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                         space_map_obj_t *smo = &msp->ms_smo;
 903
 904                         int error = space_map_load(sm, sm_ops, SM_FREE, smo,
 905                             spa_meta_objset(msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa));
 906                         if (error)  {
 907                                 metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp, 0);
 908                                 return (error);
 909                         }
 910                         for (t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++)
 911                                 space_map_walk(&msp->ms_defermap[t],
 912                                     space_map_claim, sm);
 913
 914                 }
 915
 916                 /*
 917                  * Track the bonus area as we activate new metaslabs.
 918                  */
 919                 if (sm->sm_start > mg->mg_bonus_area) {
 920                         mutex_enter(&mg->mg_lock);
 921                         mg->mg_bonus_area = sm->sm_start;
 922                         mutex_exit(&mg->mg_lock);
 923                 }
 924
 925                 metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp,
 926                     msp->ms_weight | activation_weight);
 927         }
 928         ASSERT(sm->sm_loaded);
 929         ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
 930
 931         return (0);
 932 }
 933
 934 static void
 935 metaslab_passivate(metaslab_t *msp, uint64_t size)
 936 {
 937         /*
 938          * If size < SPA_MINBLOCKSIZE, then we will not allocate from
 939          * this metaslab again.  In that case, it had better be empty,
 940          * or we would be leaving space on the table.
 941          */
 942         ASSERT(size >= SPA_MINBLOCKSIZE || msp->ms_map.sm_space == 0);
 943         metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp, MIN(msp->ms_weight, size));
 944         ASSERT((msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) == 0);
 945 }
 946
 947 /*
 948  * Write a metaslab to disk in the context of the specified transaction group.
 949  */
 950 void
 951 metaslab_sync(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
 952 {
 953         vdev_t *vd = msp->ms_group->mg_vd;
 954         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
 955         objset_t *mos = spa_meta_objset(spa);
 956         space_map_t *allocmap = &msp->ms_allocmap[txg & TXG_MASK];
 957         space_map_t *freemap = &msp->ms_freemap[txg & TXG_MASK];
 958         space_map_t *freed_map = &msp->ms_freemap[TXG_CLEAN(txg) & TXG_MASK];
 959         space_map_t *sm = &msp->ms_map;
 960         space_map_obj_t *smo = &msp->ms_smo_syncing;
 961         dmu_buf_t *db;
 962         dmu_tx_t *tx;
 963         int t;
 964
 965         ASSERT(!vd->vdev_ishole);
 966
 967         if (allocmap->sm_space == 0 && freemap->sm_space == 0)
 968                 return;
 969
 970         /*
 971          * The only state that can actually be changing concurrently with
 972          * metaslab_sync() is the metaslab's ms_map.  No other thread can
 973          * be modifying this txg's allocmap, freemap, freed_map, or smo.
 974          * Therefore, we only hold ms_lock to satify space_map ASSERTs.
 975          * We drop it whenever we call into the DMU, because the DMU
 976          * can call down to us (e.g. via zio_free()) at any time.
 977          */
 978
 979         tx = dmu_tx_create_assigned(spa_get_dsl(spa), txg);
 980
 981         if (smo->smo_object == 0) {
 982                 ASSERT(smo->smo_objsize == 0);
 983                 ASSERT(smo->smo_alloc == 0);
 984                 smo->smo_object = dmu_object_alloc(mos,
 985                     DMU_OT_SPACE_MAP, 1 << SPACE_MAP_BLOCKSHIFT,
 986                     DMU_OT_SPACE_MAP_HEADER, sizeof (*smo), tx);
 987                 ASSERT(smo->smo_object != 0);
 988                 dmu_write(mos, vd->vdev_ms_array, sizeof (uint64_t) *
 989                     (sm->sm_start >> vd->vdev_ms_shift),
 990                     sizeof (uint64_t), &smo->smo_object, tx);
 991         }
 992
 993         mutex_enter(&msp->ms_lock);
 994
 995         space_map_walk(freemap, space_map_add, freed_map);
 996
 997         if (sm->sm_loaded && spa_sync_pass(spa) == 1 && smo->smo_objsize >=
 998             2 * sizeof (uint64_t) * avl_numnodes(&sm->sm_root)) {
 999                 /*
1000                  * The in-core space map representation is twice as compact
1001                  * as the on-disk one, so it's time to condense the latter
1002                  * by generating a pure allocmap from first principles.
1003                  *
1004                  * This metaslab is 100% allocated,
1005                  * minus the content of the in-core map (sm),
1006                  * minus what's been freed this txg (freed_map),
1007                  * minus deferred frees (ms_defermap[]),
1008                  * minus allocations from txgs in the future
1009                  * (because they haven't been committed yet).
1010                  */
1011                 space_map_vacate(allocmap, NULL, NULL);
1012                 space_map_vacate(freemap, NULL, NULL);
1013
1014                 space_map_add(allocmap, allocmap->sm_start, allocmap->sm_size);
1015
1016                 space_map_walk(sm, space_map_remove, allocmap);
1017                 space_map_walk(freed_map, space_map_remove, allocmap);
1018
1019                 for (t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++)
1020                         space_map_walk(&msp->ms_defermap[t],
1021                             space_map_remove, allocmap);
1022
1023                 for (t = 1; t < TXG_CONCURRENT_STATES; t++)
1024                         space_map_walk(&msp->ms_allocmap[(txg + t) & TXG_MASK],
1025                             space_map_remove, allocmap);
1026
1027                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
1028                 space_map_truncate(smo, mos, tx);
1029                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
1030         }
1031
1032         space_map_sync(allocmap, SM_ALLOC, smo, mos, tx);
1033         space_map_sync(freemap, SM_FREE, smo, mos, tx);
1034
1035         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1036
1037         VERIFY(0 == dmu_bonus_hold(mos, smo->smo_object, FTAG, &db));
1038         dmu_buf_will_dirty(db, tx);
1039         ASSERT3U(db->db_size, >=, sizeof (*smo));
1040         bcopy(smo, db->db_data, sizeof (*smo));
1041         dmu_buf_rele(db, FTAG);
1042
1043         dmu_tx_commit(tx);
1044 }
1045
1046 /*
1047  * Called after a transaction group has completely synced to mark
1048  * all of the metaslab's free space as usable.
1049  */
1050 void
1051 metaslab_sync_done(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
1052 {
1053         space_map_obj_t *smo = &msp->ms_smo;
1054         space_map_obj_t *smosync = &msp->ms_smo_syncing;
1055         space_map_t *sm = &msp->ms_map;
1056         space_map_t *freed_map = &msp->ms_freemap[TXG_CLEAN(txg) & TXG_MASK];
1057         space_map_t *defer_map = &msp->ms_defermap[txg % TXG_DEFER_SIZE];
1058         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
1059         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
1060         int64_t alloc_delta, defer_delta;
1061         int t;
1062
1063         ASSERT(!vd->vdev_ishole);
1064
1065         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1066
1067         /*
1068          * If this metaslab is just becoming available, initialize its
1069          * allocmaps and freemaps and add its capacity to the vdev.
1070          */
1071         if (freed_map->sm_size == 0) {
1072                 for (t = 0; t < TXG_SIZE; t++) {
1073                         space_map_create(&msp->ms_allocmap[t], sm->sm_start,
1074                             sm->sm_size, sm->sm_shift, sm->sm_lock);
1075                         space_map_create(&msp->ms_freemap[t], sm->sm_start,
1076                             sm->sm_size, sm->sm_shift, sm->sm_lock);
1077                 }
1078
1079                 for (t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++)
1080                         space_map_create(&msp->ms_defermap[t], sm->sm_start,
1081                             sm->sm_size, sm->sm_shift, sm->sm_lock);
1082
1083                 vdev_space_update(vd, 0, 0, sm->sm_size);
1084         }
1085
1086         alloc_delta = smosync->smo_alloc - smo->smo_alloc;
1087         defer_delta = freed_map->sm_space - defer_map->sm_space;
1088
1089         vdev_space_update(vd, alloc_delta + defer_delta, defer_delta, 0);
1090
1091         ASSERT(msp->ms_allocmap[txg & TXG_MASK].sm_space == 0);
1092         ASSERT(msp->ms_freemap[txg & TXG_MASK].sm_space == 0);
1093
1094         /*
1095          * If there's a space_map_load() in progress, wait for it to complete
1096          * so that we have a consistent view of the in-core space map.
1097          * Then, add defer_map (oldest deferred frees) to this map and
1098          * transfer freed_map (this txg's frees) to defer_map.
1099          */
1100         space_map_load_wait(sm);
1101         space_map_vacate(defer_map, sm->sm_loaded ? space_map_free : NULL, sm);
1102         space_map_vacate(freed_map, space_map_add, defer_map);
1103
1104         *smo = *smosync;
1105
1106         msp->ms_deferspace += defer_delta;
1107         ASSERT3S(msp->ms_deferspace, >=, 0);
1108         ASSERT3S(msp->ms_deferspace, <=, sm->sm_size);
1109         if (msp->ms_deferspace != 0) {
1110                 /*
1111                  * Keep syncing this metaslab until all deferred frees
1112                  * are back in circulation.
1113                  */
1114                 vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg + 1);
1115         }
1116
1117         /*
1118          * If the map is loaded but no longer active, evict it as soon as all
1119          * future allocations have synced.  (If we unloaded it now and then
1120          * loaded a moment later, the map wouldn't reflect those allocations.)
1121          */
1122         if (sm->sm_loaded && (msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) == 0) {
1123                 int evictable = 1;
1124
1125                 for (t = 1; t < TXG_CONCURRENT_STATES; t++)
1126                         if (msp->ms_allocmap[(txg + t) & TXG_MASK].sm_space)
1127                                 evictable = 0;
1128
1129                 if (evictable && !metaslab_debug)
1130                         space_map_unload(sm);
1131         }
1132
1133         metaslab_group_sort(mg, msp, metaslab_weight(msp));
1134
1135         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1136 }
1137
1138 void
1139 metaslab_sync_reassess(metaslab_group_t *mg)
1140 {
1141         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
1142         int64_t failures = mg->mg_alloc_failures;
1143         int m;
1144
1145         /*
1146          * Re-evaluate all metaslabs which have lower offsets than the
1147          * bonus area.
1148          */
1149         for (m = 0; m < vd->vdev_ms_count; m++) {
1150                 metaslab_t *msp = vd->vdev_ms[m];
1151
1152                 if (msp->ms_map.sm_start > mg->mg_bonus_area)
1153                         break;
1154
1155                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
1156                 metaslab_group_sort(mg, msp, metaslab_weight(msp));
1157                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
1158         }
1159
1160         atomic_add_64(&mg->mg_alloc_failures, -failures);
1161
1162         /*
1163          * Prefetch the next potential metaslabs
1164          */
1165         metaslab_prefetch(mg);
1166 }
1167
1168 static uint64_t
1169 metaslab_distance(metaslab_t *msp, dva_t *dva)
1170 {
1171         uint64_t ms_shift = msp->ms_group->mg_vd->vdev_ms_shift;
1172         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva) >> ms_shift;
1173         uint64_t start = msp->ms_map.sm_start >> ms_shift;
1174
1175         if (msp->ms_group->mg_vd->vdev_id != DVA_GET_VDEV(dva))
1176                 return (1ULL << 63);
1177
1178         if (offset < start)
1179                 return ((start - offset) << ms_shift);
1180         if (offset > start)
1181                 return ((offset - start) << ms_shift);
1182         return (0);
1183 }
1184
1185 static uint64_t
1186 metaslab_group_alloc(metaslab_group_t *mg, uint64_t psize, uint64_t asize,
1187     uint64_t txg, uint64_t min_distance, dva_t *dva, int d, int flags)
1188 {
1189         spa_t *spa = mg->mg_vd->vdev_spa;
1190         metaslab_t *msp = NULL;
1191         uint64_t offset = -1ULL;
1192         avl_tree_t *t = &mg->mg_metaslab_tree;
1193         uint64_t activation_weight;
1194         uint64_t target_distance;
1195         int i;
1196
1197         activation_weight = METASLAB_WEIGHT_PRIMARY;
1198         for (i = 0; i < d; i++) {
1199                 if (DVA_GET_VDEV(&dva[i]) == mg->mg_vd->vdev_id) {
1200                         activation_weight = METASLAB_WEIGHT_SECONDARY;
1201                         break;
1202                 }
1203         }
1204
1205         for (;;) {
1206                 boolean_t was_active;
1207
1208                 mutex_enter(&mg->mg_lock);
1209                 for (msp = avl_first(t); msp; msp = AVL_NEXT(t, msp)) {
1210                         if (msp->ms_weight < asize) {
1211                                 spa_dbgmsg(spa, "%s: failed to meet weight "
1212                                     "requirement: vdev %llu, txg %llu, mg %p, "
1213                                     "msp %p, psize %llu, asize %llu, "
1214                                     "failures %llu, weight %llu",
1215                                     spa_name(spa), mg->mg_vd->vdev_id, txg,
1216                                     mg, msp, psize, asize,
1217                                     mg->mg_alloc_failures, msp->ms_weight);
1218                                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
1219                                 return (-1ULL);
1220                         }
1221                         was_active = msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK;
1222                         if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY)
1223                                 break;
1224
1225                         target_distance = min_distance +
1226                             (msp->ms_smo.smo_alloc ? 0 : min_distance >> 1);
1227
1228                         for (i = 0; i < d; i++)
1229                                 if (metaslab_distance(msp, &dva[i]) <
1230                                     target_distance)
1231                                         break;
1232                         if (i == d)
1233                                 break;
1234                 }
1235                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
1236                 if (msp == NULL)
1237                         return (-1ULL);
1238
1239                 /*
1240                  * If we've already reached the allowable number of failed
1241                  * allocation attempts on this metaslab group then we
1242                  * consider skipping it. We skip it only if we're allowed
1243                  * to "fast" gang, the physical size is larger than
1244                  * a gang block, and we're attempting to allocate from
1245                  * the primary metaslab.
1246                  */
1247                 if (mg->mg_alloc_failures > zfs_mg_alloc_failures &&
1248                     CAN_FASTGANG(flags) && psize > SPA_GANGBLOCKSIZE &&
1249                     activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY) {
1250                         spa_dbgmsg(spa, "%s: skipping metaslab group: "
1251                             "vdev %llu, txg %llu, mg %p, psize %llu, "
1252                             "asize %llu, failures %llu", spa_name(spa),
1253                             mg->mg_vd->vdev_id, txg, mg, psize, asize,
1254                             mg->mg_alloc_failures);
1255                         return (-1ULL);
1256                 }
1257
1258                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
1259
1260                 /*
1261                  * Ensure that the metaslab we have selected is still
1262                  * capable of handling our request. It's possible that
1263                  * another thread may have changed the weight while we
1264                  * were blocked on the metaslab lock.
1265                  */
1266                 if (msp->ms_weight < asize || (was_active &&
1267                     !(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) &&
1268                     activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY)) {
1269                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1270                         continue;
1271                 }
1272
1273                 if ((msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_SECONDARY) &&
1274                     activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY) {
1275                         metaslab_passivate(msp,
1276                             msp->ms_weight & ~METASLAB_ACTIVE_MASK);
1277                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1278                         continue;
1279                 }
1280
1281                 if (metaslab_activate(msp, activation_weight) != 0) {
1282                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1283                         continue;
1284                 }
1285
1286                 if ((offset = space_map_alloc(&msp->ms_map, asize)) != -1ULL)
1287                         break;
1288
1289                 atomic_inc_64(&mg->mg_alloc_failures);
1290
1291                 metaslab_passivate(msp, space_map_maxsize(&msp->ms_map));
1292
1293                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
1294         }
1295
1296         if (msp->ms_allocmap[txg & TXG_MASK].sm_space == 0)
1297                 vdev_dirty(mg->mg_vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
1298
1299         space_map_add(&msp->ms_allocmap[txg & TXG_MASK], offset, asize);
1300
1301         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1302
1303         return (offset);
1304 }
1305
1306 /*
1307  * Allocate a block for the specified i/o.
1308  */
1309 static int
1310 metaslab_alloc_dva(spa_t *spa, metaslab_class_t *mc, uint64_t psize,
1311     dva_t *dva, int d, dva_t *hintdva, uint64_t txg, int flags)
1312 {
1313         metaslab_group_t *mg, *fast_mg, *rotor;
1314         vdev_t *vd;
1315         int dshift = 3;
1316         int all_zero;
1317         int zio_lock = B_FALSE;
1318         boolean_t allocatable;
1319         uint64_t offset = -1ULL;
1320         uint64_t asize;
1321         uint64_t distance;
1322
1323         ASSERT(!DVA_IS_VALID(&dva[d]));
1324
1325         /*
1326          * For testing, make some blocks above a certain size be gang blocks.
1327          */
1328         if (psize >= metaslab_gang_bang && (ddi_get_lbolt() & 3) == 0)
1329                 return (ENOSPC);
1330
1331         if (flags & METASLAB_FASTWRITE)
1332                 mutex_enter(&mc->mc_fastwrite_lock);
1333
1334         /*
1335          * Start at the rotor and loop through all mgs until we find something.
1336          * Note that there's no locking on mc_rotor or mc_aliquot because
1337          * nothing actually breaks if we miss a few updates -- we just won't
1338          * allocate quite as evenly.  It all balances out over time.
1339          *
1340          * If we are doing ditto or log blocks, try to spread them across
1341          * consecutive vdevs.  If we're forced to reuse a vdev before we've
1342          * allocated all of our ditto blocks, then try and spread them out on
1343          * that vdev as much as possible.  If it turns out to not be possible,
1344          * gradually lower our standards until anything becomes acceptable.
1345          * Also, allocating on consecutive vdevs (as opposed to random vdevs)
1346          * gives us hope of containing our fault domains to something we're
1347          * able to reason about.  Otherwise, any two top-level vdev failures
1348          * will guarantee the loss of data.  With consecutive allocation,
1349          * only two adjacent top-level vdev failures will result in data loss.
1350          *
1351          * If we are doing gang blocks (hintdva is non-NULL), try to keep
1352          * ourselves on the same vdev as our gang block header.  That
1353          * way, we can hope for locality in vdev_cache, plus it makes our
1354          * fault domains something tractable.
1355          */
1356         if (hintdva) {
1357                 vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&hintdva[d]));
1358
1359                 /*
1360                  * It's possible the vdev we're using as the hint no
1361                  * longer exists (i.e. removed). Consult the rotor when
1362                  * all else fails.
1363                  */
1364                 if (vd != NULL) {
1365                         mg = vd->vdev_mg;
1366
1367                         if (flags & METASLAB_HINTBP_AVOID &&
1368                             mg->mg_next != NULL)
1369                                 mg = mg->mg_next;
1370                 } else {
1371                         mg = mc->mc_rotor;
1372                 }
1373         } else if (d != 0) {
1374                 vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&dva[d - 1]));
1375                 mg = vd->vdev_mg->mg_next;
1376         } else if (flags & METASLAB_FASTWRITE) {
1377                 mg = fast_mg = mc->mc_rotor;
1378
1379                 do {
1380                         if (fast_mg->mg_vd->vdev_pending_fastwrite <
1381                             mg->mg_vd->vdev_pending_fastwrite)
1382                                 mg = fast_mg;
1383                 } while ((fast_mg = fast_mg->mg_next) != mc->mc_rotor);
1384
1385         } else {
1386                 mg = mc->mc_rotor;
1387         }
1388
1389         /*
1390          * If the hint put us into the wrong metaslab class, or into a
1391          * metaslab group that has been passivated, just follow the rotor.
1392          */
1393         if (mg->mg_class != mc || mg->mg_activation_count <= 0)
1394                 mg = mc->mc_rotor;
1395
1396         rotor = mg;
1397 top:
1398         all_zero = B_TRUE;
1399         do {
1400                 ASSERT(mg->mg_activation_count == 1);
1401
1402                 vd = mg->mg_vd;
1403
1404                 /*
1405                  * Don't allocate from faulted devices.
1406                  */
1407                 if (zio_lock) {
1408                         spa_config_enter(spa, SCL_ZIO, FTAG, RW_READER);
1409                         allocatable = vdev_allocatable(vd);
1410                         spa_config_exit(spa, SCL_ZIO, FTAG);
1411                 } else {
1412                         allocatable = vdev_allocatable(vd);
1413                 }
1414                 if (!allocatable)
1415                         goto next;
1416
1417                 /*
1418                  * Avoid writing single-copy data to a failing vdev
1419                  */
1420                 if ((vd->vdev_stat.vs_write_errors > 0 ||
1421                     vd->vdev_state < VDEV_STATE_HEALTHY) &&
1422                     d == 0 && dshift == 3) {
1423                         all_zero = B_FALSE;
1424                         goto next;
1425                 }
1426
1427                 ASSERT(mg->mg_class == mc);
1428
1429                 distance = vd->vdev_asize >> dshift;
1430                 if (distance <= (1ULL << vd->vdev_ms_shift))
1431                         distance = 0;
1432                 else
1433                         all_zero = B_FALSE;
1434
1435                 asize = vdev_psize_to_asize(vd, psize);
1436                 ASSERT(P2PHASE(asize, 1ULL << vd->vdev_ashift) == 0);
1437
1438                 offset = metaslab_group_alloc(mg, psize, asize, txg, distance,
1439                     dva, d, flags);
1440                 if (offset != -1ULL) {
1441                         /*
1442                          * If we've just selected this metaslab group,
1443                          * figure out whether the corresponding vdev is
1444                          * over- or under-used relative to the pool,
1445                          * and set an allocation bias to even it out.
1446                          */
1447                         if (mc->mc_aliquot == 0) {
1448                                 vdev_stat_t *vs = &vd->vdev_stat;
1449                                 int64_t vu, cu;
1450
1451                                 vu = (vs->vs_alloc * 100) / (vs->vs_space + 1);
1452                                 cu = (mc->mc_alloc * 100) / (mc->mc_space + 1);
1453
1454                                 /*
1455                                  * Calculate how much more or less we should
1456                                  * try to allocate from this device during
1457                                  * this iteration around the rotor.
1458                                  * For example, if a device is 80% full
1459                                  * and the pool is 20% full then we should
1460                                  * reduce allocations by 60% on this device.
1461                                  *
1462                                  * mg_bias = (20 - 80) * 512K / 100 = -307K
1463                                  *
1464                                  * This reduces allocations by 307K for this
1465                                  * iteration.
1466                                  */
1467                                 mg->mg_bias = ((cu - vu) *
1468                                     (int64_t)mg->mg_aliquot) / 100;
1469                         }
1470
1471                         if ((flags & METASLAB_FASTWRITE) ||
1472                             atomic_add_64_nv(&mc->mc_aliquot, asize) >=
1473                             mg->mg_aliquot + mg->mg_bias) {
1474                                 mc->mc_rotor = mg->mg_next;
1475                                 mc->mc_aliquot = 0;
1476                         }
1477
1478                         DVA_SET_VDEV(&dva[d], vd->vdev_id);
1479                         DVA_SET_OFFSET(&dva[d], offset);
1480                         DVA_SET_GANG(&dva[d], !!(flags & METASLAB_GANG_HEADER));
1481                         DVA_SET_ASIZE(&dva[d], asize);
1482
1483                         if (flags & METASLAB_FASTWRITE) {
1484                                 atomic_add_64(&vd->vdev_pending_fastwrite,
1485                                     psize);
1486                                 mutex_exit(&mc->mc_fastwrite_lock);
1487                         }
1488
1489                         return (0);
1490                 }
1491 next:
1492                 mc->mc_rotor = mg->mg_next;
1493                 mc->mc_aliquot = 0;
1494         } while ((mg = mg->mg_next) != rotor);
1495
1496         if (!all_zero) {
1497                 dshift++;
1498                 ASSERT(dshift < 64);
1499                 goto top;
1500         }
1501
1502         if (!allocatable && !zio_lock) {
1503                 dshift = 3;
1504                 zio_lock = B_TRUE;
1505                 goto top;
1506         }
1507
1508         bzero(&dva[d], sizeof (dva_t));
1509
1510         if (flags & METASLAB_FASTWRITE)
1511                 mutex_exit(&mc->mc_fastwrite_lock);
1512         return (ENOSPC);
1513 }
1514
1515 /*
1516  * Free the block represented by DVA in the context of the specified
1517  * transaction group.
1518  */
1519 static void
1520 metaslab_free_dva(spa_t *spa, const dva_t *dva, uint64_t txg, boolean_t now)
1521 {
1522         uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(dva);
1523         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
1524         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
1525         vdev_t *vd;
1526         metaslab_t *msp;
1527
1528         ASSERT(DVA_IS_VALID(dva));
1529
1530         if (txg > spa_freeze_txg(spa))
1531                 return;
1532
1533         if ((vd = vdev_lookup_top(spa, vdev)) == NULL ||
1534             (offset >> vd->vdev_ms_shift) >= vd->vdev_ms_count) {
1535                 cmn_err(CE_WARN, "metaslab_free_dva(): bad DVA %llu:%llu",
1536                     (u_longlong_t)vdev, (u_longlong_t)offset);
1537                 ASSERT(0);
1538                 return;
1539         }
1540
1541         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
1542
1543         if (DVA_GET_GANG(dva))
1544                 size = vdev_psize_to_asize(vd, SPA_GANGBLOCKSIZE);
1545
1546         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1547
1548         if (now) {
1549                 space_map_remove(&msp->ms_allocmap[txg & TXG_MASK],
1550                     offset, size);
1551                 space_map_free(&msp->ms_map, offset, size);
1552         } else {
1553                 if (msp->ms_freemap[txg & TXG_MASK].sm_space == 0)
1554                         vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
1555                 space_map_add(&msp->ms_freemap[txg & TXG_MASK], offset, size);
1556         }
1557
1558         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1559 }
1560
1561 /*
1562  * Intent log support: upon opening the pool after a crash, notify the SPA
1563  * of blocks that the intent log has allocated for immediate write, but
1564  * which are still considered free by the SPA because the last transaction
1565  * group didn't commit yet.
1566  */
1567 static int
1568 metaslab_claim_dva(spa_t *spa, const dva_t *dva, uint64_t txg)
1569 {
1570         uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(dva);
1571         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
1572         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
1573         vdev_t *vd;
1574         metaslab_t *msp;
1575         int error = 0;
1576
1577         ASSERT(DVA_IS_VALID(dva));
1578
1579         if ((vd = vdev_lookup_top(spa, vdev)) == NULL ||
1580             (offset >> vd->vdev_ms_shift) >= vd->vdev_ms_count)
1581                 return (ENXIO);
1582
1583         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
1584
1585         if (DVA_GET_GANG(dva))
1586                 size = vdev_psize_to_asize(vd, SPA_GANGBLOCKSIZE);
1587
1588         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1589
1590         if ((txg != 0 && spa_writeable(spa)) || !msp->ms_map.sm_loaded)
1591                 error = metaslab_activate(msp, METASLAB_WEIGHT_SECONDARY);
1592
1593         if (error == 0 && !space_map_contains(&msp->ms_map, offset, size))
1594                 error = ENOENT;
1595
1596         if (error || txg == 0) {        /* txg == 0 indicates dry run */
1597                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
1598                 return (error);
1599         }
1600
1601         space_map_claim(&msp->ms_map, offset, size);
1602
1603         if (spa_writeable(spa)) {       /* don't dirty if we're zdb(1M) */
1604                 if (msp->ms_allocmap[txg & TXG_MASK].sm_space == 0)
1605                         vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
1606                 space_map_add(&msp->ms_allocmap[txg & TXG_MASK], offset, size);
1607         }
1608
1609         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1610
1611         return (0);
1612 }
1613
1614 int
1615 metaslab_alloc(spa_t *spa, metaslab_class_t *mc, uint64_t psize, blkptr_t *bp,
1616     int ndvas, uint64_t txg, blkptr_t *hintbp, int flags)
1617 {
1618         dva_t *dva = bp->blk_dva;
1619         dva_t *hintdva = hintbp->blk_dva;
1620         int d, error = 0;
1621
1622         ASSERT(bp->blk_birth == 0);
1623         ASSERT(BP_PHYSICAL_BIRTH(bp) == 0);
1624
1625         spa_config_enter(spa, SCL_ALLOC, FTAG, RW_READER);
1626
1627         if (mc->mc_rotor == NULL) {     /* no vdevs in this class */
1628                 spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
1629                 return (ENOSPC);
1630         }
1631
1632         ASSERT(ndvas > 0 && ndvas <= spa_max_replication(spa));
1633         ASSERT(BP_GET_NDVAS(bp) == 0);
1634         ASSERT(hintbp == NULL || ndvas <= BP_GET_NDVAS(hintbp));
1635
1636         for (d = 0; d < ndvas; d++) {
1637                 error = metaslab_alloc_dva(spa, mc, psize, dva, d, hintdva,
1638                     txg, flags);
1639                 if (error) {
1640                         for (d--; d >= 0; d--) {
1641                                 metaslab_free_dva(spa, &dva[d], txg, B_TRUE);
1642                                 bzero(&dva[d], sizeof (dva_t));
1643                         }
1644                         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
1645                         return (error);
1646                 }
1647         }
1648         ASSERT(error == 0);
1649         ASSERT(BP_GET_NDVAS(bp) == ndvas);
1650
1651         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
1652
1653         BP_SET_BIRTH(bp, txg, txg);
1654
1655         return (0);
1656 }
1657
1658 void
1659 metaslab_free(spa_t *spa, const blkptr_t *bp, uint64_t txg, boolean_t now)
1660 {
1661         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
1662         int d, ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
1663
1664         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
1665         ASSERT(!now || bp->blk_birth >= spa_syncing_txg(spa));
1666
1667         spa_config_enter(spa, SCL_FREE, FTAG, RW_READER);
1668
1669         for (d = 0; d < ndvas; d++)
1670                 metaslab_free_dva(spa, &dva[d], txg, now);
1671
1672         spa_config_exit(spa, SCL_FREE, FTAG);
1673 }
1674
1675 int
1676 metaslab_claim(spa_t *spa, const blkptr_t *bp, uint64_t txg)
1677 {
1678         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
1679         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
1680         int d, error = 0;
1681
1682         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
1683
1684         if (txg != 0) {
1685                 /*
1686                  * First do a dry run to make sure all DVAs are claimable,
1687                  * so we don't have to unwind from partial failures below.
1688                  */
1689                 if ((error = metaslab_claim(spa, bp, 0)) != 0)
1690                         return (error);
1691         }
1692
1693         spa_config_enter(spa, SCL_ALLOC, FTAG, RW_READER);
1694
1695         for (d = 0; d < ndvas; d++)
1696                 if ((error = metaslab_claim_dva(spa, &dva[d], txg)) != 0)
1697                         break;
1698
1699         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
1700
1701         ASSERT(error == 0 || txg == 0);
1702
1703         return (error);
1704 }
1705
1706 void metaslab_fastwrite_mark(spa_t *spa, const blkptr_t *bp)
1707 {
1708         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
1709         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
1710         uint64_t psize = BP_GET_PSIZE(bp);
1711         int d;
1712         vdev_t *vd;
1713
1714         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
1715         ASSERT(psize > 0);
1716
1717         spa_config_enter(spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
1718
1719         for (d = 0; d < ndvas; d++) {
1720                 if ((vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&dva[d]))) == NULL)
1721                         continue;
1722                 atomic_add_64(&vd->vdev_pending_fastwrite, psize);
1723         }
1724
1725         spa_config_exit(spa, SCL_VDEV, FTAG);
1726 }
1727
1728 void metaslab_fastwrite_unmark(spa_t *spa, const blkptr_t *bp)
1729 {
1730         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
1731         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
1732         uint64_t psize = BP_GET_PSIZE(bp);
1733         int d;
1734         vdev_t *vd;
1735
1736         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
1737         ASSERT(psize > 0);
1738
1739         spa_config_enter(spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
1740
1741         for (d = 0; d < ndvas; d++) {
1742                 if ((vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&dva[d]))) == NULL)
1743                         continue;
1744                 ASSERT3U(vd->vdev_pending_fastwrite, >=, psize);
1745                 atomic_sub_64(&vd->vdev_pending_fastwrite, psize);
1746         }
1747
1748         spa_config_exit(spa, SCL_VDEV, FTAG);
1749 }
1750
1751 #if defined(_KERNEL) && defined(HAVE_SPL)
1752 module_param(metaslab_debug, int, 0644);
1753 MODULE_PARM_DESC(metaslab_debug, "keep space maps in core to verify frees");
1754 #endif /* _KERNEL && HAVE_SPL */