]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - include/sys/metaslab_impl.h
Vendor import of openzfs master @ 184df27eef0abdc7ab2105b21257f753834b936b
[FreeBSD/FreeBSD.git] / include / sys / metaslab_impl.h
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) 2011, 2019 by Delphix. All rights reserved.
28  */
29
30 #ifndef _SYS_METASLAB_IMPL_H
31 #define _SYS_METASLAB_IMPL_H
32
33 #include <sys/metaslab.h>
34 #include <sys/space_map.h>
35 #include <sys/range_tree.h>
36 #include <sys/vdev.h>
37 #include <sys/txg.h>
38 #include <sys/avl.h>
39 #include <sys/multilist.h>
40
41 #ifdef  __cplusplus
42 extern "C" {
43 #endif
44
45 /*
46  * Metaslab allocation tracing record.
47  */
48 typedef struct metaslab_alloc_trace {
49         list_node_t                     mat_list_node;
50         metaslab_group_t                *mat_mg;
51         metaslab_t                      *mat_msp;
52         uint64_t                        mat_size;
53         uint64_t                        mat_weight;
54         uint32_t                        mat_dva_id;
55         uint64_t                        mat_offset;
56         int                                     mat_allocator;
57 } metaslab_alloc_trace_t;
58
59 /*
60  * Used by the metaslab allocation tracing facility to indicate
61  * error conditions. These errors are stored to the offset member
62  * of the metaslab_alloc_trace_t record and displayed by mdb.
63  */
64 typedef enum trace_alloc_type {
65         TRACE_ALLOC_FAILURE     = -1ULL,
66         TRACE_TOO_SMALL         = -2ULL,
67         TRACE_FORCE_GANG        = -3ULL,
68         TRACE_NOT_ALLOCATABLE   = -4ULL,
69         TRACE_GROUP_FAILURE     = -5ULL,
70         TRACE_ENOSPC            = -6ULL,
71         TRACE_CONDENSING        = -7ULL,
72         TRACE_VDEV_ERROR        = -8ULL,
73         TRACE_DISABLED          = -9ULL,
74 } trace_alloc_type_t;
75
76 #define METASLAB_WEIGHT_PRIMARY         (1ULL << 63)
77 #define METASLAB_WEIGHT_SECONDARY       (1ULL << 62)
78 #define METASLAB_WEIGHT_CLAIM           (1ULL << 61)
79 #define METASLAB_WEIGHT_TYPE            (1ULL << 60)
80 #define METASLAB_ACTIVE_MASK            \
81         (METASLAB_WEIGHT_PRIMARY | METASLAB_WEIGHT_SECONDARY | \
82         METASLAB_WEIGHT_CLAIM)
83
84 /*
85  * The metaslab weight is used to encode the amount of free space in a
86  * metaslab, such that the "best" metaslab appears first when sorting the
87  * metaslabs by weight. The weight (and therefore the "best" metaslab) can
88  * be determined in two different ways: by computing a weighted sum of all
89  * the free space in the metaslab (a space based weight) or by counting only
90  * the free segments of the largest size (a segment based weight). We prefer
91  * the segment based weight because it reflects how the free space is
92  * comprised, but we cannot always use it -- legacy pools do not have the
93  * space map histogram information necessary to determine the largest
94  * contiguous regions. Pools that have the space map histogram determine
95  * the segment weight by looking at each bucket in the histogram and
96  * determining the free space whose size in bytes is in the range:
97  *      [2^i, 2^(i+1))
98  * We then encode the largest index, i, that contains regions into the
99  * segment-weighted value.
100  *
101  * Space-based weight:
102  *
103  *      64      56      48      40      32      24      16      8       0
104  *      +-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+
105  *      |PSC1|                  weighted-free space                     |
106  *      +-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+
107  *
108  *      PS - indicates primary and secondary activation
109  *      C - indicates activation for claimed block zio
110  *      space - the fragmentation-weighted space
111  *
112  * Segment-based weight:
113  *
114  *      64      56      48      40      32      24      16      8       0
115  *      +-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+
116  *      |PSC0| idx|            count of segments in region              |
117  *      +-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+
118  *
119  *      PS - indicates primary and secondary activation
120  *      C - indicates activation for claimed block zio
121  *      idx - index for the highest bucket in the histogram
122  *      count - number of segments in the specified bucket
123  */
124 #define WEIGHT_GET_ACTIVE(weight)               BF64_GET((weight), 61, 3)
125 #define WEIGHT_SET_ACTIVE(weight, x)            BF64_SET((weight), 61, 3, x)
126
127 #define WEIGHT_IS_SPACEBASED(weight)            \
128         ((weight) == 0 || BF64_GET((weight), 60, 1))
129 #define WEIGHT_SET_SPACEBASED(weight)           BF64_SET((weight), 60, 1, 1)
130
131 /*
132  * These macros are only applicable to segment-based weighting.
133  */
134 #define WEIGHT_GET_INDEX(weight)                BF64_GET((weight), 54, 6)
135 #define WEIGHT_SET_INDEX(weight, x)             BF64_SET((weight), 54, 6, x)
136 #define WEIGHT_GET_COUNT(weight)                BF64_GET((weight), 0, 54)
137 #define WEIGHT_SET_COUNT(weight, x)             BF64_SET((weight), 0, 54, x)
138
139 /*
140  * A metaslab class encompasses a category of allocatable top-level vdevs.
141  * Each top-level vdev is associated with a metaslab group which defines
142  * the allocatable region for that vdev. Examples of these categories include
143  * "normal" for data block allocations (i.e. main pool allocations) or "log"
144  * for allocations designated for intent log devices (i.e. slog devices).
145  * When a block allocation is requested from the SPA it is associated with a
146  * metaslab_class_t, and only top-level vdevs (i.e. metaslab groups) belonging
147  * to the class can be used to satisfy that request. Allocations are done
148  * by traversing the metaslab groups that are linked off of the mc_rotor field.
149  * This rotor points to the next metaslab group where allocations will be
150  * attempted. Allocating a block is a 3 step process -- select the metaslab
151  * group, select the metaslab, and then allocate the block. The metaslab
152  * class defines the low-level block allocator that will be used as the
153  * final step in allocation. These allocators are pluggable allowing each class
154  * to use a block allocator that best suits that class.
155  */
156 struct metaslab_class {
157         kmutex_t                mc_lock;
158         spa_t                   *mc_spa;
159         metaslab_group_t        *mc_rotor;
160         metaslab_ops_t          *mc_ops;
161         uint64_t                mc_aliquot;
162
163         /*
164          * Track the number of metaslab groups that have been initialized
165          * and can accept allocations. An initialized metaslab group is
166          * one has been completely added to the config (i.e. we have
167          * updated the MOS config and the space has been added to the pool).
168          */
169         uint64_t                mc_groups;
170
171         /*
172          * Toggle to enable/disable the allocation throttle.
173          */
174         boolean_t               mc_alloc_throttle_enabled;
175
176         /*
177          * The allocation throttle works on a reservation system. Whenever
178          * an asynchronous zio wants to perform an allocation it must
179          * first reserve the number of blocks that it wants to allocate.
180          * If there aren't sufficient slots available for the pending zio
181          * then that I/O is throttled until more slots free up. The current
182          * number of reserved allocations is maintained by the mc_alloc_slots
183          * refcount. The mc_alloc_max_slots value determines the maximum
184          * number of allocations that the system allows. Gang blocks are
185          * allowed to reserve slots even if we've reached the maximum
186          * number of allocations allowed.
187          */
188         uint64_t                *mc_alloc_max_slots;
189         zfs_refcount_t          *mc_alloc_slots;
190
191         uint64_t                mc_alloc_groups; /* # of allocatable groups */
192
193         uint64_t                mc_alloc;       /* total allocated space */
194         uint64_t                mc_deferred;    /* total deferred frees */
195         uint64_t                mc_space;       /* total space (alloc + free) */
196         uint64_t                mc_dspace;      /* total deflated space */
197         uint64_t                mc_histogram[RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE];
198
199         /*
200          * List of all loaded metaslabs in the class, sorted in order of most
201          * recent use.
202          */
203         multilist_t             *mc_metaslab_txg_list;
204 };
205
206 /*
207  * Per-allocator data structure.
208  */
209 typedef struct metaslab_group_allocator {
210         uint64_t        mga_cur_max_alloc_queue_depth;
211         zfs_refcount_t  mga_alloc_queue_depth;
212         metaslab_t      *mga_primary;
213         metaslab_t      *mga_secondary;
214 } metaslab_group_allocator_t;
215
216 /*
217  * Metaslab groups encapsulate all the allocatable regions (i.e. metaslabs)
218  * of a top-level vdev. They are linked together to form a circular linked
219  * list and can belong to only one metaslab class. Metaslab groups may become
220  * ineligible for allocations for a number of reasons such as limited free
221  * space, fragmentation, or going offline. When this happens the allocator will
222  * simply find the next metaslab group in the linked list and attempt
223  * to allocate from that group instead.
224  */
225 struct metaslab_group {
226         kmutex_t                mg_lock;
227         avl_tree_t              mg_metaslab_tree;
228         uint64_t                mg_aliquot;
229         boolean_t               mg_allocatable;         /* can we allocate? */
230         uint64_t                mg_ms_ready;
231
232         /*
233          * A metaslab group is considered to be initialized only after
234          * we have updated the MOS config and added the space to the pool.
235          * We only allow allocation attempts to a metaslab group if it
236          * has been initialized.
237          */
238         boolean_t               mg_initialized;
239
240         uint64_t                mg_free_capacity;       /* percentage free */
241         int64_t                 mg_bias;
242         int64_t                 mg_activation_count;
243         metaslab_class_t        *mg_class;
244         vdev_t                  *mg_vd;
245         taskq_t                 *mg_taskq;
246         metaslab_group_t        *mg_prev;
247         metaslab_group_t        *mg_next;
248
249         /*
250          * In order for the allocation throttle to function properly, we cannot
251          * have too many IOs going to each disk by default; the throttle
252          * operates by allocating more work to disks that finish quickly, so
253          * allocating larger chunks to each disk reduces its effectiveness.
254          * However, if the number of IOs going to each allocator is too small,
255          * we will not perform proper aggregation at the vdev_queue layer,
256          * also resulting in decreased performance. Therefore, we will use a
257          * ramp-up strategy.
258          *
259          * Each allocator in each metaslab group has a current queue depth
260          * (mg_alloc_queue_depth[allocator]) and a current max queue depth
261          * (mg_cur_max_alloc_queue_depth[allocator]), and each metaslab group
262          * has an absolute max queue depth (mg_max_alloc_queue_depth).  We
263          * add IOs to an allocator until the mg_alloc_queue_depth for that
264          * allocator hits the cur_max. Every time an IO completes for a given
265          * allocator on a given metaslab group, we increment its cur_max until
266          * it reaches mg_max_alloc_queue_depth. The cur_max resets every txg to
267          * help protect against disks that decrease in performance over time.
268          *
269          * It's possible for an allocator to handle more allocations than
270          * its max. This can occur when gang blocks are required or when other
271          * groups are unable to handle their share of allocations.
272          */
273         uint64_t                mg_max_alloc_queue_depth;
274         int                     mg_allocators;
275         metaslab_group_allocator_t *mg_allocator; /* array */
276         /*
277          * A metalab group that can no longer allocate the minimum block
278          * size will set mg_no_free_space. Once a metaslab group is out
279          * of space then its share of work must be distributed to other
280          * groups.
281          */
282         boolean_t               mg_no_free_space;
283
284         uint64_t                mg_allocations;
285         uint64_t                mg_failed_allocations;
286         uint64_t                mg_fragmentation;
287         uint64_t                mg_histogram[RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE];
288
289         int                     mg_ms_disabled;
290         boolean_t               mg_disabled_updating;
291         kmutex_t                mg_ms_disabled_lock;
292         kcondvar_t              mg_ms_disabled_cv;
293 };
294
295 /*
296  * This value defines the number of elements in the ms_lbas array. The value
297  * of 64 was chosen as it covers all power of 2 buckets up to UINT64_MAX.
298  * This is the equivalent of highbit(UINT64_MAX).
299  */
300 #define MAX_LBAS        64
301
302 /*
303  * Each metaslab maintains a set of in-core trees to track metaslab
304  * operations.  The in-core free tree (ms_allocatable) contains the list of
305  * free segments which are eligible for allocation.  As blocks are
306  * allocated, the allocated segment are removed from the ms_allocatable and
307  * added to a per txg allocation tree (ms_allocating).  As blocks are
308  * freed, they are added to the free tree (ms_freeing).  These trees
309  * allow us to process all allocations and frees in syncing context
310  * where it is safe to update the on-disk space maps.  An additional set
311  * of in-core trees is maintained to track deferred frees
312  * (ms_defer).  Once a block is freed it will move from the
313  * ms_freed to the ms_defer tree.  A deferred free means that a block
314  * has been freed but cannot be used by the pool until TXG_DEFER_SIZE
315  * transactions groups later.  For example, a block that is freed in txg
316  * 50 will not be available for reallocation until txg 52 (50 +
317  * TXG_DEFER_SIZE).  This provides a safety net for uberblock rollback.
318  * A pool could be safely rolled back TXG_DEFERS_SIZE transactions
319  * groups and ensure that no block has been reallocated.
320  *
321  * The simplified transition diagram looks like this:
322  *
323  *
324  *      ALLOCATE
325  *         |
326  *         V
327  *    free segment (ms_allocatable) -> ms_allocating[4] -> (write to space map)
328  *         ^
329  *         |                        ms_freeing <--- FREE
330  *         |                             |
331  *         |                             v
332  *         |                         ms_freed
333  *         |                             |
334  *         +-------- ms_defer[2] <-------+-------> (write to space map)
335  *
336  *
337  * Each metaslab's space is tracked in a single space map in the MOS,
338  * which is only updated in syncing context.  Each time we sync a txg,
339  * we append the allocs and frees from that txg to the space map.  The
340  * pool space is only updated once all metaslabs have finished syncing.
341  *
342  * To load the in-core free tree we read the space map from disk.  This
343  * object contains a series of alloc and free records that are combined
344  * to make up the list of all free segments in this metaslab.  These
345  * segments are represented in-core by the ms_allocatable and are stored
346  * in an AVL tree.
347  *
348  * As the space map grows (as a result of the appends) it will
349  * eventually become space-inefficient.  When the metaslab's in-core
350  * free tree is zfs_condense_pct/100 times the size of the minimal
351  * on-disk representation, we rewrite it in its minimized form.  If a
352  * metaslab needs to condense then we must set the ms_condensing flag to
353  * ensure that allocations are not performed on the metaslab that is
354  * being written.
355  */
356 struct metaslab {
357         /*
358          * This is the main lock of the metaslab and its purpose is to
359          * coordinate our allocations and frees [e.g metaslab_block_alloc(),
360          * metaslab_free_concrete(), ..etc] with our various syncing
361          * procedures [e.g. metaslab_sync(), metaslab_sync_done(), ..etc].
362          *
363          * The lock is also used during some miscellaneous operations like
364          * using the metaslab's histogram for the metaslab group's histogram
365          * aggregation, or marking the metaslab for initialization.
366          */
367         kmutex_t        ms_lock;
368
369         /*
370          * Acquired together with the ms_lock whenever we expect to
371          * write to metaslab data on-disk (i.e flushing entries to
372          * the metaslab's space map). It helps coordinate readers of
373          * the metaslab's space map [see spa_vdev_remove_thread()]
374          * with writers [see metaslab_sync() or metaslab_flush()].
375          *
376          * Note that metaslab_load(), even though a reader, uses
377          * a completely different mechanism to deal with the reading
378          * of the metaslab's space map based on ms_synced_length. That
379          * said, the function still uses the ms_sync_lock after it
380          * has read the ms_sm [see relevant comment in metaslab_load()
381          * as to why].
382          */
383         kmutex_t        ms_sync_lock;
384
385         kcondvar_t      ms_load_cv;
386         space_map_t     *ms_sm;
387         uint64_t        ms_id;
388         uint64_t        ms_start;
389         uint64_t        ms_size;
390         uint64_t        ms_fragmentation;
391
392         range_tree_t    *ms_allocating[TXG_SIZE];
393         range_tree_t    *ms_allocatable;
394         uint64_t        ms_allocated_this_txg;
395         uint64_t        ms_allocating_total;
396
397         /*
398          * The following range trees are accessed only from syncing context.
399          * ms_free*tree only have entries while syncing, and are empty
400          * between syncs.
401          */
402         range_tree_t    *ms_freeing;    /* to free this syncing txg */
403         range_tree_t    *ms_freed;      /* already freed this syncing txg */
404         range_tree_t    *ms_defer[TXG_DEFER_SIZE];
405         range_tree_t    *ms_checkpointing; /* to add to the checkpoint */
406
407         /*
408          * The ms_trim tree is the set of allocatable segments which are
409          * eligible for trimming. (When the metaslab is loaded, it's a
410          * subset of ms_allocatable.)  It's kept in-core as long as the
411          * autotrim property is set and is not vacated when the metaslab
412          * is unloaded.  Its purpose is to aggregate freed ranges to
413          * facilitate efficient trimming.
414          */
415         range_tree_t    *ms_trim;
416
417         boolean_t       ms_condensing;  /* condensing? */
418         boolean_t       ms_condense_wanted;
419
420         /*
421          * The number of consumers which have disabled the metaslab.
422          */
423         uint64_t        ms_disabled;
424
425         /*
426          * We must always hold the ms_lock when modifying ms_loaded
427          * and ms_loading.
428          */
429         boolean_t       ms_loaded;
430         boolean_t       ms_loading;
431         kcondvar_t      ms_flush_cv;
432         boolean_t       ms_flushing;
433
434         /*
435          * The following histograms count entries that are in the
436          * metaslab's space map (and its histogram) but are not in
437          * ms_allocatable yet, because they are in ms_freed, ms_freeing,
438          * or ms_defer[].
439          *
440          * When the metaslab is not loaded, its ms_weight needs to
441          * reflect what is allocatable (i.e. what will be part of
442          * ms_allocatable if it is loaded).  The weight is computed from
443          * the spacemap histogram, but that includes ranges that are
444          * not yet allocatable (because they are in ms_freed,
445          * ms_freeing, or ms_defer[]).  Therefore, when calculating the
446          * weight, we need to remove those ranges.
447          *
448          * The ranges in the ms_freed and ms_defer[] range trees are all
449          * present in the spacemap.  However, the spacemap may have
450          * multiple entries to represent a contiguous range, because it
451          * is written across multiple sync passes, but the changes of
452          * all sync passes are consolidated into the range trees.
453          * Adjacent ranges that are freed in different sync passes of
454          * one txg will be represented separately (as 2 or more entries)
455          * in the space map (and its histogram), but these adjacent
456          * ranges will be consolidated (represented as one entry) in the
457          * ms_freed/ms_defer[] range trees (and their histograms).
458          *
459          * When calculating the weight, we can not simply subtract the
460          * range trees' histograms from the spacemap's histogram,
461          * because the range trees' histograms may have entries in
462          * higher buckets than the spacemap, due to consolidation.
463          * Instead we must subtract the exact entries that were added to
464          * the spacemap's histogram.  ms_synchist and ms_deferhist[]
465          * represent these exact entries, so we can subtract them from
466          * the spacemap's histogram when calculating ms_weight.
467          *
468          * ms_synchist represents the same ranges as ms_freeing +
469          * ms_freed, but without consolidation across sync passes.
470          *
471          * ms_deferhist[i] represents the same ranges as ms_defer[i],
472          * but without consolidation across sync passes.
473          */
474         uint64_t        ms_synchist[SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE];
475         uint64_t        ms_deferhist[TXG_DEFER_SIZE][SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE];
476
477         /*
478          * Tracks the exact amount of allocated space of this metaslab
479          * (and specifically the metaslab's space map) up to the most
480          * recently completed sync pass [see usage in metaslab_sync()].
481          */
482         uint64_t        ms_allocated_space;
483         int64_t         ms_deferspace;  /* sum of ms_defermap[] space   */
484         uint64_t        ms_weight;      /* weight vs. others in group   */
485         uint64_t        ms_activation_weight;   /* activation weight    */
486
487         /*
488          * Track of whenever a metaslab is selected for loading or allocation.
489          * We use this value to determine how long the metaslab should
490          * stay cached.
491          */
492         uint64_t        ms_selected_txg;
493         /*
494          * ms_load/unload_time can be used for performance monitoring
495          * (e.g. by dtrace or mdb).
496          */
497         hrtime_t        ms_load_time;   /* time last loaded */
498         hrtime_t        ms_unload_time; /* time last unloaded */
499         hrtime_t        ms_selected_time; /* time last allocated from */
500
501         uint64_t        ms_alloc_txg;   /* last successful alloc (debug only) */
502         uint64_t        ms_max_size;    /* maximum allocatable size     */
503
504         /*
505          * -1 if it's not active in an allocator, otherwise set to the allocator
506          * this metaslab is active for.
507          */
508         int             ms_allocator;
509         boolean_t       ms_primary; /* Only valid if ms_allocator is not -1 */
510
511         /*
512          * The metaslab block allocators can optionally use a size-ordered
513          * range tree and/or an array of LBAs. Not all allocators use
514          * this functionality. The ms_allocatable_by_size should always
515          * contain the same number of segments as the ms_allocatable. The
516          * only difference is that the ms_allocatable_by_size is ordered by
517          * segment sizes.
518          */
519         zfs_btree_t             ms_allocatable_by_size;
520         zfs_btree_t             ms_unflushed_frees_by_size;
521         uint64_t        ms_lbas[MAX_LBAS];
522
523         metaslab_group_t *ms_group;     /* metaslab group               */
524         avl_node_t      ms_group_node;  /* node in metaslab group tree  */
525         txg_node_t      ms_txg_node;    /* per-txg dirty metaslab links */
526         avl_node_t      ms_spa_txg_node; /* node in spa_metaslabs_by_txg */
527         /*
528          * Node in metaslab class's selected txg list
529          */
530         multilist_node_t        ms_class_txg_node;
531
532         /*
533          * Allocs and frees that are committed to the vdev log spacemap but
534          * not yet to this metaslab's spacemap.
535          */
536         range_tree_t    *ms_unflushed_allocs;
537         range_tree_t    *ms_unflushed_frees;
538
539         /*
540          * We have flushed entries up to but not including this TXG. In
541          * other words, all changes from this TXG and onward should not
542          * be in this metaslab's space map and must be read from the
543          * log space maps.
544          */
545         uint64_t        ms_unflushed_txg;
546
547         /* updated every time we are done syncing the metaslab's space map */
548         uint64_t        ms_synced_length;
549
550         boolean_t       ms_new;
551 };
552
553 typedef struct metaslab_unflushed_phys {
554         /* on-disk counterpart of ms_unflushed_txg */
555         uint64_t        msp_unflushed_txg;
556 } metaslab_unflushed_phys_t;
557
558 #ifdef  __cplusplus
559 }
560 #endif
561
562 #endif  /* _SYS_METASLAB_IMPL_H */