module/zfs/vdev_queue.c

   1 /*
   2  * CDDL HEADER START
   3  *
   4  * The contents of this file are subject to the terms of the
   5  * Common Development and Distribution License (the "License").
   6  * You may not use this file except in compliance with the License.
   7  *
   8  * You can obtain a copy of the license at usr/src/OPENSOLARIS.LICENSE
   9  * or http://www.opensolaris.org/os/licensing.
  10  * See the License for the specific language governing permissions
  11  * and limitations under the License.
  12  *
  13  * When distributing Covered Code, include this CDDL HEADER in each
  14  * file and include the License file at usr/src/OPENSOLARIS.LICENSE.
  15  * If applicable, add the following below this CDDL HEADER, with the
  16  * fields enclosed by brackets "[]" replaced with your own identifying
  17  * information: Portions Copyright [yyyy] [name of copyright owner]
  18  *
  19  * CDDL HEADER END
  20  */
  21 /*
  22  * Copyright 2009 Sun Microsystems, Inc.  All rights reserved.
  23  * Use is subject to license terms.
  24  */
  25
  26 /*
  27  * Copyright (c) 2012 by Delphix. All rights reserved.
  28  */
  29
  30 #include <sys/zfs_context.h>
  31 #include <sys/vdev_impl.h>
  32 #include <sys/zio.h>
  33 #include <sys/avl.h>
  34
  35 /*
  36  * These tunables are for performance analysis.
  37  */
  38 /*
  39  * zfs_vdev_max_pending is the maximum number of i/os concurrently
  40  * pending to each device.  zfs_vdev_min_pending is the initial number
  41  * of i/os pending to each device (before it starts ramping up to
  42  * max_pending).
  43  */
  44 int zfs_vdev_max_pending = 10;
  45 int zfs_vdev_min_pending = 4;
  46
  47 /* deadline = pri + ddi_get_lbolt64() >> time_shift) */
  48 int zfs_vdev_time_shift = 6;
  49
  50 /* exponential I/O issue ramp-up rate */
  51 int zfs_vdev_ramp_rate = 2;
  52
  53 /*
  54  * To reduce IOPs, we aggregate small adjacent I/Os into one large I/O.
  55  * For read I/Os, we also aggregate across small adjacency gaps; for writes
  56  * we include spans of optional I/Os to aid aggregation at the disk even when
  57  * they aren't able to help us aggregate at this level.
  58  */
  59 int zfs_vdev_aggregation_limit = SPA_MAXBLOCKSIZE;
  60 int zfs_vdev_read_gap_limit = 32 << 10;
  61 int zfs_vdev_write_gap_limit = 4 << 10;
  62
  63 /*
  64  * Virtual device vector for disk I/O scheduling.
  65  */
  66 int
  67 vdev_queue_deadline_compare(const void *x1, const void *x2)
  68 {
  69         const zio_t *z1 = x1;
  70         const zio_t *z2 = x2;
  71
  72         if (z1->io_deadline < z2->io_deadline)
  73                 return (-1);
  74         if (z1->io_deadline > z2->io_deadline)
  75                 return (1);
  76
  77         if (z1->io_offset < z2->io_offset)
  78                 return (-1);
  79         if (z1->io_offset > z2->io_offset)
  80                 return (1);
  81
  82         if (z1 < z2)
  83                 return (-1);
  84         if (z1 > z2)
  85                 return (1);
  86
  87         return (0);
  88 }
  89
  90 int
  91 vdev_queue_offset_compare(const void *x1, const void *x2)
  92 {
  93         const zio_t *z1 = x1;
  94         const zio_t *z2 = x2;
  95
  96         if (z1->io_offset < z2->io_offset)
  97                 return (-1);
  98         if (z1->io_offset > z2->io_offset)
  99                 return (1);
 100
 101         if (z1 < z2)
 102                 return (-1);
 103         if (z1 > z2)
 104                 return (1);
 105
 106         return (0);
 107 }
 108
 109 void
 110 vdev_queue_init(vdev_t *vd)
 111 {
 112         vdev_queue_t *vq = &vd->vdev_queue;
 113         int i;
 114
 115         mutex_init(&vq->vq_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
 116
 117         avl_create(&vq->vq_deadline_tree, vdev_queue_deadline_compare,
 118             sizeof (zio_t), offsetof(struct zio, io_deadline_node));
 119
 120         avl_create(&vq->vq_read_tree, vdev_queue_offset_compare,
 121             sizeof (zio_t), offsetof(struct zio, io_offset_node));
 122
 123         avl_create(&vq->vq_write_tree, vdev_queue_offset_compare,
 124             sizeof (zio_t), offsetof(struct zio, io_offset_node));
 125
 126         avl_create(&vq->vq_pending_tree, vdev_queue_offset_compare,
 127             sizeof (zio_t), offsetof(struct zio, io_offset_node));
 128
 129         /*
 130          * A list of buffers which can be used for aggregate I/O, this
 131          * avoids the need to allocate them on demand when memory is low.
 132          */
 133         list_create(&vq->vq_io_list, sizeof (vdev_io_t),
 134             offsetof(vdev_io_t, vi_node));
 135
 136         for (i = 0; i < zfs_vdev_max_pending; i++)
 137                 list_insert_tail(&vq->vq_io_list, zio_vdev_alloc());
 138 }
 139
 140 void
 141 vdev_queue_fini(vdev_t *vd)
 142 {
 143         vdev_queue_t *vq = &vd->vdev_queue;
 144         vdev_io_t *vi;
 145
 146         avl_destroy(&vq->vq_deadline_tree);
 147         avl_destroy(&vq->vq_read_tree);
 148         avl_destroy(&vq->vq_write_tree);
 149         avl_destroy(&vq->vq_pending_tree);
 150
 151         while ((vi = list_head(&vq->vq_io_list)) != NULL) {
 152                 list_remove(&vq->vq_io_list, vi);
 153                 zio_vdev_free(vi);
 154         }
 155
 156         list_destroy(&vq->vq_io_list);
 157
 158         mutex_destroy(&vq->vq_lock);
 159 }
 160
 161 static void
 162 vdev_queue_io_add(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 163 {
 164         avl_add(&vq->vq_deadline_tree, zio);
 165         avl_add(zio->io_vdev_tree, zio);
 166 }
 167
 168 static void
 169 vdev_queue_io_remove(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 170 {
 171         avl_remove(&vq->vq_deadline_tree, zio);
 172         avl_remove(zio->io_vdev_tree, zio);
 173 }
 174
 175 static void
 176 vdev_queue_agg_io_done(zio_t *aio)
 177 {
 178         vdev_queue_t *vq = &aio->io_vd->vdev_queue;
 179         vdev_io_t *vi = aio->io_data;
 180         zio_t *pio;
 181
 182         while ((pio = zio_walk_parents(aio)) != NULL)
 183                 if (aio->io_type == ZIO_TYPE_READ)
 184                         bcopy((char *)aio->io_data + (pio->io_offset -
 185                             aio->io_offset), pio->io_data, pio->io_size);
 186
 187         mutex_enter(&vq->vq_lock);
 188         list_insert_tail(&vq->vq_io_list, vi);
 189         mutex_exit(&vq->vq_lock);
 190 }
 191
 192 /*
 193  * Compute the range spanned by two i/os, which is the endpoint of the last
 194  * (lio->io_offset + lio->io_size) minus start of the first (fio->io_offset).
 195  * Conveniently, the gap between fio and lio is given by -IO_SPAN(lio, fio);
 196  * thus fio and lio are adjacent if and only if IO_SPAN(lio, fio) == 0.
 197  */
 198 #define IO_SPAN(fio, lio) ((lio)->io_offset + (lio)->io_size - (fio)->io_offset)
 199 #define IO_GAP(fio, lio) (-IO_SPAN(lio, fio))
 200
 201 static zio_t *
 202 vdev_queue_io_to_issue(vdev_queue_t *vq, uint64_t pending_limit)
 203 {
 204         zio_t *fio, *lio, *aio, *dio, *nio, *mio;
 205         avl_tree_t *t;
 206         vdev_io_t *vi;
 207         int flags;
 208         uint64_t maxspan = MIN(zfs_vdev_aggregation_limit, SPA_MAXBLOCKSIZE);
 209         uint64_t maxgap;
 210         int stretch;
 211
 212 again:
 213         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 214
 215         if (avl_numnodes(&vq->vq_pending_tree) >= pending_limit ||
 216             avl_numnodes(&vq->vq_deadline_tree) == 0)
 217                 return (NULL);
 218
 219         fio = lio = avl_first(&vq->vq_deadline_tree);
 220
 221         t = fio->io_vdev_tree;
 222         flags = fio->io_flags & ZIO_FLAG_AGG_INHERIT;
 223         maxgap = (t == &vq->vq_read_tree) ? zfs_vdev_read_gap_limit : 0;
 224
 225         vi = list_head(&vq->vq_io_list);
 226         if (vi == NULL) {
 227                 vi = zio_vdev_alloc();
 228                 list_insert_head(&vq->vq_io_list, vi);
 229         }
 230
 231         if (!(flags & ZIO_FLAG_DONT_AGGREGATE)) {
 232                 /*
 233                  * We can aggregate I/Os that are sufficiently adjacent and of
 234                  * the same flavor, as expressed by the AGG_INHERIT flags.
 235                  * The latter requirement is necessary so that certain
 236                  * attributes of the I/O, such as whether it's a normal I/O
 237                  * or a scrub/resilver, can be preserved in the aggregate.
 238                  * We can include optional I/Os, but don't allow them
 239                  * to begin a range as they add no benefit in that situation.
 240                  */
 241
 242                 /*
 243                  * We keep track of the last non-optional I/O.
 244                  */
 245                 mio = (fio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL) ? NULL : fio;
 246
 247                 /*
 248                  * Walk backwards through sufficiently contiguous I/Os
 249                  * recording the last non-option I/O.
 250                  */
 251                 while ((dio = AVL_PREV(t, fio)) != NULL &&
 252                     (dio->io_flags & ZIO_FLAG_AGG_INHERIT) == flags &&
 253                     IO_SPAN(dio, lio) <= maxspan &&
 254                     IO_GAP(dio, fio) <= maxgap) {
 255                         fio = dio;
 256                         if (mio == NULL && !(fio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL))
 257                                 mio = fio;
 258                 }
 259
 260                 /*
 261                  * Skip any initial optional I/Os.
 262                  */
 263                 while ((fio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL) && fio != lio) {
 264                         fio = AVL_NEXT(t, fio);
 265                         ASSERT(fio != NULL);
 266                 }
 267
 268                 /*
 269                  * Walk forward through sufficiently contiguous I/Os.
 270                  */
 271                 while ((dio = AVL_NEXT(t, lio)) != NULL &&
 272                     (dio->io_flags & ZIO_FLAG_AGG_INHERIT) == flags &&
 273                     IO_SPAN(fio, dio) <= maxspan &&
 274                     IO_GAP(lio, dio) <= maxgap) {
 275                         lio = dio;
 276                         if (!(lio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL))
 277                                 mio = lio;
 278                 }
 279
 280                 /*
 281                  * Now that we've established the range of the I/O aggregation
 282                  * we must decide what to do with trailing optional I/Os.
 283                  * For reads, there's nothing to do. While we are unable to
 284                  * aggregate further, it's possible that a trailing optional
 285                  * I/O would allow the underlying device to aggregate with
 286                  * subsequent I/Os. We must therefore determine if the next
 287                  * non-optional I/O is close enough to make aggregation
 288                  * worthwhile.
 289                  */
 290                 stretch = B_FALSE;
 291                 if (t != &vq->vq_read_tree && mio != NULL) {
 292                         nio = lio;
 293                         while ((dio = AVL_NEXT(t, nio)) != NULL &&
 294                             IO_GAP(nio, dio) == 0 &&
 295                             IO_GAP(mio, dio) <= zfs_vdev_write_gap_limit) {
 296                                 nio = dio;
 297                                 if (!(nio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL)) {
 298                                         stretch = B_TRUE;
 299                                         break;
 300                                 }
 301                         }
 302                 }
 303
 304                 if (stretch) {
 305                         /* This may be a no-op. */
 306                         VERIFY((dio = AVL_NEXT(t, lio)) != NULL);
 307                         dio->io_flags &= ~ZIO_FLAG_OPTIONAL;
 308                 } else {
 309                         while (lio != mio && lio != fio) {
 310                                 ASSERT(lio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL);
 311                                 lio = AVL_PREV(t, lio);
 312                                 ASSERT(lio != NULL);
 313                         }
 314                 }
 315         }
 316
 317         if (fio != lio) {
 318                 uint64_t size = IO_SPAN(fio, lio);
 319                 ASSERT(size <= maxspan);
 320                 ASSERT(vi != NULL);
 321
 322                 aio = zio_vdev_delegated_io(fio->io_vd, fio->io_offset,
 323                     vi, size, fio->io_type, ZIO_PRIORITY_AGG,
 324                     flags | ZIO_FLAG_DONT_CACHE | ZIO_FLAG_DONT_QUEUE,
 325                     vdev_queue_agg_io_done, NULL);
 326                 aio->io_timestamp = fio->io_timestamp;
 327
 328                 nio = fio;
 329                 do {
 330                         dio = nio;
 331                         nio = AVL_NEXT(t, dio);
 332                         ASSERT(dio->io_type == aio->io_type);
 333                         ASSERT(dio->io_vdev_tree == t);
 334
 335                         if (dio->io_flags & ZIO_FLAG_NODATA) {
 336                                 ASSERT(dio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE);
 337                                 bzero((char *)aio->io_data + (dio->io_offset -
 338                                     aio->io_offset), dio->io_size);
 339                         } else if (dio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE) {
 340                                 bcopy(dio->io_data, (char *)aio->io_data +
 341                                     (dio->io_offset - aio->io_offset),
 342                                     dio->io_size);
 343                         }
 344
 345                         zio_add_child(dio, aio);
 346                         vdev_queue_io_remove(vq, dio);
 347                         zio_vdev_io_bypass(dio);
 348                         zio_execute(dio);
 349                 } while (dio != lio);
 350
 351                 avl_add(&vq->vq_pending_tree, aio);
 352                 list_remove(&vq->vq_io_list, vi);
 353
 354                 return (aio);
 355         }
 356
 357         ASSERT(fio->io_vdev_tree == t);
 358         vdev_queue_io_remove(vq, fio);
 359
 360         /*
 361          * If the I/O is or was optional and therefore has no data, we need to
 362          * simply discard it. We need to drop the vdev queue's lock to avoid a
 363          * deadlock that we could encounter since this I/O will complete
 364          * immediately.
 365          */
 366         if (fio->io_flags & ZIO_FLAG_NODATA) {
 367                 mutex_exit(&vq->vq_lock);
 368                 zio_vdev_io_bypass(fio);
 369                 zio_execute(fio);
 370                 mutex_enter(&vq->vq_lock);
 371                 goto again;
 372         }
 373
 374         avl_add(&vq->vq_pending_tree, fio);
 375
 376         return (fio);
 377 }
 378
 379 zio_t *
 380 vdev_queue_io(zio_t *zio)
 381 {
 382         vdev_queue_t *vq = &zio->io_vd->vdev_queue;
 383         zio_t *nio;
 384
 385         ASSERT(zio->io_type == ZIO_TYPE_READ || zio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE);
 386
 387         if (zio->io_flags & ZIO_FLAG_DONT_QUEUE)
 388                 return (zio);
 389
 390         zio->io_flags |= ZIO_FLAG_DONT_CACHE | ZIO_FLAG_DONT_QUEUE;
 391
 392         if (zio->io_type == ZIO_TYPE_READ)
 393                 zio->io_vdev_tree = &vq->vq_read_tree;
 394         else
 395                 zio->io_vdev_tree = &vq->vq_write_tree;
 396
 397         mutex_enter(&vq->vq_lock);
 398
 399         zio->io_timestamp = ddi_get_lbolt64();
 400         zio->io_deadline = (zio->io_timestamp >> zfs_vdev_time_shift) +
 401             zio->io_priority;
 402
 403         vdev_queue_io_add(vq, zio);
 404
 405         nio = vdev_queue_io_to_issue(vq, zfs_vdev_min_pending);
 406
 407         mutex_exit(&vq->vq_lock);
 408
 409         if (nio == NULL)
 410                 return (NULL);
 411
 412         if (nio->io_done == vdev_queue_agg_io_done) {
 413                 zio_nowait(nio);
 414                 return (NULL);
 415         }
 416
 417         return (nio);
 418 }
 419
 420 void
 421 vdev_queue_io_done(zio_t *zio)
 422 {
 423         vdev_queue_t *vq = &zio->io_vd->vdev_queue;
 424         int i;
 425
 426         if (zio_injection_enabled)
 427                 delay(SEC_TO_TICK(zio_handle_io_delay(zio)));
 428
 429         mutex_enter(&vq->vq_lock);
 430
 431         avl_remove(&vq->vq_pending_tree, zio);
 432
 433         zio->io_delta = ddi_get_lbolt64() - zio->io_timestamp;
 434         vq->vq_io_complete_ts = ddi_get_lbolt64();
 435         vq->vq_io_delta_ts = vq->vq_io_complete_ts - zio->io_timestamp;
 436
 437         for (i = 0; i < zfs_vdev_ramp_rate; i++) {
 438                 zio_t *nio = vdev_queue_io_to_issue(vq, zfs_vdev_max_pending);
 439                 if (nio == NULL)
 440                         break;
 441                 mutex_exit(&vq->vq_lock);
 442                 if (nio->io_done == vdev_queue_agg_io_done) {
 443                         zio_nowait(nio);
 444                 } else {
 445                         zio_vdev_io_reissue(nio);
 446                         zio_execute(nio);
 447                 }
 448                 mutex_enter(&vq->vq_lock);
 449         }
 450
 451         mutex_exit(&vq->vq_lock);
 452 }
 453
 454 #if defined(_KERNEL) && defined(HAVE_SPL)
 455 module_param(zfs_vdev_max_pending, int, 0644);
 456 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_max_pending, "Max pending per-vdev I/Os");
 457
 458 module_param(zfs_vdev_min_pending, int, 0644);
 459 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_min_pending, "Min pending per-vdev I/Os");
 460
 461 module_param(zfs_vdev_aggregation_limit, int, 0644);
 462 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_aggregation_limit, "Max vdev I/O aggregation size");
 463
 464 module_param(zfs_vdev_time_shift, int, 0644);
 465 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_time_shift, "Deadline time shift for vdev I/O");
 466
 467 module_param(zfs_vdev_ramp_rate, int, 0644);
 468 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_ramp_rate, "Exponential I/O issue ramp-up rate");
 469
 470 module_param(zfs_vdev_read_gap_limit, int, 0644);
 471 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_read_gap_limit, "Aggregate read I/O over gap");
 472
 473 module_param(zfs_vdev_write_gap_limit, int, 0644);
 474 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_write_gap_limit, "Aggregate write I/O over gap");
 475 #endif