) == NULL)
 141                 return (0);
 142
 143         do {
 144                 vd = mg->mg_vd;
 145                 ASSERT(vd->vdev_mg != NULL);
 146                 ASSERT3P(vd->vdev_top, ==, vd);
 147                 ASSERT3P(mg->mg_class, ==, mc);
 148                 ASSERT3P(vd->vdev_ops, !=, &vdev_hole_ops);
 149         } while ((mg = mg->mg_next) != mc->mc_rotor);
 150
 151         return (0);
 152 }
 153
 154 void
 155 metaslab_class_space_update(metaslab_class_t *mc, int64_t alloc_delta,
 156     int64_t defer_delta, int64_t space_delta, int64_t dspace_delta)
 157 {
 158         atomic_add_64(&mc->mc_alloc, alloc_delta);
 159         atomic_add_64(&mc->mc_deferred, defer_delta);
 160         atomic_add_64(&mc->mc_space, space_delta);
 161         atomic_add_64(&mc->mc_dspace, dspace_delta);
 162 }
 163
 164 uint64_t
 165 metaslab_class_get_alloc(metaslab_class_t *mc)
 166 {
 167         return (mc->mc_alloc);
 168 }
 169
 170 uint64_t
 171 metaslab_class_get_deferred(metaslab_class_t *mc)
 172 {
 173         return (mc->mc_deferred);
 174 }
 175
 176 uint64_t
 177 metaslab_class_get_space(metaslab_class_t *mc)
 178 {
 179         return (mc->mc_space);
 180 }
 181
 182 uint64_t
 183 metaslab_class_get_dspace(metaslab_class_t *mc)
 184 {
 185         return (spa_deflate(mc->mc_spa) ? mc->mc_dspace : mc->mc_space);
 186 }
 187
 188 /*
 189  * ==========================================================================
 190  * Metaslab groups
 191  * ==========================================================================
 192  */
 193 static int
 194 metaslab_compare(const void *x1, const void *x2)
 195 {
 196         const metaslab_t *m1 = x1;
 197         const metaslab_t *m2 = x2;
 198
 199         if (m1->ms_weight < m2->ms_weight)
 200                 return (1);
 201         if (m1->ms_weight > m2->ms_weight)
 202                 return (-1);
 203
 204         /*
 205          * If the weights are identical, use the offset to force uniqueness.
 206          */
 207         if (m1->ms_map.sm_start < m2->ms_map.sm_start)
 208                 return (-1);
 209         if (m1->ms_map.sm_start > m2->ms_map.sm_start)
 210                 return (1);
 211
 212         ASSERT3P(m1, ==, m2);
 213
 214         return (0);
 215 }
 216
 217 metaslab_group_t *
 218 metaslab_group_create(metaslab_class_t *mc, vdev_t *vd)
 219 {
 220         metaslab_group_t *mg;
 221
 222         mg = kmem_zalloc(sizeof (metaslab_group_t), KM_PUSHPAGE);
 223         mutex_init(&mg->mg_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
 224         avl_create(&mg->mg_metaslab_tree, metaslab_compare,
 225             sizeof (metaslab_t), offsetof(struct metaslab, ms_group_node));
 226         mg->mg_vd = vd;
 227         mg->mg_class = mc;
 228         mg->mg_activation_count = 0;
 229
 230         return (mg);
 231 }
 232
 233 void
 234 metaslab_group_destroy(metaslab_group_t *mg)
 235 {
 236         ASSERT(mg->mg_prev == NULL);
 237         ASSERT(mg->mg_next == NULL);
 238         /*
 239          * We may have gone below zero with the activation count
 240          * either because we never activated in the first place or
 241          * because we're done, and possibly removing the vdev.
 242          */
 243         ASSERT(mg->mg_activation_count <= 0);
 244
 245         avl_destroy(&mg->mg_metaslab_tree);
 246         mutex_destroy(&mg->mg_lock);
 247         kmem_free(mg, sizeof (metaslab_group_t));
 248 }
 249
 250 void
 251 metaslab_group_activate(metaslab_group_t *mg)
 252 {
 253         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
 254         metaslab_group_t *mgprev, *mgnext;
 255
 256         ASSERT(spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALLOC, RW_WRITER));
 257
 258         ASSERT(mc->mc_rotor != mg);
 259         ASSERT(mg->mg_prev == NULL);
 260         ASSERT(mg->mg_next == NULL);
 261         ASSERT(mg->mg_activation_count <= 0);
 262
 263         if (++mg->mg_activation_count <= 0)
 264                 return;
 265
 266         mg->mg_aliquot = metaslab_aliquot * MAX(1, mg->mg_vd->vdev_children);
 267
 268         if ((mgprev = mc->mc_rotor) == NULL) {
 269                 mg->mg_prev = mg;
 270                 mg->mg_next = mg;
 271         } else {
 272                 mgnext = mgprev->mg_next;
 273                 mg->mg_prev = mgprev;
 274                 mg->mg_next = mgnext;
 275                 mgprev->mg_next = mg;
 276                 mgnext->mg_prev = mg;
 277         }
 278         mc->mc_rotor = mg;
 279 }
 280
 281 void
 282 metaslab_group_passivate(metaslab_group_t *mg)
 283 {
 284         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
 285         metaslab_group_t *mgprev, *mgnext;
 286
 287         ASSERT(spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALLOC, RW_WRITER));
 288
 289         if (--mg->mg_activation_count != 0) {
 290                 ASSERT(mc->mc_rotor != mg);
 291                 ASSERT(mg->mg_prev == NULL);
 292                 ASSERT(mg->mg_next == NULL);
 293                 ASSERT(mg->mg_activation_count < 0);
 294                 return;
 295         }
 296
 297         mgprev = mg->mg_prev;
 298         mgnext = mg->mg_next;
 299
 300         if (mg == mgnext) {
 301                 mc->mc_rotor = NULL;
 302         } else {
 303                 mc->mc_rotor = mgnext;
 304                 mgprev->mg_next = mgnext;
 305                 mgnext->mg_prev = mgprev;
 306         }
 307
 308         mg->mg_prev = NULL;
 309         mg->mg_next = NULL;
 310 }
 311
 312 static void
 313 metaslab_group_add(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
 314 {
 315         mutex_enter(&mg->mg_lock);
 316         ASSERT(msp->ms_group == NULL);
 317         msp->ms_group = mg;
 318         msp->ms_weight = 0;
 319         avl_add(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
 320         mutex_exit(&mg->mg_lock);
 321 }
 322
 323 static void
 324 metaslab_group_remove(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
 325 {
 326         mutex_enter(&mg->mg_lock);
 327         ASSERT(msp->ms_group == mg);
 328         avl_remove(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
 329         msp->ms_group = NULL;
 330         mutex_exit(&mg->mg_lock);
 331 }
 332
 333 static void
 334 metaslab_group_sort(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp, uint64_t weight)
 335 {
 336         /*
 337          * Although in principle the weight can be any value, in
 338          * practice we do not use values in the range [1, 510].
 339          */
 340         ASSERT(weight >= SPA_MINBLOCKSIZE-1 || weight == 0);
 341         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
 342
 343         mutex_enter(&mg->mg_lock);
 344         ASSERT(msp->ms_group == mg);
 345         avl_remove(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
 346         msp->ms_weight = weight;
 347         avl_add(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
 348         mutex_exit(&mg->mg_lock);
 349 }
 350
 351 /*
 352  * ==========================================================================
 353  * Common allocator routines
 354  * ==========================================================================
 355  */
 356 static int
 357 metaslab_segsize_compare(const void *x1, const void *x2)
 358 {
 359         const space_seg_t *s1 = x1;
 360         const space_seg_t *s2 = x2;
 361         uint64_t ss_size1 = s1->ss_end - s1->ss_start;
 362         uint64_t ss_size2 = s2->ss_end - s2->ss_start;
 363
 364         if (ss_size1 < ss_size2)
 365                 return (-1);
 366         if (ss_size1 > ss_size2)
 367                 return (1);
 368
 369         if (s1->ss_start < s2->ss_start)
 370                 return (-1);
 371         if (s1->ss_start > s2->ss_start)
 372                 return (1);
 373
 374         return (0);
 375 }
 376
 377 #if defined(WITH_FF_BLOCK_ALLOCATOR) || \
 378     defined(WITH_DF_BLOCK_ALLOCATOR) || \
 379     defined(WITH_CDF_BLOCK_ALLOCATOR)
 380 /*
 381  * This is a helper function that can be used by the allocator to find
 382  * a suitable block to allocate. This will search the specified AVL
 383  * tree looking for a block that matches the specified criteria.
 384  */
 385 static uint64_t
 386 metaslab_block_picker(avl_tree_t *t, uint64_t *cursor, uint64_t size,
 387     uint64_t align)
 388 {
 389         space_seg_t *ss, ssearch;
 390         avl_index_t where;
 391
 392         ssearch.ss_start = *cursor;
 393         ssearch.ss_end = *cursor + size;
 394
 395         ss = avl_find(t, &ssearch, &where);
 396         if (ss == NULL)
 397                 ss = avl_nearest(t, where, AVL_AFTER);
 398
 399         while (ss != NULL) {
 400                 uint64_t offset = P2ROUNDUP(ss->ss_start, align);
 401
 402                 if (offset + size <= ss->ss_end) {
 403                         *cursor = offset + size;
 404                         return (offset);
 405                 }
 406                 ss = AVL_NEXT(t, ss);
 407         }
 408
 409         /*
 410          * If we know we've searched the whole map (*cursor == 0), give up.
 411          * Otherwise, reset the cursor to the beginning and try again.
 412          */
 413         if (*cursor == 0)
 414                 return (-1ULL);
 415
 416         *cursor = 0;
 417         return (metaslab_block_picker(t, cursor, size, align));
 418 }
 419 #endif /* WITH_FF/DF/CDF_BLOCK_ALLOCATOR */
 420
 421 static void
 422 metaslab_pp_load(space_map_t *sm)
 423 {
 424         space_seg_t *ss;
 425
 426         ASSERT(sm->sm_ppd == NULL);
 427         sm->sm_ppd = kmem_zalloc(64 * sizeof (uint64_t), KM_PUSHPAGE);
 428
 429         sm->sm_pp_root = kmem_alloc(sizeof (avl_tree_t), KM_PUSHPAGE);
 430         avl_create(sm->sm_pp_root, metaslab_segsize_compare,
 431             sizeof (space_seg_t), offsetof(struct space_seg, ss_pp_node));
 432
 433         for (ss = avl_first(&sm->sm_root); ss; ss = AVL_NEXT(&sm->sm_root, ss))
 434                 avl_add(sm->sm_pp_root, ss);
 435 }
 436
 437 static void
 438 metaslab_pp_unload(space_map_t *sm)
 439 {
 440         void *cookie = NULL;
 441
 442         kmem_free(sm->sm_ppd, 64 * sizeof (uint64_t));
 443         sm->sm_ppd = NULL;
 444
 445         while (avl_destroy_nodes(sm->sm_pp_root, &cookie) != NULL) {
 446                 /* tear down the tree */
 447         }
 448
 449         avl_destroy(sm->sm_pp_root);
 450         kmem_free(sm->sm_pp_root, sizeof (avl_tree_t));
 451         sm->sm_pp_root = NULL;
 452 }
 453
 454 /* ARGSUSED */
 455 static void
 456 metaslab_pp_claim(space_map_t *sm, uint64_t start, uint64_t size)
 457 {
 458         /* No need to update cursor */
 459 }
 460
 461 /* ARGSUSED */
 462 static void
 463 metaslab_pp_free(space_map_t *sm, uint64_t start, uint64_t size)
 464 {
 465         /* No need to update cursor */
 466 }
 467
 468 /*
 469  * Return the maximum contiguous segment within the metaslab.
 470  */
 471 uint64_t
 472 metaslab_pp_maxsize(space_map_t *sm)
 473 {
 474         avl_tree_t *t = sm->sm_pp_root;
 475         space_seg_t *ss;
 476
 477         if (t == NULL || (ss = avl_last(t)) == NULL)
 478                 return (0ULL);
 479
 480         return (ss->ss_end - ss->ss_start);
 481 }
 482
 483 #if defined(WITH_FF_BLOCK_ALLOCATOR)
 484 /*
 485  * ==========================================================================
 486  * The first-fit block allocator
 487  * ==========================================================================
 488  */
 489 static uint64_t
 490 metaslab_ff_alloc(space_map_t *sm, uint64_t size)
 491 {
 492         avl_tree_t *t = &sm->sm_root;
 493         uint64_t align = size & -size;
 494         uint64_t *cursor = (uint64_t *)sm->sm_ppd + highbit(align) - 1;
 495
 496         return (metaslab_block_picker(t, cursor, size, align));
 497 }
 498
 499 /* ARGSUSED */
 500 boolean_t
 501 metaslab_ff_fragmented(space_map_t *sm)
 502 {
 503         return (B_TRUE);
 504 }
 505
 506 static space_map_ops_t metaslab_ff_ops = {
 507         metaslab_pp_load,
 508         metaslab_pp_unload,
 509         metaslab_ff_alloc,
 510         metaslab_pp_claim,
 511         metaslab_pp_free,
 512         metaslab_pp_maxsize,
 513         metaslab_ff_fragmented
 514 };
 515
 516 space_map_ops_t *zfs_metaslab_ops = &metaslab_ff_ops;
 517 #endif /* WITH_FF_BLOCK_ALLOCATOR */
 518
 519 #if defined(WITH_DF_BLOCK_ALLOCATOR)
 520 /*
 521  * ==========================================================================
 522  * Dynamic block allocator -
 523  * Uses the first fit allocation scheme until space get low and then
 524  * adjusts to a best fit allocation method. Uses metaslab_df_alloc_threshold
 525  * and metaslab_df_free_pct to determine when to switch the allocation scheme.
 526  * ==========================================================================
 527  */
 528 static uint64_t
 529 metaslab_df_alloc(space_map_t *sm, uint64_t size)
 530 {
 531         avl_tree_t *t = &sm->sm_root;
 532         uint64_t align = size & -size;
 533         uint64_t *cursor = (uint64_t *)sm->sm_ppd + highbit(align) - 1;
 534         uint64_t max_size = metaslab_pp_maxsize(sm);
 535         int free_pct = sm->sm_space * 100 / sm->sm_size;
 536
 537         ASSERT(MUTEX_HELD(sm->sm_lock));
 538         ASSERT3U(avl_numnodes(&sm->sm_root), ==, avl_numnodes(sm->sm_pp_root));
 539
 540         if (max_size < size)
 541                 return (-1ULL);
 542
 543         /*
 544          * If we're running low on space switch to using the size
 545          * sorted AVL tree (best-fit).
 546          */
 547         if (max_size < metaslab_df_alloc_threshold ||
 548             free_pct < metaslab_df_free_pct) {
 549                 t = sm->sm_pp_root;
 550                 *cursor = 0;
 551         }
 552
 553         return (metaslab_block_picker(t, cursor, size, 1ULL));
 554 }
 555
 556 static boolean_t
 557 metaslab_df_fragmented(space_map_t *sm)
 558 {
 559         uint64_t max_size = metaslab_pp_maxsize(sm);
 560         int free_pct = sm->sm_space * 100 / sm->sm_size;
 561
 562         if (max_size >= metaslab_df_alloc_threshold &&
 563             free_pct >= metaslab_df_free_pct)
 564                 return (B_FALSE);
 565
 566         return (B_TRUE);
 567 }
 568
 569 static space_map_ops_t metaslab_df_ops = {
 570         metaslab_pp_load,
 571         metaslab_pp_unload,
 572         metaslab_df_alloc,
 573         metaslab_pp_claim,
 574         metaslab_pp_free,
 575         metaslab_pp_maxsize,
 576         metaslab_df_fragmented
 577 };
 578
 579 space_map_ops_t *zfs_metaslab_ops = &metaslab_df_ops;
 580 #endif /* WITH_DF_BLOCK_ALLOCATOR */
 581
 582 /*
 583  * ==========================================================================
 584  * Other experimental allocators
 585  * ==========================================================================
 586  */
 587 #if defined(WITH_CDF_BLOCK_ALLOCATOR)
 588 static uint64_t
 589 metaslab_cdf_alloc(space_map_t *sm, uint64_t size)
 590 {
 591         avl_tree_t *t = &sm->sm_root;
 592         uint64_t *cursor = (uint64_t *)sm->sm_ppd;
 593         uint64_t *extent_end = (uint64_t *)sm->sm_ppd + 1;
 594         uint64_t max_size = metaslab_pp_maxsize(sm);
 595         uint64_t rsize = size;
 596         uint64_t offset = 0;
 597
 598         ASSERT(MUTEX_HELD(sm->sm_lock));
 599         ASSERT3U(avl_numnodes(&sm->sm_root), ==, avl_numnodes(sm->sm_pp_root));
 600
 601         if (max_size < size)
 602                 return (-1ULL);
 603
 604         ASSERT3U(*extent_end, >=, *cursor);
 605
 606         /*
 607          * If we're running low on space switch to using the size
 608          * sorted AVL tree (best-fit).
 609          */
 610         if ((*cursor + size) > *extent_end) {
 611
 612                 t = sm->sm_pp_root;
 613                 *cursor = *extent_end = 0;
 614
 615                 if (max_size > 2 * SPA_MAXBLOCKSIZE)
 616                         rsize = MIN(metaslab_min_alloc_size, max_size);
 617                 offset = metaslab_block_picker(t, extent_end, rsize, 1ULL);
 618                 if (offset != -1)
 619                         *cursor = offset + size;
 620         } else {
 621                 offset = metaslab_block_picker(t, cursor, rsize, 1ULL);
 622         }
 623         ASSERT3U(*cursor, <=, *extent_end);
 624         return (offset);
 625 }
 626
 627 static boolean_t
 628 metaslab_cdf_fragmented(space_map_t *sm)
 629 {
 630         uint64_t max_size = metaslab_pp_maxsize(sm);
 631
 632         if (max_size > (metaslab_min_alloc_size * 10))
 633                 return (B_FALSE);
 634         return (B_TRUE);
 635 }
 636
 637 static space_map_ops_t metaslab_cdf_ops = {
 638         metaslab_pp_load,
 639         metaslab_pp_unload,
 640         metaslab_cdf_alloc,
 641         metaslab_pp_claim,
 642         metaslab_pp_free,
 643         metaslab_pp_maxsize,
 644         metaslab_cdf_fragmented
 645 };
 646
 647 space_map_ops_t *zfs_metaslab_ops = &metaslab_cdf_ops;
 648 #endif /* WITH_CDF_BLOCK_ALLOCATOR */
 649
 650 #if defined(WITH_NDF_BLOCK_ALLOCATOR)
 651 uint64_t metaslab_ndf_clump_shift = 4;
 652
 653 static uint64_t
 654 metaslab_ndf_alloc(space_map_t *sm, uint64_t size)
 655 {
 656         avl_tree_t *t = &sm->sm_root;
 657         avl_index_t where;
 658         space_seg_t *ss, ssearch;
 659         uint64_t hbit = highbit(size);
 660         uint64_t *cursor = (uint64_t *)sm->sm_ppd + hbit - 1;
 661         uint64_t max_size = metaslab_pp_maxsize(sm);
 662
 663         ASSERT(MUTEX_HELD(sm->sm_lock));
 664         ASSERT3U(avl_numnodes(&sm->sm_root), ==, avl_numnodes(sm->sm_pp_root));
 665
 666         if (max_size < size)
 667                 return (-1ULL);
 668
 669         ssearch.ss_start = *cursor;
 670         ssearch.ss_end = *cursor + size;
 671
 672         ss = avl_find(t, &ssearch, &where);
 673         if (ss == NULL || (ss->ss_start + size > ss->ss_end)) {
 674                 t = sm->sm_pp_root;
 675
 676                 ssearch.ss_start = 0;
 677                 ssearch.ss_end = MIN(max_size,
 678                     1ULL << (hbit + metaslab_ndf_clump_shift));
 679                 ss = avl_find(t, &ssearch, &where);
 680                 if (ss == NULL)
 681                         ss = avl_nearest(t, where, AVL_AFTER);
 682                 ASSERT(ss != NULL);
 683         }
 684
 685         if (ss != NULL) {
 686                 if (ss->ss_start + size <= ss->ss_end) {
 687                         *cursor = ss->ss_start + size;
 688                         return (ss->ss_start);
 689                 }
 690         }
 691         return (-1ULL);
 692 }
 693
 694 static boolean_t
 695 metaslab_ndf_fragmented(space_map_t *sm)
 696 {
 697         uint64_t max_size = metaslab_pp_maxsize(sm);
 698
 699         if (max_size > (metaslab_min_alloc_size << metaslab_ndf_clump_shift))
 700                 return (B_FALSE);
 701         return (B_TRUE);
 702 }
 703
 704
 705 static space_map_ops_t metaslab_ndf_ops = {
 706         metaslab_pp_load,
 707         metaslab_pp_unload,
 708         metaslab_ndf_alloc,
 709         metaslab_pp_claim,
 710         metaslab_pp_free,
 711         metaslab_pp_maxsize,
 712         metaslab_ndf_fragmented
 713 };
 714
 715 space_map_ops_t *zfs_metaslab_ops = &metaslab_ndf_ops;
 716 #endif /* WITH_NDF_BLOCK_ALLOCATOR */
 717
 718 /*
 719  * ==========================================================================
 720  * Metaslabs
 721  * ==========================================================================
 722  */
 723 metaslab_t *
 724 metaslab_init(metaslab_group_t *mg, space_map_obj_t *smo,
 725         uint64_t start, uint64_t size, uint64_t txg)
 726 {
 727         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
 728         metaslab_t *msp;
 729
 730         msp = kmem_zalloc(sizeof (metaslab_t), KM_PUSHPAGE);
 731         mutex_init(&msp->ms_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
 732
 733         msp->ms_smo_syncing = *smo;
 734
 735         /*
 736          * We create the main space map here, but we don't create the
 737          * allocmaps and freemaps until metaslab_sync_done().  This serves
 738          * two purposes: it allows metaslab_sync_done() to detect the
 739          * addition of new space; and for debugging, it ensures that we'd
 740          * data fault on any attempt to use this metaslab before it's ready.
 741          */
 742         space_map_create(&msp->ms_map, start, size,
 743             vd->vdev_ashift, &msp->ms_lock);
 744
 745         metaslab_group_add(mg, msp);
 746
 747         if (metaslab_debug && smo->smo_object != 0) {
 748                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
 749                 VERIFY(space_map_load(&msp->ms_map, mg->mg_class->mc_ops,
 750                     SM_FREE, smo, spa_meta_objset(vd->vdev_spa)) == 0);
 751                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
 752         }
 753
 754         /*
 755          * If we're opening an existing pool (txg == 0) or creating
 756          * a new one (txg == TXG_INITIAL), all space is available now.
 757          * If we're adding space to an existing pool, the new space
 758          * does not become available until after this txg has synced.
 759          */
 760         if (txg <= TXG_INITIAL)
 761                 metaslab_sync_done(msp, 0);
 762
 763         if (txg != 0) {
 764                 vdev_dirty(vd, 0, NULL, txg);
 765                 vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
 766         }
 767
 768         return (msp);
 769 }
 770
 771 void
 772 metaslab_fini(metaslab_t *msp)
 773 {
 774         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
 775         int t;
 776
 777         vdev_space_update(mg->mg_vd,
 778             -msp->ms_smo.smo_alloc, 0, -msp->ms_map.sm_size);
 779
 780         metaslab_group_remove(mg, msp);
 781
 782         mutex_enter(&msp->ms_lock);
 783
 784         space_map_unload(&msp->ms_map);
 785         space_map_destroy(&msp->ms_map);
 786
 787         for (t = 0; t < TXG_SIZE; t++) {
 788                 space_map_destroy(&msp->ms_allocmap[t]);
 789                 space_map_destroy(&msp->ms_freemap[t]);
 790         }
 791
 792         for (t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++)
 793                 space_map_destroy(&msp->ms_defermap[t]);
 794
 795         ASSERT3S(msp->ms_deferspace, ==, 0);
 796
 797         mutex_exit(&msp->ms_lock);
 798         mutex_destroy(&msp->ms_lock);
 799
 800         kmem_free(msp, sizeof (metaslab_t));
 801 }
 802
 803 #define METASLAB_WEIGHT_PRIMARY         (1ULL << 63)
 804 #define METASLAB_WEIGHT_SECONDARY       (1ULL << 62)
 805 #define METASLAB_ACTIVE_MASK            \
 806         (METASLAB_WEIGHT_PRIMARY | METASLAB_WEIGHT_SECONDARY)
 807
 808 static uint64_t
 809 metaslab_weight(metaslab_t *msp)
 810 {
 811         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
 812         space_map_t *sm = &msp->ms_map;
 813         space_map_obj_t *smo = &msp->ms_smo;
 814         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
 815         uint64_t weight, space;
 816
 817         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
 818
 819         /*
 820          * The baseline weight is the metaslab's free space.
 821          */
 822         space = sm->sm_size - smo->smo_alloc;
 823         weight = space;
 824
 825         /*
 826          * Modern disks have uniform bit density and constant angular velocity.
 827          * Therefore, the outer recording zones are faster (higher bandwidth)
 828          * than the inner zones by the ratio of outer to inner track diameter,
 829          * which is typically around 2:1.  We account for this by assigning
 830          * higher weight to lower metaslabs (multiplier ranging from 2x to 1x).
 831          * In effect, this means that we'll select the metaslab with the most
 832          * free bandwidth rather than simply the one with the most free space.
 833          */
 834         weight = 2 * weight -
 835             ((sm->sm_start >> vd->vdev_ms_shift) * weight) / vd->vdev_ms_count;
 836         ASSERT(weight >= space && weight <= 2 * space);
 837
 838         /*
 839          * For locality, assign higher weight to metaslabs which have
 840          * a lower offset than what we've already activated.
 841          */
 842         if (sm->sm_start <= mg->mg_bonus_area)
 843                 weight *= (metaslab_smo_bonus_pct / 100);
 844         ASSERT(weight >= space &&
 845             weight <= 2 * (metaslab_smo_bonus_pct / 100) * space);
 846
 847         if (sm->sm_loaded && !sm->sm_ops->smop_fragmented(sm)) {
 848                 /*
 849                  * If this metaslab is one we're actively using, adjust its
 850                  * weight to make it preferable to any inactive metaslab so
 851                  * we'll polish it off.
 852                  */
 853                 weight |= (msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
 854         }
 855         return (weight);
 856 }
 857
 858 static void
 859 metaslab_prefetch(metaslab_group_t *mg)
 860 {
 861         spa_t *spa = mg->mg_vd->vdev_spa;
 862         metaslab_t *msp;
 863         avl_tree_t *t = &mg->mg_metaslab_tree;
 864         int m;
 865
 866         mutex_enter(&mg->mg_lock);
 867
 868         /*
 869          * Prefetch the next potential metaslabs
 870          */
 871         for (msp = avl_first(t), m = 0; msp; msp = AVL_NEXT(t, msp), m++) {
 872                 space_map_t *sm = &msp->ms_map;
 873                 space_map_obj_t *smo = &msp->ms_smo;
 874
 875                 /* If we have reached our prefetch limit then we're done */
 876                 if (m >= metaslab_prefetch_limit)
 877                         break;
 878
 879                 if (!sm->sm_loaded && smo->smo_object != 0) {
 880                         mutex_exit(&mg->mg_lock);
 881                         dmu_prefetch(spa_meta_objset(spa), smo->smo_object,
 882                             0ULL, smo->smo_objsize);
 883                         mutex_enter(&mg->mg_lock);
 884                 }
 885         }
 886         mutex_exit(&mg->mg_lock);
 887 }
 888
 889 static int
 890 metaslab_activate(metaslab_t *msp, uint64_t activation_weight)
 891 {
 892         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
 893         space_map_t *sm = &msp->ms_map;
 894         space_map_ops_t *sm_ops = msp->ms_group->mg_class->mc_ops;
 895         int t;
 896
 897         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
 898
 899         if ((msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) == 0) {
 900                 space_map_load_wait(sm);
 901                 if (!sm->sm_loaded) {
 902                         int error = space_map_load(sm, sm_ops, SM_FREE,
 903                             &msp->ms_smo,
 904                             spa_meta_objset(msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa));
 905                         if (error)  {
 906                                 metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp, 0);
 907                                 return (error);
 908                         }
 909                         for (t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++)
 910                                 space_map_walk(&msp->ms_defermap[t],
 911                                     space_map_claim, sm);
 912
 913                 }
 914
 915                 /*
 916                  * Track the bonus area as we activate new metaslabs.
 917                  */
 918                 if (sm->sm_start > mg->mg_bonus_area) {
 919                         mutex_enter(&mg->mg_lock);
 920                         mg->mg_bonus_area = sm->sm_start;
 921                         mutex_exit(&mg->mg_lock);
 922                 }
 923
 924                 metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp,
 925                     msp->ms_weight | activation_weight);
 926         }
 927         ASSERT(sm->sm_loaded);
 928         ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
 929
 930         return (0);
 931 }
 932
 933 static void
 934 metaslab_passivate(metaslab_t *msp, uint64_t size)
 935 {
 936         /*
 937          * If size < SPA_MINBLOCKSIZE, then we will not allocate from
 938          * this metaslab again.  In that case, it had better be empty,
 939          * or we would be leaving space on the table.
 940          */
 941         ASSERT(size >= SPA_MINBLOCKSIZE || msp->ms_map.sm_space == 0);
 942         metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp, MIN(msp->ms_weight, size));
 943         ASSERT((msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) == 0);
 944 }
 945
 946 /*
 947  * Write a metaslab to disk in the context of the specified transaction group.
 948  */
 949 void
 950 metaslab_sync(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
 951 {
 952         vdev_t *vd = msp->ms_group->mg_vd;
 953         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
 954         objset_t *mos = spa_meta_objset(spa);
 955         space_map_t *allocmap = &msp->ms_allocmap[txg & TXG_MASK];
 956         space_map_t *freemap = &msp->ms_freemap[txg & TXG_MASK];
 957         space_map_t *freed_map = &msp->ms_freemap[TXG_CLEAN(txg) & TXG_MASK];
 958         space_map_t *sm = &msp->ms_map;
 959         space_map_obj_t *smo = &msp->ms_smo_syncing;
 960         dmu_buf_t *db;
 961         dmu_tx_t *tx;
 962         int t;
 963
 964         ASSERT(!vd->vdev_ishole);
 965
 966         if (allocmap->sm_space == 0 && freemap->sm_space == 0)
 967                 return;
 968
 969         /*
 970          * The only state that can actually be changing concurrently with
 971          * metaslab_sync() is the metaslab's ms_map.  No other thread can
 972          * be modifying this txg's allocmap, freemap, freed_map, or smo.
 973          * Therefore, we only hold ms_lock to satify space_map ASSERTs.
 974          * We drop it whenever we call into the DMU, because the DMU
 975          * can call down to us (e.g. via zio_free()) at any time.
 976          */
 977
 978         tx = dmu_tx_create_assigned(spa_get_dsl(spa), txg);
 979
 980         if (smo->smo_object == 0) {
 981                 ASSERT(smo->smo_objsize == 0);
 982                 ASSERT(smo->smo_alloc == 0);
 983                 smo->smo_object = dmu_object_alloc(mos,
 984                     DMU_OT_SPACE_MAP, 1 << SPACE_MAP_BLOCKSHIFT,
 985                     DMU_OT_SPACE_MAP_HEADER, sizeof (*smo), tx);
 986                 ASSERT(smo->smo_object != 0);
 987                 dmu_write(mos, vd->vdev_ms_array, sizeof (uint64_t) *
 988                     (sm->sm_start >> vd->vdev_ms_shift),
 989                     sizeof (uint64_t), &smo->smo_object, tx);
 990         }
 991
 992         mutex_enter(&msp->ms_lock);
 993
 994         space_map_walk(freemap, space_map_add, freed_map);
 995
 996         if (sm->sm_loaded && spa_sync_pass(spa) == 1 && smo->smo_objsize >=
 997             2 * sizeof (uint64_t) * avl_numnodes(&sm->sm_root)) {
 998                 /*
 999                  * The in-core space map representation is twice as compact
1000                  * as the on-disk one, so it's time to condense the latter
1001                  * by generating a pure allocmap from first principles.
1002                  *
1003                  * This metaslab is 100% allocated,
1004                  * minus the content of the in-core map (sm),
1005                  * minus what's been freed this txg (freed_map),
1006                  * minus deferred frees (ms_defermap[]),
1007                  * minus allocations from txgs in the future
1008                  * (because they haven't been committed yet).
1009                  */
1010                 space_map_vacate(allocmap, NULL, NULL);
1011                 space_map_vacate(freemap, NULL, NULL);
1012
1013                 space_map_add(allocmap, allocmap->sm_start, allocmap->sm_size);
1014
1015                 space_map_walk(sm, space_map_remove, allocmap);
1016                 space_map_walk(freed_map, space_map_remove, allocmap);
1017
1018                 for (t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++)
1019                         space_map_walk(&msp->ms_defermap[t],
1020                             space_map_remove, allocmap);
1021
1022                 for (t = 1; t < TXG_CONCURRENT_STATES; t++)
1023                         space_map_walk(&msp->ms_allocmap[(txg + t) & TXG_MASK],
1024                             space_map_remove, allocmap);
1025
1026                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
1027                 space_map_truncate(smo, mos, tx);
1028                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
1029         }
1030
1031         space_map_sync(allocmap, SM_ALLOC, smo, mos, tx);
1032         space_map_sync(freemap, SM_FREE, smo, mos, tx);
1033
1034         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1035
1036         VERIFY(0 == dmu_bonus_hold(mos, smo->smo_object, FTAG, &db));
1037         dmu_buf_will_dirty(db, tx);
1038         ASSERT3U(db->db_size, >=, sizeof (*smo));
1039         bcopy(smo, db->db_data, sizeof (*smo));
1040         dmu_buf_rele(db, FTAG);
1041
1042         dmu_tx_commit(tx);
1043 }
1044
1045 /*
1046  * Called after a transaction group has completely synced to mark
1047  * all of the metaslab's free space as usable.
1048  */
1049 void
1050 metaslab_sync_done(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
1051 {
1052         space_map_obj_t *smo = &msp->ms_smo;
1053         space_map_obj_t *smosync = &msp->ms_smo_syncing;
1054         space_map_t *sm = &msp->ms_map;
1055         space_map_t *freed_map = &msp->ms_freemap[TXG_CLEAN(txg) & TXG_MASK];
1056         space_map_t *defer_map = &msp->ms_defermap[txg % TXG_DEFER_SIZE];
1057         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
1058         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
1059         int64_t alloc_delta, defer_delta;
1060         int t;
1061
1062         ASSERT(!vd->vdev_ishole);
1063
1064         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1065
1066         /*
1067          * If this metaslab is just becoming available, initialize its
1068          * allocmaps and freemaps and add its capacity to the vdev.
1069          */
1070         if (freed_map->sm_size == 0) {
1071                 for (t = 0; t < TXG_SIZE; t++) {
1072                         space_map_create(&msp->ms_allocmap[t], sm->sm_start,
1073                             sm->sm_size, sm->sm_shift, sm->sm_lock);
1074                         space_map_create(&msp->ms_freemap[t], sm->sm_start,
1075                             sm->sm_size, sm->sm_shift, sm->sm_lock);
1076                 }
1077
1078                 for (t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++)
1079                         space_map_create(&msp->ms_defermap[t], sm->sm_start,
1080                             sm->sm_size, sm->sm_shift, sm->sm_lock);
1081
1082                 vdev_space_update(vd, 0, 0, sm->sm_size);
1083         }
1084
1085         alloc_delta = smosync->smo_alloc - smo->smo_alloc;
1086         defer_delta = freed_map->sm_space - defer_map->sm_space;
1087
1088         vdev_space_update(vd, alloc_delta + defer_delta, defer_delta, 0);
1089
1090         ASSERT(msp->ms_allocmap[txg & TXG_MASK].sm_space == 0);
1091         ASSERT(msp->ms_freemap[txg & TXG_MASK].sm_space == 0);
1092
1093         /*
1094          * If there's a space_map_load() in progress, wait for it to complete
1095          * so that we have a consistent view of the in-core space map.
1096          * Then, add defer_map (oldest deferred frees) to this map and
1097          * transfer freed_map (this txg's frees) to defer_map.
1098          */
1099         space_map_load_wait(sm);
1100         space_map_vacate(defer_map, sm->sm_loaded ? space_map_free : NULL, sm);
1101         space_map_vacate(freed_map, space_map_add, defer_map);
1102
1103         *smo = *smosync;
1104
1105         msp->ms_deferspace += defer_delta;
1106         ASSERT3S(msp->ms_deferspace, >=, 0);
1107         ASSERT3S(msp->ms_deferspace, <=, sm->sm_size);
1108         if (msp->ms_deferspace != 0) {
1109                 /*
1110                  * Keep syncing this metaslab until all deferred frees
1111                  * are back in circulation.
1112                  */
1113                 vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg + 1);
1114         }
1115
1116         /*
1117          * If the map is loaded but no longer active, evict it as soon as all
1118          * future allocations have synced.  (If we unloaded it now and then
1119          * loaded a moment later, the map wouldn't reflect those allocations.)
1120          */
1121         if (sm->sm_loaded && (msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) == 0) {
1122                 int evictable = 1;
1123
1124                 for (t = 1; t < TXG_CONCURRENT_STATES; t++)
1125                         if (msp->ms_allocmap[(txg + t) & TXG_MASK].sm_space)
1126                                 evictable = 0;
1127
1128                 if (evictable && !metaslab_debug)
1129                         space_map_unload(sm);
1130         }
1131
1132         metaslab_group_sort(mg, msp, metaslab_weight(msp));
1133
1134         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1135 }
1136
1137 void
1138 metaslab_sync_reassess(metaslab_group_t *mg)
1139 {
1140         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
1141         int64_t failures = mg->mg_alloc_failures;
1142         int m;
1143
1144         /*
1145          * Re-evaluate all metaslabs which have lower offsets than the
1146          * bonus area.
1147          */
1148         for (m = 0; m < vd->vdev_ms_count; m++) {
1149                 metaslab_t *msp = vd->vdev_ms[m];
1150
1151                 if (msp->ms_map.sm_start > mg->mg_bonus_area)
1152                         break;
1153
1154                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
1155                 metaslab_group_sort(mg, msp, metaslab_weight(msp));
1156                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
1157         }
1158
1159         atomic_add_64(&mg->mg_alloc_failures, -failures);
1160
1161         /*
1162          * Prefetch the next potential metaslabs
1163          */
1164         metaslab_prefetch(mg);
1165 }
1166
1167 static uint64_t
1168 metaslab_distance(metaslab_t *msp, dva_t *dva)
1169 {
1170         uint64_t ms_shift = msp->ms_group->mg_vd->vdev_ms_shift;
1171         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva) >> ms_shift;
1172         uint64_t start = msp->ms_map.sm_start >> ms_shift;
1173
1174         if (msp->ms_group->mg_vd->vdev_id != DVA_GET_VDEV(dva))
1175                 return (1ULL << 63);
1176
1177         if (offset < start)
1178                 return ((start - offset) << ms_shift);
1179         if (offset > start)
1180                 return ((offset - start) << ms_shift);
1181         return (0);
1182 }
1183
1184 static uint64_t
1185 metaslab_group_alloc(metaslab_group_t *mg, uint64_t psize, uint64_t asize,
1186     uint64_t txg, uint64_t min_distance, dva_t *dva, int d, int flags)
1187 {
1188         spa_t *spa = mg->mg_vd->vdev_spa;
1189         metaslab_t *msp = NULL;
1190         uint64_t offset = -1ULL;
1191         avl_tree_t *t = &mg->mg_metaslab_tree;
1192         uint64_t activation_weight;
1193         uint64_t target_distance;
1194         int i;
1195
1196         activation_weight = METASLAB_WEIGHT_PRIMARY;
1197         for (i = 0; i < d; i++) {
1198                 if (DVA_GET_VDEV(&dva[i]) == mg->mg_vd->vdev_id) {
1199                         activation_weight = METASLAB_WEIGHT_SECONDARY;
1200                         break;
1201                 }
1202         }
1203
1204         for (;;) {
1205                 boolean_t was_active;
1206
1207                 mutex_enter(&mg->mg_lock);
1208                 for (msp = avl_first(t); msp; msp = AVL_NEXT(t, msp)) {
1209                         if (msp->ms_weight < asize) {
1210                                 spa_dbgmsg(spa, "%s: failed to meet weight "
1211                                     "requirement: vdev %llu, txg %llu, mg %p, "
1212                                     "msp %p, psize %llu, asize %llu, "
1213                                     "failures %llu, weight %llu",
1214                                     spa_name(spa), mg->mg_vd->vdev_id, txg,
1215                                     mg, msp, psize, asize,
1216                                     mg->mg_alloc_failures, msp->ms_weight);
1217                                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
1218                                 return (-1ULL);
1219                         }
1220                         was_active = msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK;
1221                         if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY)
1222                                 break;
1223
1224                         target_distance = min_distance +
1225                             (msp->ms_smo.smo_alloc ? 0 : min_distance >> 1);
1226
1227                         for (i = 0; i < d; i++)
1228                                 if (metaslab_distance(msp, &dva[i]) <
1229                                     target_distance)
1230                                         break;
1231                         if (i == d)
1232                                 break;
1233                 }
1234                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
1235                 if (msp == NULL)
1236                         return (-1ULL);
1237
1238                 /*
1239                  * If we've already reached the allowable number of failed
1240                  * allocation attempts on this metaslab group then we
1241                  * consider skipping it. We skip it only if we're allowed
1242                  * to "fast" gang, the physical size is larger than
1243                  * a gang block, and we're attempting to allocate from
1244                  * the primary metaslab.
1245                  */
1246                 if (mg->mg_alloc_failures > zfs_mg_alloc_failures &&
1247                     CAN_FASTGANG(flags) && psize > SPA_GANGBLOCKSIZE &&
1248                     activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY) {
1249                         spa_dbgmsg(spa, "%s: skipping metaslab group: "
1250                             "vdev %llu, txg %llu, mg %p, psize %llu, "
1251                             "asize %llu, failures %llu", spa_name(spa),
1252                             mg->mg_vd->vdev_id, txg, mg, psize, asize,
1253                             mg->mg_alloc_failures);
1254                         return (-1ULL);
1255                 }
1256
1257                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
1258
1259                 /*
1260                  * Ensure that the metaslab we have selected is still
1261                  * capable of handling our request. It's possible that
1262                  * another thread may have changed the weight while we
1263                  * were blocked on the metaslab lock.
1264                  */
1265                 if (msp->ms_weight < asize || (was_active &&
1266                     !(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) &&
1267                     activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY)) {
1268                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1269                         continue;
1270                 }
1271
1272                 if ((msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_SECONDARY) &&
1273                     activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY) {
1274                         metaslab_passivate(msp,
1275                             msp->ms_weight & ~METASLAB_ACTIVE_MASK);
1276                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1277                         continue;
1278                 }
1279
1280                 if (metaslab_activate(msp, activation_weight) != 0) {
1281                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1282                         continue;
1283                 }
1284
1285                 if ((offset = space_map_alloc(&msp->ms_map, asize)) != -1ULL)
1286                         break;
1287
1288                 atomic_inc_64(&mg->mg_alloc_failures);
1289
1290                 metaslab_passivate(msp, space_map_maxsize(&msp->ms_map));
1291
1292                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
1293         }
1294
1295         if (msp->ms_allocmap[txg & TXG_MASK].sm_space == 0)
1296                 vdev_dirty(mg->mg_vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
1297
1298         space_map_add(&msp->ms_allocmap[txg & TXG_MASK], offset, asize);
1299
1300         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1301
1302         return (offset);
1303 }
1304
1305 /*
1306  * Allocate a block for the specified i/o.
1307  */
1308 static int
1309 metaslab_alloc_dva(spa_t *spa, metaslab_class_t *mc, uint64_t psize,
1310     dva_t *dva, int d, dva_t *hintdva, uint64_t txg, int flags)
1311 {
1312         metaslab_group_t *mg, *fast_mg, *rotor;
1313         vdev_t *vd;
1314         int dshift = 3;
1315         int all_zero;
1316         int zio_lock = B_FALSE;
1317         boolean_t allocatable;
1318         uint64_t offset = -1ULL;
1319         uint64_t asize;
1320         uint64_t distance;
1321
1322         ASSERT(!DVA_IS_VALID(&dva[d]));
1323
1324         /*
1325          * For testing, make some blocks above a certain size be gang blocks.
1326          */
1327         if (psize >= metaslab_gang_bang && (ddi_get_lbolt() & 3) == 0)
1328                 return (ENOSPC);
1329
1330         if (flags & METASLAB_FASTWRITE)
1331                 mutex_enter(&mc->mc_fastwrite_lock);
1332
1333         /*
1334          * Start at the rotor and loop through all mgs until we find something.
1335          * Note that there's no locking on mc_rotor or mc_aliquot because
1336          * nothing actually breaks if we miss a few updates -- we just won't
1337          * allocate quite as evenly.  It all balances out over time.
1338          *
1339          * If we are doing ditto or log blocks, try to spread them across
1340          * consecutive vdevs.  If we're forced to reuse a vdev before we've
1341          * allocated all of our ditto blocks, then try and spread them out on
1342          * that vdev as much as possible.  If it turns out to not be possible,
1343          * gradually lower our standards until anything becomes acceptable.
1344          * Also, allocating on consecutive vdevs (as opposed to random vdevs)
1345          * gives us hope of containing our fault domains to something we're
1346          * able to reason about.  Otherwise, any two top-level vdev failures
1347          * will guarantee the loss of data.  With consecutive allocation,
1348          * only two adjacent top-level vdev failures will result in data loss.
1349          *
1350          * If we are doing gang blocks (hintdva is non-NULL), try to keep
1351          * ourselves on the same vdev as our gang block header.  That
1352          * way, we can hope for locality in vdev_cache, plus it makes our
1353          * fault domains something tractable.
1354          */
1355         if (hintdva) {
1356                 vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&hintdva[d]));
1357
1358                 /*
1359                  * It's possible the vdev we're using as the hint no
1360                  * longer exists (i.e. removed). Consult the rotor when
1361                  * all else fails.
1362                  */
1363                 if (vd != NULL) {
1364                         mg = vd->vdev_mg;
1365
1366                         if (flags & METASLAB_HINTBP_AVOID &&
1367                             mg->mg_next != NULL)
1368                                 mg = mg->mg_next;
1369                 } else {
1370                         mg = mc->mc_rotor;
1371                 }
1372         } else if (d != 0) {
1373                 vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&dva[d - 1]));
1374                 mg = vd->vdev_mg->mg_next;
1375         } else if (flags & METASLAB_FASTWRITE) {
1376                 mg = fast_mg = mc->mc_rotor;
1377
1378                 do {
1379                         if (fast_mg->mg_vd->vdev_pending_fastwrite <
1380                             mg->mg_vd->vdev_pending_fastwrite)
1381                                 mg = fast_mg;
1382                 } while ((fast_mg = fast_mg->mg_next) != mc->mc_rotor);
1383
1384         } else {
1385                 mg = mc->mc_rotor;
1386         }
1387
1388         /*
1389          * If the hint put us into the wrong metaslab class, or into a
1390          * metaslab group that has been passivated, just follow the rotor.
1391          */
1392         if (mg->mg_class != mc || mg->mg_activation_count <= 0)
1393                 mg = mc->mc_rotor;
1394
1395         rotor = mg;
1396 top:
1397         all_zero = B_TRUE;
1398         do {
1399                 ASSERT(mg->mg_activation_count == 1);
1400
1401                 vd = mg->mg_vd;
1402
1403                 /*
1404                  * Don't allocate from faulted devices.
1405                  */
1406                 if (zio_lock) {
1407                         spa_config_enter(spa, SCL_ZIO, FTAG, RW_READER);
1408                         allocatable = vdev_allocatable(vd);
1409                         spa_config_exit(spa, SCL_ZIO, FTAG);
1410                 } else {
1411                         allocatable = vdev_allocatable(vd);
1412                 }
1413                 if (!allocatable)
1414                         goto next;
1415
1416                 /*
1417                  * Avoid writing single-copy data to a failing vdev
1418                  */
1419                 if ((vd->vdev_stat.vs_write_errors > 0 ||
1420                     vd->vdev_state < VDEV_STATE_HEALTHY) &&
1421                     d == 0 && dshift == 3) {
1422                         all_zero = B_FALSE;
1423                         goto next;
1424                 }
1425
1426                 ASSERT(mg->mg_class == mc);
1427
1428                 distance = vd->vdev_asize >> dshift;
1429                 if (distance <= (1ULL << vd->vdev_ms_shift))
1430                         distance = 0;
1431                 else
1432                         all_zero = B_FALSE;
1433
1434                 asize = vdev_psize_to_asize(vd, psize);
1435                 ASSERT(P2PHASE(asize, 1ULL << vd->vdev_ashift) == 0);
1436
1437                 offset = metaslab_group_alloc(mg, psize, asize, txg, distance,
1438                     dva, d, flags);
1439                 if (offset != -1ULL) {
1440                         /*
1441                          * If we've just selected this metaslab group,
1442                          * figure out whether the corresponding vdev is
1443                          * over- or under-used relative to the pool,
1444                          * and set an allocation bias to even it out.
1445                          */
1446                         if (mc->mc_aliquot == 0) {
1447                                 vdev_stat_t *vs = &vd->vdev_stat;
1448                                 int64_t vu, cu;
1449
1450                                 vu = (vs->vs_alloc * 100) / (vs->vs_space + 1);
1451                                 cu = (mc->mc_alloc * 100) / (mc->mc_space + 1);
1452
1453                                 /*
1454                                  * Calculate how much more or less we should
1455                                  * try to allocate from this device during
1456                                  * this iteration around the rotor.
1457                                  * For example, if a device is 80% full
1458                                  * and the pool is 20% full then we should
1459                                  * reduce allocations by 60% on this device.
1460                                  *
1461                                  * mg_bias = (20 - 80) * 512K / 100 = -307K
1462                                  *
1463                                  * This reduces allocations by 307K for this
1464                                  * iteration.
1465                                  */
1466                                 mg->mg_bias = ((cu - vu) *
1467                                     (int64_t)mg->mg_aliquot) / 100;
1468                         }
1469
1470                         if ((flags & METASLAB_FASTWRITE) ||
1471                             atomic_add_64_nv(&mc->mc_aliquot, asize) >=
1472                             mg->mg_aliquot + mg->mg_bias) {
1473                                 mc->mc_rotor = mg->mg_next;
1474                                 mc->mc_aliquot = 0;
1475                         }
1476
1477                         DVA_SET_VDEV(&dva[d], vd->vdev_id);
1478                         DVA_SET_OFFSET(&dva[d], offset);
1479                         DVA_SET_GANG(&dva[d], !!(flags & METASLAB_GANG_HEADER));
1480                         DVA_SET_ASIZE(&dva[d], asize);
1481
1482                         if (flags & METASLAB_FASTWRITE) {
1483                                 atomic_add_64(&vd->vdev_pending_fastwrite,
1484                                     psize);
1485                                 mutex_exit(&mc->mc_fastwrite_lock);
1486                         }
1487
1488                         return (0);
1489                 }
1490 next:
1491                 mc->mc_rotor = mg->mg_next;
1492                 mc->mc_aliquot = 0;
1493         } while ((mg = mg->mg_next) != rotor);
1494
1495         if (!all_zero) {
1496                 dshift++;
1497                 ASSERT(dshift < 64);
1498                 goto top;
1499         }
1500
1501         if (!allocatable && !zio_lock) {
1502                 dshift = 3;
1503                 zio_lock = B_TRUE;
1504                 goto top;
1505         }
1506
1507         bzero(&dva[d], sizeof (dva_t));
1508
1509         if (flags & METASLAB_FASTWRITE)
1510                 mutex_exit(&mc->mc_fastwrite_lock);
1511         return (ENOSPC);
1512 }
1513
1514 /*
1515  * Free the block represented by DVA in the context of the specified
1516  * transaction group.
1517  */
1518 static void
1519 metaslab_free_dva(spa_t *spa, const dva_t *dva, uint64_t txg, boolean_t now)
1520 {
1521         uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(dva);
1522         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
1523         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
1524         vdev_t *vd;
1525         metaslab_t *msp;
1526
1527         ASSERT(DVA_IS_VALID(dva));
1528
1529         if (txg > spa_freeze_txg(spa))
1530                 return;
1531
1532         if ((vd = vdev_lookup_top(spa, vdev)) == NULL ||
1533             (offset >> vd->vdev_ms_shift) >= vd->vdev_ms_count) {
1534                 cmn_err(CE_WARN, "metaslab_free_dva(): bad DVA %llu:%llu",
1535                     (u_longlong_t)vdev, (u_longlong_t)offset);
1536                 ASSERT(0);
1537                 return;
1538         }
1539
1540         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
1541
1542         if (DVA_GET_GANG(dva))
1543                 size = vdev_psize_to_asize(vd, SPA_GANGBLOCKSIZE);
1544
1545         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1546
1547         if (now) {
1548                 space_map_remove(&msp->ms_allocmap[txg & TXG_MASK],
1549                     offset, size);
1550                 space_map_free(&msp->ms_map, offset, size);
1551         } else {
1552                 if (msp->ms_freemap[txg & TXG_MASK].sm_space == 0)
1553                         vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
1554                 space_map_add(&msp->ms_freemap[txg & TXG_MASK], offset, size);
1555         }
1556
1557         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1558 }
1559
1560 /*
1561  * Intent log support: upon opening the pool after a crash, notify the SPA
1562  * of blocks that the intent log has allocated for immediate write, but
1563  * which are still considered free by the SPA because the last transaction
1564  * group didn't commit yet.
1565  */
1566 static int
1567 metaslab_claim_dva(spa_t *spa, const dva_t *dva, uint64_t txg)
1568 {
1569         uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(dva);
1570         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
1571         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
1572         vdev_t *vd;
1573         metaslab_t *msp;
1574         int error = 0;
1575
1576         ASSERT(DVA_IS_VALID(dva));
1577
1578         if ((vd = vdev_lookup_top(spa, vdev)) == NULL ||
1579             (offset >> vd->vdev_ms_shift) >= vd->vdev_ms_count)
1580                 return (ENXIO);
1581
1582         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
1583
1584         if (DVA_GET_GANG(dva))
1585                 size = vdev_psize_to_asize(vd, SPA_GANGBLOCKSIZE);
1586
1587         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1588
1589         if ((txg != 0 && spa_writeable(spa)) || !msp->ms_map.sm_loaded)
1590                 error = metaslab_activate(msp, METASLAB_WEIGHT_SECONDARY);
1591
1592         if (error == 0 && !space_map_contains(&msp->ms_map, offset, size))
1593                 error = ENOENT;
1594
1595         if (error || txg == 0) {        /* txg == 0 indicates dry run */
1596                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
1597                 return (error);
1598         }
1599
1600         space_map_claim(&msp->ms_map, offset, size);
1601
1602         if (spa_writeable(spa)) {       /* don't dirty if we're zdb(1M) */
1603                 if (msp->ms_allocmap[txg & TXG_MASK].sm_space == 0)
1604                         vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
1605                 space_map_add(&msp->ms_allocmap[txg & TXG_MASK], offset, size);
1606         }
1607
1608         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1609
1610         return (0);
1611 }
1612
1613 int
1614 metaslab_alloc(spa_t *spa, metaslab_class_t *mc, uint64_t psize, blkptr_t *bp,
1615     int ndvas, uint64_t txg, blkptr_t *hintbp, int flags)
1616 {
1617         dva_t *dva = bp->blk_dva;
1618         dva_t *hintdva = hintbp->blk_dva;
1619         int d, error = 0;
1620
1621         ASSERT(bp->blk_birth == 0);
1622         ASSERT(BP_PHYSICAL_BIRTH(bp) == 0);
1623
1624         spa_config_enter(spa, SCL_ALLOC, FTAG, RW_READER);
1625
1626         if (mc->mc_rotor == NULL) {     /* no vdevs in this class */
1627                 spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
1628                 return (ENOSPC);
1629         }
1630
1631         ASSERT(ndvas > 0 && ndvas <= spa_max_replication(spa));
1632         ASSERT(BP_GET_NDVAS(bp) == 0);
1633         ASSERT(hintbp == NULL || ndvas <= BP_GET_NDVAS(hintbp));
1634
1635         for (d = 0; d < ndvas; d++) {
1636                 error = metaslab_alloc_dva(spa, mc, psize, dva, d, hintdva,
1637                     txg, flags);
1638                 if (error) {
1639                         for (d--; d >= 0; d--) {
1640                                 metaslab_free_dva(spa, &dva[d], txg, B_TRUE);
1641                                 bzero(&dva[d], sizeof (dva_t));
1642                         }
1643                         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
1644                         return (error);
1645                 }
1646         }
1647         ASSERT(error == 0);
1648         ASSERT(BP_GET_NDVAS(bp) == ndvas);
1649
1650         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
1651
1652         BP_SET_BIRTH(bp, txg, txg);
1653
1654         return (0);
1655 }
1656
1657 void
1658 metaslab_free(spa_t *spa, const blkptr_t *bp, uint64_t txg, boolean_t now)
1659 {
1660         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
1661         int d, ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
1662
1663         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
1664         ASSERT(!now || bp->blk_birth >= spa_syncing_txg(spa));
1665
1666         spa_config_enter(spa, SCL_FREE, FTAG, RW_READER);
1667
1668         for (d = 0; d < ndvas; d++)
1669                 metaslab_free_dva(spa, &dva[d], txg, now);
1670
1671         spa_config_exit(spa, SCL_FREE, FTAG);
1672 }
1673
1674 int
1675 metaslab_claim(spa_t *spa, const blkptr_t *bp, uint64_t txg)
1676 {
1677         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
1678         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
1679         int d, error = 0;
1680
1681         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
1682
1683         if (txg != 0) {
1684                 /*
1685                  * First do a dry run to make sure all DVAs are claimable,
1686                  * so we don't have to unwind from partial failures below.
1687                  */
1688                 if ((error = metaslab_claim(spa, bp, 0)) != 0)
1689                         return (error);
1690         }
1691
1692         spa_config_enter(spa, SCL_ALLOC, FTAG, RW_READER);
1693
1694         for (d = 0; d < ndvas; d++)
1695                 if ((error = metaslab_claim_dva(spa, &dva[d], txg)) != 0)
1696                         break;
1697
1698         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
1699
1700         ASSERT(error == 0 || txg == 0);
1701
1702         return (error);
1703 }
1704
1705 void metaslab_fastwrite_mark(spa_t *spa, const blkptr_t *bp)
1706 {
1707         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
1708         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
1709         uint64_t psize = BP_GET_PSIZE(bp);
1710         int d;
1711         vdev_t *vd;
1712
1713         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
1714         ASSERT(psize > 0);
1715
1716         spa_config_enter(spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
1717
1718         for (d = 0; d < ndvas; d++) {
1719                 if ((vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&dva[d]))) == NULL)
1720                         continue;
1721                 atomic_add_64(&vd->vdev_pending_fastwrite, psize);
1722         }
1723
1724         spa_config_exit(spa, SCL_VDEV, FTAG);
1725 }
1726
1727 void metaslab_fastwrite_unmark(spa_t *spa, const blkptr_t *bp)
1728 {
1729         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
1730         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
1731         uint64_t psize = BP_GET_PSIZE(bp);
1732         int d;
1733         vdev_t *vd;
1734
1735         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
1736         ASSERT(psize > 0);
1737
1738         spa_config_enter(spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
1739
1740         for (d = 0; d < ndvas; d++) {
1741                 if ((vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&dva[d]))) == NULL)
1742                         continue;
1743                 ASSERT3U(vd->vdev_pending_fastwrite, >=, psize);
1744                 atomic_sub_64(&vd->vdev_pending_fastwrite, psize);
1745         }
1746
1747         spa_config_exit(spa, SCL_VDEV, FTAG);
1748 }
1749
1750 #if defined(_KERNEL) && defined(HAVE_SPL)
1751 module_param(metaslab_debug, int, 0644);
1752 MODULE_PARM_DESC(metaslab_debug, "keep space maps in core to verify frees");
1753 #endif /* _KERNEL && HAVE_SPL */