]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - module/zfs/metaslab.c
Initialize metaslab range trees in metaslab_init
[FreeBSD/FreeBSD.git] / 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) 2011, 2019 by Delphix. All rights reserved.
24  * Copyright (c) 2013 by Saso Kiselkov. All rights reserved.
25  * Copyright (c) 2015, Nexenta Systems, Inc. All rights reserved.
26  * Copyright (c) 2017, Intel Corporation.
27  */
28
29 #include <sys/zfs_context.h>
30 #include <sys/dmu.h>
31 #include <sys/dmu_tx.h>
32 #include <sys/space_map.h>
33 #include <sys/metaslab_impl.h>
34 #include <sys/vdev_impl.h>
35 #include <sys/vdev_draid.h>
36 #include <sys/zio.h>
37 #include <sys/spa_impl.h>
38 #include <sys/zfeature.h>
39 #include <sys/vdev_indirect_mapping.h>
40 #include <sys/zap.h>
41 #include <sys/btree.h>
42
43 #define WITH_DF_BLOCK_ALLOCATOR
44
45 #define GANG_ALLOCATION(flags) \
46         ((flags) & (METASLAB_GANG_CHILD | METASLAB_GANG_HEADER))
47
48 /*
49  * Metaslab granularity, in bytes. This is roughly similar to what would be
50  * referred to as the "stripe size" in traditional RAID arrays. In normal
51  * operation, we will try to write this amount of data to a top-level vdev
52  * before moving on to the next one.
53  */
54 unsigned long metaslab_aliquot = 512 << 10;
55
56 /*
57  * For testing, make some blocks above a certain size be gang blocks.
58  */
59 unsigned long metaslab_force_ganging = SPA_MAXBLOCKSIZE + 1;
60
61 /*
62  * In pools where the log space map feature is not enabled we touch
63  * multiple metaslabs (and their respective space maps) with each
64  * transaction group. Thus, we benefit from having a small space map
65  * block size since it allows us to issue more I/O operations scattered
66  * around the disk. So a sane default for the space map block size
67  * is 8~16K.
68  */
69 int zfs_metaslab_sm_blksz_no_log = (1 << 14);
70
71 /*
72  * When the log space map feature is enabled, we accumulate a lot of
73  * changes per metaslab that are flushed once in a while so we benefit
74  * from a bigger block size like 128K for the metaslab space maps.
75  */
76 int zfs_metaslab_sm_blksz_with_log = (1 << 17);
77
78 /*
79  * The in-core space map representation is more compact than its on-disk form.
80  * The zfs_condense_pct determines how much more compact the in-core
81  * space map representation must be before we compact it on-disk.
82  * Values should be greater than or equal to 100.
83  */
84 int zfs_condense_pct = 200;
85
86 /*
87  * Condensing a metaslab is not guaranteed to actually reduce the amount of
88  * space used on disk. In particular, a space map uses data in increments of
89  * MAX(1 << ashift, space_map_blksz), so a metaslab might use the
90  * same number of blocks after condensing. Since the goal of condensing is to
91  * reduce the number of IOPs required to read the space map, we only want to
92  * condense when we can be sure we will reduce the number of blocks used by the
93  * space map. Unfortunately, we cannot precisely compute whether or not this is
94  * the case in metaslab_should_condense since we are holding ms_lock. Instead,
95  * we apply the following heuristic: do not condense a spacemap unless the
96  * uncondensed size consumes greater than zfs_metaslab_condense_block_threshold
97  * blocks.
98  */
99 int zfs_metaslab_condense_block_threshold = 4;
100
101 /*
102  * The zfs_mg_noalloc_threshold defines which metaslab groups should
103  * be eligible for allocation. The value is defined as a percentage of
104  * free space. Metaslab groups that have more free space than
105  * zfs_mg_noalloc_threshold are always eligible for allocations. Once
106  * a metaslab group's free space is less than or equal to the
107  * zfs_mg_noalloc_threshold the allocator will avoid allocating to that
108  * group unless all groups in the pool have reached zfs_mg_noalloc_threshold.
109  * Once all groups in the pool reach zfs_mg_noalloc_threshold then all
110  * groups are allowed to accept allocations. Gang blocks are always
111  * eligible to allocate on any metaslab group. The default value of 0 means
112  * no metaslab group will be excluded based on this criterion.
113  */
114 int zfs_mg_noalloc_threshold = 0;
115
116 /*
117  * Metaslab groups are considered eligible for allocations if their
118  * fragmentation metric (measured as a percentage) is less than or
119  * equal to zfs_mg_fragmentation_threshold. If a metaslab group
120  * exceeds this threshold then it will be skipped unless all metaslab
121  * groups within the metaslab class have also crossed this threshold.
122  *
123  * This tunable was introduced to avoid edge cases where we continue
124  * allocating from very fragmented disks in our pool while other, less
125  * fragmented disks, exists. On the other hand, if all disks in the
126  * pool are uniformly approaching the threshold, the threshold can
127  * be a speed bump in performance, where we keep switching the disks
128  * that we allocate from (e.g. we allocate some segments from disk A
129  * making it bypassing the threshold while freeing segments from disk
130  * B getting its fragmentation below the threshold).
131  *
132  * Empirically, we've seen that our vdev selection for allocations is
133  * good enough that fragmentation increases uniformly across all vdevs
134  * the majority of the time. Thus we set the threshold percentage high
135  * enough to avoid hitting the speed bump on pools that are being pushed
136  * to the edge.
137  */
138 int zfs_mg_fragmentation_threshold = 95;
139
140 /*
141  * Allow metaslabs to keep their active state as long as their fragmentation
142  * percentage is less than or equal to zfs_metaslab_fragmentation_threshold. An
143  * active metaslab that exceeds this threshold will no longer keep its active
144  * status allowing better metaslabs to be selected.
145  */
146 int zfs_metaslab_fragmentation_threshold = 70;
147
148 /*
149  * When set will load all metaslabs when pool is first opened.
150  */
151 int metaslab_debug_load = 0;
152
153 /*
154  * When set will prevent metaslabs from being unloaded.
155  */
156 int metaslab_debug_unload = 0;
157
158 /*
159  * Minimum size which forces the dynamic allocator to change
160  * it's allocation strategy.  Once the space map cannot satisfy
161  * an allocation of this size then it switches to using more
162  * aggressive strategy (i.e search by size rather than offset).
163  */
164 uint64_t metaslab_df_alloc_threshold = SPA_OLD_MAXBLOCKSIZE;
165
166 /*
167  * The minimum free space, in percent, which must be available
168  * in a space map to continue allocations in a first-fit fashion.
169  * Once the space map's free space drops below this level we dynamically
170  * switch to using best-fit allocations.
171  */
172 int metaslab_df_free_pct = 4;
173
174 /*
175  * Maximum distance to search forward from the last offset. Without this
176  * limit, fragmented pools can see >100,000 iterations and
177  * metaslab_block_picker() becomes the performance limiting factor on
178  * high-performance storage.
179  *
180  * With the default setting of 16MB, we typically see less than 500
181  * iterations, even with very fragmented, ashift=9 pools. The maximum number
182  * of iterations possible is:
183  *     metaslab_df_max_search / (2 * (1<<ashift))
184  * With the default setting of 16MB this is 16*1024 (with ashift=9) or
185  * 2048 (with ashift=12).
186  */
187 int metaslab_df_max_search = 16 * 1024 * 1024;
188
189 /*
190  * Forces the metaslab_block_picker function to search for at least this many
191  * segments forwards until giving up on finding a segment that the allocation
192  * will fit into.
193  */
194 uint32_t metaslab_min_search_count = 100;
195
196 /*
197  * If we are not searching forward (due to metaslab_df_max_search,
198  * metaslab_df_free_pct, or metaslab_df_alloc_threshold), this tunable
199  * controls what segment is used.  If it is set, we will use the largest free
200  * segment.  If it is not set, we will use a segment of exactly the requested
201  * size (or larger).
202  */
203 int metaslab_df_use_largest_segment = B_FALSE;
204
205 /*
206  * Percentage of all cpus that can be used by the metaslab taskq.
207  */
208 int metaslab_load_pct = 50;
209
210 /*
211  * These tunables control how long a metaslab will remain loaded after the
212  * last allocation from it.  A metaslab can't be unloaded until at least
213  * metaslab_unload_delay TXG's and metaslab_unload_delay_ms milliseconds
214  * have elapsed.  However, zfs_metaslab_mem_limit may cause it to be
215  * unloaded sooner.  These settings are intended to be generous -- to keep
216  * metaslabs loaded for a long time, reducing the rate of metaslab loading.
217  */
218 int metaslab_unload_delay = 32;
219 int metaslab_unload_delay_ms = 10 * 60 * 1000; /* ten minutes */
220
221 /*
222  * Max number of metaslabs per group to preload.
223  */
224 int metaslab_preload_limit = 10;
225
226 /*
227  * Enable/disable preloading of metaslab.
228  */
229 int metaslab_preload_enabled = B_TRUE;
230
231 /*
232  * Enable/disable fragmentation weighting on metaslabs.
233  */
234 int metaslab_fragmentation_factor_enabled = B_TRUE;
235
236 /*
237  * Enable/disable lba weighting (i.e. outer tracks are given preference).
238  */
239 int metaslab_lba_weighting_enabled = B_TRUE;
240
241 /*
242  * Enable/disable metaslab group biasing.
243  */
244 int metaslab_bias_enabled = B_TRUE;
245
246 /*
247  * Enable/disable remapping of indirect DVAs to their concrete vdevs.
248  */
249 boolean_t zfs_remap_blkptr_enable = B_TRUE;
250
251 /*
252  * Enable/disable segment-based metaslab selection.
253  */
254 int zfs_metaslab_segment_weight_enabled = B_TRUE;
255
256 /*
257  * When using segment-based metaslab selection, we will continue
258  * allocating from the active metaslab until we have exhausted
259  * zfs_metaslab_switch_threshold of its buckets.
260  */
261 int zfs_metaslab_switch_threshold = 2;
262
263 /*
264  * Internal switch to enable/disable the metaslab allocation tracing
265  * facility.
266  */
267 boolean_t metaslab_trace_enabled = B_FALSE;
268
269 /*
270  * Maximum entries that the metaslab allocation tracing facility will keep
271  * in a given list when running in non-debug mode. We limit the number
272  * of entries in non-debug mode to prevent us from using up too much memory.
273  * The limit should be sufficiently large that we don't expect any allocation
274  * to every exceed this value. In debug mode, the system will panic if this
275  * limit is ever reached allowing for further investigation.
276  */
277 uint64_t metaslab_trace_max_entries = 5000;
278
279 /*
280  * Maximum number of metaslabs per group that can be disabled
281  * simultaneously.
282  */
283 int max_disabled_ms = 3;
284
285 /*
286  * Time (in seconds) to respect ms_max_size when the metaslab is not loaded.
287  * To avoid 64-bit overflow, don't set above UINT32_MAX.
288  */
289 unsigned long zfs_metaslab_max_size_cache_sec = 3600; /* 1 hour */
290
291 /*
292  * Maximum percentage of memory to use on storing loaded metaslabs. If loading
293  * a metaslab would take it over this percentage, the oldest selected metaslab
294  * is automatically unloaded.
295  */
296 int zfs_metaslab_mem_limit = 75;
297
298 /*
299  * Force the per-metaslab range trees to use 64-bit integers to store
300  * segments. Used for debugging purposes.
301  */
302 boolean_t zfs_metaslab_force_large_segs = B_FALSE;
303
304 /*
305  * By default we only store segments over a certain size in the size-sorted
306  * metaslab trees (ms_allocatable_by_size and
307  * ms_unflushed_frees_by_size). This dramatically reduces memory usage and
308  * improves load and unload times at the cost of causing us to use slightly
309  * larger segments than we would otherwise in some cases.
310  */
311 uint32_t metaslab_by_size_min_shift = 14;
312
313 /*
314  * If not set, we will first try normal allocation.  If that fails then
315  * we will do a gang allocation.  If that fails then we will do a "try hard"
316  * gang allocation.  If that fails then we will have a multi-layer gang
317  * block.
318  *
319  * If set, we will first try normal allocation.  If that fails then
320  * we will do a "try hard" allocation.  If that fails we will do a gang
321  * allocation.  If that fails we will do a "try hard" gang allocation.  If
322  * that fails then we will have a multi-layer gang block.
323  */
324 int zfs_metaslab_try_hard_before_gang = B_FALSE;
325
326 /*
327  * When not trying hard, we only consider the best zfs_metaslab_find_max_tries
328  * metaslabs.  This improves performance, especially when there are many
329  * metaslabs per vdev and the allocation can't actually be satisfied (so we
330  * would otherwise iterate all the metaslabs).  If there is a metaslab with a
331  * worse weight but it can actually satisfy the allocation, we won't find it
332  * until trying hard.  This may happen if the worse metaslab is not loaded
333  * (and the true weight is better than we have calculated), or due to weight
334  * bucketization.  E.g. we are looking for a 60K segment, and the best
335  * metaslabs all have free segments in the 32-63K bucket, but the best
336  * zfs_metaslab_find_max_tries metaslabs have ms_max_size <60KB, and a
337  * subsequent metaslab has ms_max_size >60KB (but fewer segments in this
338  * bucket, and therefore a lower weight).
339  */
340 int zfs_metaslab_find_max_tries = 100;
341
342 static uint64_t metaslab_weight(metaslab_t *, boolean_t);
343 static void metaslab_set_fragmentation(metaslab_t *, boolean_t);
344 static void metaslab_free_impl(vdev_t *, uint64_t, uint64_t, boolean_t);
345 static void metaslab_check_free_impl(vdev_t *, uint64_t, uint64_t);
346
347 static void metaslab_passivate(metaslab_t *msp, uint64_t weight);
348 static uint64_t metaslab_weight_from_range_tree(metaslab_t *msp);
349 static void metaslab_flush_update(metaslab_t *, dmu_tx_t *);
350 static unsigned int metaslab_idx_func(multilist_t *, void *);
351 static void metaslab_evict(metaslab_t *, uint64_t);
352 static void metaslab_rt_add(range_tree_t *rt, range_seg_t *rs, void *arg);
353 kmem_cache_t *metaslab_alloc_trace_cache;
354
355 typedef struct metaslab_stats {
356         kstat_named_t metaslabstat_trace_over_limit;
357         kstat_named_t metaslabstat_reload_tree;
358         kstat_named_t metaslabstat_too_many_tries;
359         kstat_named_t metaslabstat_try_hard;
360 } metaslab_stats_t;
361
362 static metaslab_stats_t metaslab_stats = {
363         { "trace_over_limit",           KSTAT_DATA_UINT64 },
364         { "reload_tree",                KSTAT_DATA_UINT64 },
365         { "too_many_tries",             KSTAT_DATA_UINT64 },
366         { "try_hard",                   KSTAT_DATA_UINT64 },
367 };
368
369 #define METASLABSTAT_BUMP(stat) \
370         atomic_inc_64(&metaslab_stats.stat.value.ui64);
371
372
373 kstat_t *metaslab_ksp;
374
375 void
376 metaslab_stat_init(void)
377 {
378         ASSERT(metaslab_alloc_trace_cache == NULL);
379         metaslab_alloc_trace_cache = kmem_cache_create(
380             "metaslab_alloc_trace_cache", sizeof (metaslab_alloc_trace_t),
381             0, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, 0);
382         metaslab_ksp = kstat_create("zfs", 0, "metaslab_stats",
383             "misc", KSTAT_TYPE_NAMED, sizeof (metaslab_stats) /
384             sizeof (kstat_named_t), KSTAT_FLAG_VIRTUAL);
385         if (metaslab_ksp != NULL) {
386                 metaslab_ksp->ks_data = &metaslab_stats;
387                 kstat_install(metaslab_ksp);
388         }
389 }
390
391 void
392 metaslab_stat_fini(void)
393 {
394         if (metaslab_ksp != NULL) {
395                 kstat_delete(metaslab_ksp);
396                 metaslab_ksp = NULL;
397         }
398
399         kmem_cache_destroy(metaslab_alloc_trace_cache);
400         metaslab_alloc_trace_cache = NULL;
401 }
402
403 /*
404  * ==========================================================================
405  * Metaslab classes
406  * ==========================================================================
407  */
408 metaslab_class_t *
409 metaslab_class_create(spa_t *spa, metaslab_ops_t *ops)
410 {
411         metaslab_class_t *mc;
412
413         mc = kmem_zalloc(offsetof(metaslab_class_t,
414             mc_allocator[spa->spa_alloc_count]), KM_SLEEP);
415
416         mc->mc_spa = spa;
417         mc->mc_ops = ops;
418         mutex_init(&mc->mc_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
419         mc->mc_metaslab_txg_list = multilist_create(sizeof (metaslab_t),
420             offsetof(metaslab_t, ms_class_txg_node), metaslab_idx_func);
421         for (int i = 0; i < spa->spa_alloc_count; i++) {
422                 metaslab_class_allocator_t *mca = &mc->mc_allocator[i];
423                 mca->mca_rotor = NULL;
424                 zfs_refcount_create_tracked(&mca->mca_alloc_slots);
425         }
426
427         return (mc);
428 }
429
430 void
431 metaslab_class_destroy(metaslab_class_t *mc)
432 {
433         spa_t *spa = mc->mc_spa;
434
435         ASSERT(mc->mc_alloc == 0);
436         ASSERT(mc->mc_deferred == 0);
437         ASSERT(mc->mc_space == 0);
438         ASSERT(mc->mc_dspace == 0);
439
440         for (int i = 0; i < spa->spa_alloc_count; i++) {
441                 metaslab_class_allocator_t *mca = &mc->mc_allocator[i];
442                 ASSERT(mca->mca_rotor == NULL);
443                 zfs_refcount_destroy(&mca->mca_alloc_slots);
444         }
445         mutex_destroy(&mc->mc_lock);
446         multilist_destroy(mc->mc_metaslab_txg_list);
447         kmem_free(mc, offsetof(metaslab_class_t,
448             mc_allocator[spa->spa_alloc_count]));
449 }
450
451 int
452 metaslab_class_validate(metaslab_class_t *mc)
453 {
454         metaslab_group_t *mg;
455         vdev_t *vd;
456
457         /*
458          * Must hold one of the spa_config locks.
459          */
460         ASSERT(spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALL, RW_READER) ||
461             spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALL, RW_WRITER));
462
463         if ((mg = mc->mc_allocator[0].mca_rotor) == NULL)
464                 return (0);
465
466         do {
467                 vd = mg->mg_vd;
468                 ASSERT(vd->vdev_mg != NULL);
469                 ASSERT3P(vd->vdev_top, ==, vd);
470                 ASSERT3P(mg->mg_class, ==, mc);
471                 ASSERT3P(vd->vdev_ops, !=, &vdev_hole_ops);
472         } while ((mg = mg->mg_next) != mc->mc_allocator[0].mca_rotor);
473
474         return (0);
475 }
476
477 static void
478 metaslab_class_space_update(metaslab_class_t *mc, int64_t alloc_delta,
479     int64_t defer_delta, int64_t space_delta, int64_t dspace_delta)
480 {
481         atomic_add_64(&mc->mc_alloc, alloc_delta);
482         atomic_add_64(&mc->mc_deferred, defer_delta);
483         atomic_add_64(&mc->mc_space, space_delta);
484         atomic_add_64(&mc->mc_dspace, dspace_delta);
485 }
486
487 uint64_t
488 metaslab_class_get_alloc(metaslab_class_t *mc)
489 {
490         return (mc->mc_alloc);
491 }
492
493 uint64_t
494 metaslab_class_get_deferred(metaslab_class_t *mc)
495 {
496         return (mc->mc_deferred);
497 }
498
499 uint64_t
500 metaslab_class_get_space(metaslab_class_t *mc)
501 {
502         return (mc->mc_space);
503 }
504
505 uint64_t
506 metaslab_class_get_dspace(metaslab_class_t *mc)
507 {
508         return (spa_deflate(mc->mc_spa) ? mc->mc_dspace : mc->mc_space);
509 }
510
511 void
512 metaslab_class_histogram_verify(metaslab_class_t *mc)
513 {
514         spa_t *spa = mc->mc_spa;
515         vdev_t *rvd = spa->spa_root_vdev;
516         uint64_t *mc_hist;
517         int i;
518
519         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_HISTOGRAM_VERIFY) == 0)
520                 return;
521
522         mc_hist = kmem_zalloc(sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE,
523             KM_SLEEP);
524
525         mutex_enter(&mc->mc_lock);
526         for (int c = 0; c < rvd->vdev_children; c++) {
527                 vdev_t *tvd = rvd->vdev_child[c];
528                 metaslab_group_t *mg = vdev_get_mg(tvd, mc);
529
530                 /*
531                  * Skip any holes, uninitialized top-levels, or
532                  * vdevs that are not in this metalab class.
533                  */
534                 if (!vdev_is_concrete(tvd) || tvd->vdev_ms_shift == 0 ||
535                     mg->mg_class != mc) {
536                         continue;
537                 }
538
539                 IMPLY(mg == mg->mg_vd->vdev_log_mg,
540                     mc == spa_embedded_log_class(mg->mg_vd->vdev_spa));
541
542                 for (i = 0; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i++)
543                         mc_hist[i] += mg->mg_histogram[i];
544         }
545
546         for (i = 0; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
547                 VERIFY3U(mc_hist[i], ==, mc->mc_histogram[i]);
548         }
549
550         mutex_exit(&mc->mc_lock);
551         kmem_free(mc_hist, sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE);
552 }
553
554 /*
555  * Calculate the metaslab class's fragmentation metric. The metric
556  * is weighted based on the space contribution of each metaslab group.
557  * The return value will be a number between 0 and 100 (inclusive), or
558  * ZFS_FRAG_INVALID if the metric has not been set. See comment above the
559  * zfs_frag_table for more information about the metric.
560  */
561 uint64_t
562 metaslab_class_fragmentation(metaslab_class_t *mc)
563 {
564         vdev_t *rvd = mc->mc_spa->spa_root_vdev;
565         uint64_t fragmentation = 0;
566
567         spa_config_enter(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
568
569         for (int c = 0; c < rvd->vdev_children; c++) {
570                 vdev_t *tvd = rvd->vdev_child[c];
571                 metaslab_group_t *mg = tvd->vdev_mg;
572
573                 /*
574                  * Skip any holes, uninitialized top-levels,
575                  * or vdevs that are not in this metalab class.
576                  */
577                 if (!vdev_is_concrete(tvd) || tvd->vdev_ms_shift == 0 ||
578                     mg->mg_class != mc) {
579                         continue;
580                 }
581
582                 /*
583                  * If a metaslab group does not contain a fragmentation
584                  * metric then just bail out.
585                  */
586                 if (mg->mg_fragmentation == ZFS_FRAG_INVALID) {
587                         spa_config_exit(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG);
588                         return (ZFS_FRAG_INVALID);
589                 }
590
591                 /*
592                  * Determine how much this metaslab_group is contributing
593                  * to the overall pool fragmentation metric.
594                  */
595                 fragmentation += mg->mg_fragmentation *
596                     metaslab_group_get_space(mg);
597         }
598         fragmentation /= metaslab_class_get_space(mc);
599
600         ASSERT3U(fragmentation, <=, 100);
601         spa_config_exit(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG);
602         return (fragmentation);
603 }
604
605 /*
606  * Calculate the amount of expandable space that is available in
607  * this metaslab class. If a device is expanded then its expandable
608  * space will be the amount of allocatable space that is currently not
609  * part of this metaslab class.
610  */
611 uint64_t
612 metaslab_class_expandable_space(metaslab_class_t *mc)
613 {
614         vdev_t *rvd = mc->mc_spa->spa_root_vdev;
615         uint64_t space = 0;
616
617         spa_config_enter(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
618         for (int c = 0; c < rvd->vdev_children; c++) {
619                 vdev_t *tvd = rvd->vdev_child[c];
620                 metaslab_group_t *mg = tvd->vdev_mg;
621
622                 if (!vdev_is_concrete(tvd) || tvd->vdev_ms_shift == 0 ||
623                     mg->mg_class != mc) {
624                         continue;
625                 }
626
627                 /*
628                  * Calculate if we have enough space to add additional
629                  * metaslabs. We report the expandable space in terms
630                  * of the metaslab size since that's the unit of expansion.
631                  */
632                 space += P2ALIGN(tvd->vdev_max_asize - tvd->vdev_asize,
633                     1ULL << tvd->vdev_ms_shift);
634         }
635         spa_config_exit(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG);
636         return (space);
637 }
638
639 void
640 metaslab_class_evict_old(metaslab_class_t *mc, uint64_t txg)
641 {
642         multilist_t *ml = mc->mc_metaslab_txg_list;
643         for (int i = 0; i < multilist_get_num_sublists(ml); i++) {
644                 multilist_sublist_t *mls = multilist_sublist_lock(ml, i);
645                 metaslab_t *msp = multilist_sublist_head(mls);
646                 multilist_sublist_unlock(mls);
647                 while (msp != NULL) {
648                         mutex_enter(&msp->ms_lock);
649
650                         /*
651                          * If the metaslab has been removed from the list
652                          * (which could happen if we were at the memory limit
653                          * and it was evicted during this loop), then we can't
654                          * proceed and we should restart the sublist.
655                          */
656                         if (!multilist_link_active(&msp->ms_class_txg_node)) {
657                                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
658                                 i--;
659                                 break;
660                         }
661                         mls = multilist_sublist_lock(ml, i);
662                         metaslab_t *next_msp = multilist_sublist_next(mls, msp);
663                         multilist_sublist_unlock(mls);
664                         if (txg >
665                             msp->ms_selected_txg + metaslab_unload_delay &&
666                             gethrtime() > msp->ms_selected_time +
667                             (uint64_t)MSEC2NSEC(metaslab_unload_delay_ms)) {
668                                 metaslab_evict(msp, txg);
669                         } else {
670                                 /*
671                                  * Once we've hit a metaslab selected too
672                                  * recently to evict, we're done evicting for
673                                  * now.
674                                  */
675                                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
676                                 break;
677                         }
678                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
679                         msp = next_msp;
680                 }
681         }
682 }
683
684 static int
685 metaslab_compare(const void *x1, const void *x2)
686 {
687         const metaslab_t *m1 = (const metaslab_t *)x1;
688         const metaslab_t *m2 = (const metaslab_t *)x2;
689
690         int sort1 = 0;
691         int sort2 = 0;
692         if (m1->ms_allocator != -1 && m1->ms_primary)
693                 sort1 = 1;
694         else if (m1->ms_allocator != -1 && !m1->ms_primary)
695                 sort1 = 2;
696         if (m2->ms_allocator != -1 && m2->ms_primary)
697                 sort2 = 1;
698         else if (m2->ms_allocator != -1 && !m2->ms_primary)
699                 sort2 = 2;
700
701         /*
702          * Sort inactive metaslabs first, then primaries, then secondaries. When
703          * selecting a metaslab to allocate from, an allocator first tries its
704          * primary, then secondary active metaslab. If it doesn't have active
705          * metaslabs, or can't allocate from them, it searches for an inactive
706          * metaslab to activate. If it can't find a suitable one, it will steal
707          * a primary or secondary metaslab from another allocator.
708          */
709         if (sort1 < sort2)
710                 return (-1);
711         if (sort1 > sort2)
712                 return (1);
713
714         int cmp = TREE_CMP(m2->ms_weight, m1->ms_weight);
715         if (likely(cmp))
716                 return (cmp);
717
718         IMPLY(TREE_CMP(m1->ms_start, m2->ms_start) == 0, m1 == m2);
719
720         return (TREE_CMP(m1->ms_start, m2->ms_start));
721 }
722
723 /*
724  * ==========================================================================
725  * Metaslab groups
726  * ==========================================================================
727  */
728 /*
729  * Update the allocatable flag and the metaslab group's capacity.
730  * The allocatable flag is set to true if the capacity is below
731  * the zfs_mg_noalloc_threshold or has a fragmentation value that is
732  * greater than zfs_mg_fragmentation_threshold. If a metaslab group
733  * transitions from allocatable to non-allocatable or vice versa then the
734  * metaslab group's class is updated to reflect the transition.
735  */
736 static void
737 metaslab_group_alloc_update(metaslab_group_t *mg)
738 {
739         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
740         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
741         vdev_stat_t *vs = &vd->vdev_stat;
742         boolean_t was_allocatable;
743         boolean_t was_initialized;
744
745         ASSERT(vd == vd->vdev_top);
746         ASSERT3U(spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALLOC, RW_READER), ==,
747             SCL_ALLOC);
748
749         mutex_enter(&mg->mg_lock);
750         was_allocatable = mg->mg_allocatable;
751         was_initialized = mg->mg_initialized;
752
753         mg->mg_free_capacity = ((vs->vs_space - vs->vs_alloc) * 100) /
754             (vs->vs_space + 1);
755
756         mutex_enter(&mc->mc_lock);
757
758         /*
759          * If the metaslab group was just added then it won't
760          * have any space until we finish syncing out this txg.
761          * At that point we will consider it initialized and available
762          * for allocations.  We also don't consider non-activated
763          * metaslab groups (e.g. vdevs that are in the middle of being removed)
764          * to be initialized, because they can't be used for allocation.
765          */
766         mg->mg_initialized = metaslab_group_initialized(mg);
767         if (!was_initialized && mg->mg_initialized) {
768                 mc->mc_groups++;
769         } else if (was_initialized && !mg->mg_initialized) {
770                 ASSERT3U(mc->mc_groups, >, 0);
771                 mc->mc_groups--;
772         }
773         if (mg->mg_initialized)
774                 mg->mg_no_free_space = B_FALSE;
775
776         /*
777          * A metaslab group is considered allocatable if it has plenty
778          * of free space or is not heavily fragmented. We only take
779          * fragmentation into account if the metaslab group has a valid
780          * fragmentation metric (i.e. a value between 0 and 100).
781          */
782         mg->mg_allocatable = (mg->mg_activation_count > 0 &&
783             mg->mg_free_capacity > zfs_mg_noalloc_threshold &&
784             (mg->mg_fragmentation == ZFS_FRAG_INVALID ||
785             mg->mg_fragmentation <= zfs_mg_fragmentation_threshold));
786
787         /*
788          * The mc_alloc_groups maintains a count of the number of
789          * groups in this metaslab class that are still above the
790          * zfs_mg_noalloc_threshold. This is used by the allocating
791          * threads to determine if they should avoid allocations to
792          * a given group. The allocator will avoid allocations to a group
793          * if that group has reached or is below the zfs_mg_noalloc_threshold
794          * and there are still other groups that are above the threshold.
795          * When a group transitions from allocatable to non-allocatable or
796          * vice versa we update the metaslab class to reflect that change.
797          * When the mc_alloc_groups value drops to 0 that means that all
798          * groups have reached the zfs_mg_noalloc_threshold making all groups
799          * eligible for allocations. This effectively means that all devices
800          * are balanced again.
801          */
802         if (was_allocatable && !mg->mg_allocatable)
803                 mc->mc_alloc_groups--;
804         else if (!was_allocatable && mg->mg_allocatable)
805                 mc->mc_alloc_groups++;
806         mutex_exit(&mc->mc_lock);
807
808         mutex_exit(&mg->mg_lock);
809 }
810
811 int
812 metaslab_sort_by_flushed(const void *va, const void *vb)
813 {
814         const metaslab_t *a = va;
815         const metaslab_t *b = vb;
816
817         int cmp = TREE_CMP(a->ms_unflushed_txg, b->ms_unflushed_txg);
818         if (likely(cmp))
819                 return (cmp);
820
821         uint64_t a_vdev_id = a->ms_group->mg_vd->vdev_id;
822         uint64_t b_vdev_id = b->ms_group->mg_vd->vdev_id;
823         cmp = TREE_CMP(a_vdev_id, b_vdev_id);
824         if (cmp)
825                 return (cmp);
826
827         return (TREE_CMP(a->ms_id, b->ms_id));
828 }
829
830 metaslab_group_t *
831 metaslab_group_create(metaslab_class_t *mc, vdev_t *vd, int allocators)
832 {
833         metaslab_group_t *mg;
834
835         mg = kmem_zalloc(offsetof(metaslab_group_t,
836             mg_allocator[allocators]), KM_SLEEP);
837         mutex_init(&mg->mg_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
838         mutex_init(&mg->mg_ms_disabled_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
839         cv_init(&mg->mg_ms_disabled_cv, NULL, CV_DEFAULT, NULL);
840         avl_create(&mg->mg_metaslab_tree, metaslab_compare,
841             sizeof (metaslab_t), offsetof(metaslab_t, ms_group_node));
842         mg->mg_vd = vd;
843         mg->mg_class = mc;
844         mg->mg_activation_count = 0;
845         mg->mg_initialized = B_FALSE;
846         mg->mg_no_free_space = B_TRUE;
847         mg->mg_allocators = allocators;
848
849         for (int i = 0; i < allocators; i++) {
850                 metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[i];
851                 zfs_refcount_create_tracked(&mga->mga_alloc_queue_depth);
852         }
853
854         mg->mg_taskq = taskq_create("metaslab_group_taskq", metaslab_load_pct,
855             maxclsyspri, 10, INT_MAX, TASKQ_THREADS_CPU_PCT | TASKQ_DYNAMIC);
856
857         return (mg);
858 }
859
860 void
861 metaslab_group_destroy(metaslab_group_t *mg)
862 {
863         ASSERT(mg->mg_prev == NULL);
864         ASSERT(mg->mg_next == NULL);
865         /*
866          * We may have gone below zero with the activation count
867          * either because we never activated in the first place or
868          * because we're done, and possibly removing the vdev.
869          */
870         ASSERT(mg->mg_activation_count <= 0);
871
872         taskq_destroy(mg->mg_taskq);
873         avl_destroy(&mg->mg_metaslab_tree);
874         mutex_destroy(&mg->mg_lock);
875         mutex_destroy(&mg->mg_ms_disabled_lock);
876         cv_destroy(&mg->mg_ms_disabled_cv);
877
878         for (int i = 0; i < mg->mg_allocators; i++) {
879                 metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[i];
880                 zfs_refcount_destroy(&mga->mga_alloc_queue_depth);
881         }
882         kmem_free(mg, offsetof(metaslab_group_t,
883             mg_allocator[mg->mg_allocators]));
884 }
885
886 void
887 metaslab_group_activate(metaslab_group_t *mg)
888 {
889         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
890         spa_t *spa = mc->mc_spa;
891         metaslab_group_t *mgprev, *mgnext;
892
893         ASSERT3U(spa_config_held(spa, SCL_ALLOC, RW_WRITER), !=, 0);
894
895         ASSERT(mg->mg_prev == NULL);
896         ASSERT(mg->mg_next == NULL);
897         ASSERT(mg->mg_activation_count <= 0);
898
899         if (++mg->mg_activation_count <= 0)
900                 return;
901
902         mg->mg_aliquot = metaslab_aliquot * MAX(1, mg->mg_vd->vdev_children);
903         metaslab_group_alloc_update(mg);
904
905         if ((mgprev = mc->mc_allocator[0].mca_rotor) == NULL) {
906                 mg->mg_prev = mg;
907                 mg->mg_next = mg;
908         } else {
909                 mgnext = mgprev->mg_next;
910                 mg->mg_prev = mgprev;
911                 mg->mg_next = mgnext;
912                 mgprev->mg_next = mg;
913                 mgnext->mg_prev = mg;
914         }
915         for (int i = 0; i < spa->spa_alloc_count; i++) {
916                 mc->mc_allocator[i].mca_rotor = mg;
917                 mg = mg->mg_next;
918         }
919 }
920
921 /*
922  * Passivate a metaslab group and remove it from the allocation rotor.
923  * Callers must hold both the SCL_ALLOC and SCL_ZIO lock prior to passivating
924  * a metaslab group. This function will momentarily drop spa_config_locks
925  * that are lower than the SCL_ALLOC lock (see comment below).
926  */
927 void
928 metaslab_group_passivate(metaslab_group_t *mg)
929 {
930         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
931         spa_t *spa = mc->mc_spa;
932         metaslab_group_t *mgprev, *mgnext;
933         int locks = spa_config_held(spa, SCL_ALL, RW_WRITER);
934
935         ASSERT3U(spa_config_held(spa, SCL_ALLOC | SCL_ZIO, RW_WRITER), ==,
936             (SCL_ALLOC | SCL_ZIO));
937
938         if (--mg->mg_activation_count != 0) {
939                 for (int i = 0; i < spa->spa_alloc_count; i++)
940                         ASSERT(mc->mc_allocator[i].mca_rotor != mg);
941                 ASSERT(mg->mg_prev == NULL);
942                 ASSERT(mg->mg_next == NULL);
943                 ASSERT(mg->mg_activation_count < 0);
944                 return;
945         }
946
947         /*
948          * The spa_config_lock is an array of rwlocks, ordered as
949          * follows (from highest to lowest):
950          *      SCL_CONFIG > SCL_STATE > SCL_L2ARC > SCL_ALLOC >
951          *      SCL_ZIO > SCL_FREE > SCL_VDEV
952          * (For more information about the spa_config_lock see spa_misc.c)
953          * The higher the lock, the broader its coverage. When we passivate
954          * a metaslab group, we must hold both the SCL_ALLOC and the SCL_ZIO
955          * config locks. However, the metaslab group's taskq might be trying
956          * to preload metaslabs so we must drop the SCL_ZIO lock and any
957          * lower locks to allow the I/O to complete. At a minimum,
958          * we continue to hold the SCL_ALLOC lock, which prevents any future
959          * allocations from taking place and any changes to the vdev tree.
960          */
961         spa_config_exit(spa, locks & ~(SCL_ZIO - 1), spa);
962         taskq_wait_outstanding(mg->mg_taskq, 0);
963         spa_config_enter(spa, locks & ~(SCL_ZIO - 1), spa, RW_WRITER);
964         metaslab_group_alloc_update(mg);
965         for (int i = 0; i < mg->mg_allocators; i++) {
966                 metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[i];
967                 metaslab_t *msp = mga->mga_primary;
968                 if (msp != NULL) {
969                         mutex_enter(&msp->ms_lock);
970                         metaslab_passivate(msp,
971                             metaslab_weight_from_range_tree(msp));
972                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
973                 }
974                 msp = mga->mga_secondary;
975                 if (msp != NULL) {
976                         mutex_enter(&msp->ms_lock);
977                         metaslab_passivate(msp,
978                             metaslab_weight_from_range_tree(msp));
979                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
980                 }
981         }
982
983         mgprev = mg->mg_prev;
984         mgnext = mg->mg_next;
985
986         if (mg == mgnext) {
987                 mgnext = NULL;
988         } else {
989                 mgprev->mg_next = mgnext;
990                 mgnext->mg_prev = mgprev;
991         }
992         for (int i = 0; i < spa->spa_alloc_count; i++) {
993                 if (mc->mc_allocator[i].mca_rotor == mg)
994                         mc->mc_allocator[i].mca_rotor = mgnext;
995         }
996
997         mg->mg_prev = NULL;
998         mg->mg_next = NULL;
999 }
1000
1001 boolean_t
1002 metaslab_group_initialized(metaslab_group_t *mg)
1003 {
1004         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
1005         vdev_stat_t *vs = &vd->vdev_stat;
1006
1007         return (vs->vs_space != 0 && mg->mg_activation_count > 0);
1008 }
1009
1010 uint64_t
1011 metaslab_group_get_space(metaslab_group_t *mg)
1012 {
1013         /*
1014          * Note that the number of nodes in mg_metaslab_tree may be one less
1015          * than vdev_ms_count, due to the embedded log metaslab.
1016          */
1017         mutex_enter(&mg->mg_lock);
1018         uint64_t ms_count = avl_numnodes(&mg->mg_metaslab_tree);
1019         mutex_exit(&mg->mg_lock);
1020         return ((1ULL << mg->mg_vd->vdev_ms_shift) * ms_count);
1021 }
1022
1023 void
1024 metaslab_group_histogram_verify(metaslab_group_t *mg)
1025 {
1026         uint64_t *mg_hist;
1027         avl_tree_t *t = &mg->mg_metaslab_tree;
1028         uint64_t ashift = mg->mg_vd->vdev_ashift;
1029
1030         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_HISTOGRAM_VERIFY) == 0)
1031                 return;
1032
1033         mg_hist = kmem_zalloc(sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE,
1034             KM_SLEEP);
1035
1036         ASSERT3U(RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE, >=,
1037             SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE + ashift);
1038
1039         mutex_enter(&mg->mg_lock);
1040         for (metaslab_t *msp = avl_first(t);
1041             msp != NULL; msp = AVL_NEXT(t, msp)) {
1042                 VERIFY3P(msp->ms_group, ==, mg);
1043                 /* skip if not active */
1044                 if (msp->ms_sm == NULL)
1045                         continue;
1046
1047                 for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
1048                         mg_hist[i + ashift] +=
1049                             msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
1050                 }
1051         }
1052
1053         for (int i = 0; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i ++)
1054                 VERIFY3U(mg_hist[i], ==, mg->mg_histogram[i]);
1055
1056         mutex_exit(&mg->mg_lock);
1057
1058         kmem_free(mg_hist, sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE);
1059 }
1060
1061 static void
1062 metaslab_group_histogram_add(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
1063 {
1064         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
1065         uint64_t ashift = mg->mg_vd->vdev_ashift;
1066
1067         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1068         if (msp->ms_sm == NULL)
1069                 return;
1070
1071         mutex_enter(&mg->mg_lock);
1072         mutex_enter(&mc->mc_lock);
1073         for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
1074                 IMPLY(mg == mg->mg_vd->vdev_log_mg,
1075                     mc == spa_embedded_log_class(mg->mg_vd->vdev_spa));
1076                 mg->mg_histogram[i + ashift] +=
1077                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
1078                 mc->mc_histogram[i + ashift] +=
1079                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
1080         }
1081         mutex_exit(&mc->mc_lock);
1082         mutex_exit(&mg->mg_lock);
1083 }
1084
1085 void
1086 metaslab_group_histogram_remove(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
1087 {
1088         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
1089         uint64_t ashift = mg->mg_vd->vdev_ashift;
1090
1091         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1092         if (msp->ms_sm == NULL)
1093                 return;
1094
1095         mutex_enter(&mg->mg_lock);
1096         mutex_enter(&mc->mc_lock);
1097         for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
1098                 ASSERT3U(mg->mg_histogram[i + ashift], >=,
1099                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i]);
1100                 ASSERT3U(mc->mc_histogram[i + ashift], >=,
1101                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i]);
1102                 IMPLY(mg == mg->mg_vd->vdev_log_mg,
1103                     mc == spa_embedded_log_class(mg->mg_vd->vdev_spa));
1104
1105                 mg->mg_histogram[i + ashift] -=
1106                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
1107                 mc->mc_histogram[i + ashift] -=
1108                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
1109         }
1110         mutex_exit(&mc->mc_lock);
1111         mutex_exit(&mg->mg_lock);
1112 }
1113
1114 static void
1115 metaslab_group_add(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
1116 {
1117         ASSERT(msp->ms_group == NULL);
1118         mutex_enter(&mg->mg_lock);
1119         msp->ms_group = mg;
1120         msp->ms_weight = 0;
1121         avl_add(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
1122         mutex_exit(&mg->mg_lock);
1123
1124         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1125         metaslab_group_histogram_add(mg, msp);
1126         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1127 }
1128
1129 static void
1130 metaslab_group_remove(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
1131 {
1132         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1133         metaslab_group_histogram_remove(mg, msp);
1134         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1135
1136         mutex_enter(&mg->mg_lock);
1137         ASSERT(msp->ms_group == mg);
1138         avl_remove(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
1139
1140         metaslab_class_t *mc = msp->ms_group->mg_class;
1141         multilist_sublist_t *mls =
1142             multilist_sublist_lock_obj(mc->mc_metaslab_txg_list, msp);
1143         if (multilist_link_active(&msp->ms_class_txg_node))
1144                 multilist_sublist_remove(mls, msp);
1145         multilist_sublist_unlock(mls);
1146
1147         msp->ms_group = NULL;
1148         mutex_exit(&mg->mg_lock);
1149 }
1150
1151 static void
1152 metaslab_group_sort_impl(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp, uint64_t weight)
1153 {
1154         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1155         ASSERT(MUTEX_HELD(&mg->mg_lock));
1156         ASSERT(msp->ms_group == mg);
1157
1158         avl_remove(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
1159         msp->ms_weight = weight;
1160         avl_add(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
1161
1162 }
1163
1164 static void
1165 metaslab_group_sort(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp, uint64_t weight)
1166 {
1167         /*
1168          * Although in principle the weight can be any value, in
1169          * practice we do not use values in the range [1, 511].
1170          */
1171         ASSERT(weight >= SPA_MINBLOCKSIZE || weight == 0);
1172         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1173
1174         mutex_enter(&mg->mg_lock);
1175         metaslab_group_sort_impl(mg, msp, weight);
1176         mutex_exit(&mg->mg_lock);
1177 }
1178
1179 /*
1180  * Calculate the fragmentation for a given metaslab group. We can use
1181  * a simple average here since all metaslabs within the group must have
1182  * the same size. The return value will be a value between 0 and 100
1183  * (inclusive), or ZFS_FRAG_INVALID if less than half of the metaslab in this
1184  * group have a fragmentation metric.
1185  */
1186 uint64_t
1187 metaslab_group_fragmentation(metaslab_group_t *mg)
1188 {
1189         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
1190         uint64_t fragmentation = 0;
1191         uint64_t valid_ms = 0;
1192
1193         for (int m = 0; m < vd->vdev_ms_count; m++) {
1194                 metaslab_t *msp = vd->vdev_ms[m];
1195
1196                 if (msp->ms_fragmentation == ZFS_FRAG_INVALID)
1197                         continue;
1198                 if (msp->ms_group != mg)
1199                         continue;
1200
1201                 valid_ms++;
1202                 fragmentation += msp->ms_fragmentation;
1203         }
1204
1205         if (valid_ms <= mg->mg_vd->vdev_ms_count / 2)
1206                 return (ZFS_FRAG_INVALID);
1207
1208         fragmentation /= valid_ms;
1209         ASSERT3U(fragmentation, <=, 100);
1210         return (fragmentation);
1211 }
1212
1213 /*
1214  * Determine if a given metaslab group should skip allocations. A metaslab
1215  * group should avoid allocations if its free capacity is less than the
1216  * zfs_mg_noalloc_threshold or its fragmentation metric is greater than
1217  * zfs_mg_fragmentation_threshold and there is at least one metaslab group
1218  * that can still handle allocations. If the allocation throttle is enabled
1219  * then we skip allocations to devices that have reached their maximum
1220  * allocation queue depth unless the selected metaslab group is the only
1221  * eligible group remaining.
1222  */
1223 static boolean_t
1224 metaslab_group_allocatable(metaslab_group_t *mg, metaslab_group_t *rotor,
1225     uint64_t psize, int allocator, int d)
1226 {
1227         spa_t *spa = mg->mg_vd->vdev_spa;
1228         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
1229
1230         /*
1231          * We can only consider skipping this metaslab group if it's
1232          * in the normal metaslab class and there are other metaslab
1233          * groups to select from. Otherwise, we always consider it eligible
1234          * for allocations.
1235          */
1236         if ((mc != spa_normal_class(spa) &&
1237             mc != spa_special_class(spa) &&
1238             mc != spa_dedup_class(spa)) ||
1239             mc->mc_groups <= 1)
1240                 return (B_TRUE);
1241
1242         /*
1243          * If the metaslab group's mg_allocatable flag is set (see comments
1244          * in metaslab_group_alloc_update() for more information) and
1245          * the allocation throttle is disabled then allow allocations to this
1246          * device. However, if the allocation throttle is enabled then
1247          * check if we have reached our allocation limit (mga_alloc_queue_depth)
1248          * to determine if we should allow allocations to this metaslab group.
1249          * If all metaslab groups are no longer considered allocatable
1250          * (mc_alloc_groups == 0) or we're trying to allocate the smallest
1251          * gang block size then we allow allocations on this metaslab group
1252          * regardless of the mg_allocatable or throttle settings.
1253          */
1254         if (mg->mg_allocatable) {
1255                 metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[allocator];
1256                 int64_t qdepth;
1257                 uint64_t qmax = mga->mga_cur_max_alloc_queue_depth;
1258
1259                 if (!mc->mc_alloc_throttle_enabled)
1260                         return (B_TRUE);
1261
1262                 /*
1263                  * If this metaslab group does not have any free space, then
1264                  * there is no point in looking further.
1265                  */
1266                 if (mg->mg_no_free_space)
1267                         return (B_FALSE);
1268
1269                 /*
1270                  * Relax allocation throttling for ditto blocks.  Due to
1271                  * random imbalances in allocation it tends to push copies
1272                  * to one vdev, that looks a bit better at the moment.
1273                  */
1274                 qmax = qmax * (4 + d) / 4;
1275
1276                 qdepth = zfs_refcount_count(&mga->mga_alloc_queue_depth);
1277
1278                 /*
1279                  * If this metaslab group is below its qmax or it's
1280                  * the only allocatable metasable group, then attempt
1281                  * to allocate from it.
1282                  */
1283                 if (qdepth < qmax || mc->mc_alloc_groups == 1)
1284                         return (B_TRUE);
1285                 ASSERT3U(mc->mc_alloc_groups, >, 1);
1286
1287                 /*
1288                  * Since this metaslab group is at or over its qmax, we
1289                  * need to determine if there are metaslab groups after this
1290                  * one that might be able to handle this allocation. This is
1291                  * racy since we can't hold the locks for all metaslab
1292                  * groups at the same time when we make this check.
1293                  */
1294                 for (metaslab_group_t *mgp = mg->mg_next;
1295                     mgp != rotor; mgp = mgp->mg_next) {
1296                         metaslab_group_allocator_t *mgap =
1297                             &mgp->mg_allocator[allocator];
1298                         qmax = mgap->mga_cur_max_alloc_queue_depth;
1299                         qmax = qmax * (4 + d) / 4;
1300                         qdepth =
1301                             zfs_refcount_count(&mgap->mga_alloc_queue_depth);
1302
1303                         /*
1304                          * If there is another metaslab group that
1305                          * might be able to handle the allocation, then
1306                          * we return false so that we skip this group.
1307                          */
1308                         if (qdepth < qmax && !mgp->mg_no_free_space)
1309                                 return (B_FALSE);
1310                 }
1311
1312                 /*
1313                  * We didn't find another group to handle the allocation
1314                  * so we can't skip this metaslab group even though
1315                  * we are at or over our qmax.
1316                  */
1317                 return (B_TRUE);
1318
1319         } else if (mc->mc_alloc_groups == 0 || psize == SPA_MINBLOCKSIZE) {
1320                 return (B_TRUE);
1321         }
1322         return (B_FALSE);
1323 }
1324
1325 /*
1326  * ==========================================================================
1327  * Range tree callbacks
1328  * ==========================================================================
1329  */
1330
1331 /*
1332  * Comparison function for the private size-ordered tree using 32-bit
1333  * ranges. Tree is sorted by size, larger sizes at the end of the tree.
1334  */
1335 static int
1336 metaslab_rangesize32_compare(const void *x1, const void *x2)
1337 {
1338         const range_seg32_t *r1 = x1;
1339         const range_seg32_t *r2 = x2;
1340
1341         uint64_t rs_size1 = r1->rs_end - r1->rs_start;
1342         uint64_t rs_size2 = r2->rs_end - r2->rs_start;
1343
1344         int cmp = TREE_CMP(rs_size1, rs_size2);
1345         if (likely(cmp))
1346                 return (cmp);
1347
1348         return (TREE_CMP(r1->rs_start, r2->rs_start));
1349 }
1350
1351 /*
1352  * Comparison function for the private size-ordered tree using 64-bit
1353  * ranges. Tree is sorted by size, larger sizes at the end of the tree.
1354  */
1355 static int
1356 metaslab_rangesize64_compare(const void *x1, const void *x2)
1357 {
1358         const range_seg64_t *r1 = x1;
1359         const range_seg64_t *r2 = x2;
1360
1361         uint64_t rs_size1 = r1->rs_end - r1->rs_start;
1362         uint64_t rs_size2 = r2->rs_end - r2->rs_start;
1363
1364         int cmp = TREE_CMP(rs_size1, rs_size2);
1365         if (likely(cmp))
1366                 return (cmp);
1367
1368         return (TREE_CMP(r1->rs_start, r2->rs_start));
1369 }
1370 typedef struct metaslab_rt_arg {
1371         zfs_btree_t *mra_bt;
1372         uint32_t mra_floor_shift;
1373 } metaslab_rt_arg_t;
1374
1375 struct mssa_arg {
1376         range_tree_t *rt;
1377         metaslab_rt_arg_t *mra;
1378 };
1379
1380 static void
1381 metaslab_size_sorted_add(void *arg, uint64_t start, uint64_t size)
1382 {
1383         struct mssa_arg *mssap = arg;
1384         range_tree_t *rt = mssap->rt;
1385         metaslab_rt_arg_t *mrap = mssap->mra;
1386         range_seg_max_t seg = {0};
1387         rs_set_start(&seg, rt, start);
1388         rs_set_end(&seg, rt, start + size);
1389         metaslab_rt_add(rt, &seg, mrap);
1390 }
1391
1392 static void
1393 metaslab_size_tree_full_load(range_tree_t *rt)
1394 {
1395         metaslab_rt_arg_t *mrap = rt->rt_arg;
1396         METASLABSTAT_BUMP(metaslabstat_reload_tree);
1397         ASSERT0(zfs_btree_numnodes(mrap->mra_bt));
1398         mrap->mra_floor_shift = 0;
1399         struct mssa_arg arg = {0};
1400         arg.rt = rt;
1401         arg.mra = mrap;
1402         range_tree_walk(rt, metaslab_size_sorted_add, &arg);
1403 }
1404
1405 /*
1406  * Create any block allocator specific components. The current allocators
1407  * rely on using both a size-ordered range_tree_t and an array of uint64_t's.
1408  */
1409 /* ARGSUSED */
1410 static void
1411 metaslab_rt_create(range_tree_t *rt, void *arg)
1412 {
1413         metaslab_rt_arg_t *mrap = arg;
1414         zfs_btree_t *size_tree = mrap->mra_bt;
1415
1416         size_t size;
1417         int (*compare) (const void *, const void *);
1418         switch (rt->rt_type) {
1419         case RANGE_SEG32:
1420                 size = sizeof (range_seg32_t);
1421                 compare = metaslab_rangesize32_compare;
1422                 break;
1423         case RANGE_SEG64:
1424                 size = sizeof (range_seg64_t);
1425                 compare = metaslab_rangesize64_compare;
1426                 break;
1427         default:
1428                 panic("Invalid range seg type %d", rt->rt_type);
1429         }
1430         zfs_btree_create(size_tree, compare, size);
1431         mrap->mra_floor_shift = metaslab_by_size_min_shift;
1432 }
1433
1434 /* ARGSUSED */
1435 static void
1436 metaslab_rt_destroy(range_tree_t *rt, void *arg)
1437 {
1438         metaslab_rt_arg_t *mrap = arg;
1439         zfs_btree_t *size_tree = mrap->mra_bt;
1440
1441         zfs_btree_destroy(size_tree);
1442         kmem_free(mrap, sizeof (*mrap));
1443 }
1444
1445 /* ARGSUSED */
1446 static void
1447 metaslab_rt_add(range_tree_t *rt, range_seg_t *rs, void *arg)
1448 {
1449         metaslab_rt_arg_t *mrap = arg;
1450         zfs_btree_t *size_tree = mrap->mra_bt;
1451
1452         if (rs_get_end(rs, rt) - rs_get_start(rs, rt) <
1453             (1 << mrap->mra_floor_shift))
1454                 return;
1455
1456         zfs_btree_add(size_tree, rs);
1457 }
1458
1459 /* ARGSUSED */
1460 static void
1461 metaslab_rt_remove(range_tree_t *rt, range_seg_t *rs, void *arg)
1462 {
1463         metaslab_rt_arg_t *mrap = arg;
1464         zfs_btree_t *size_tree = mrap->mra_bt;
1465
1466         if (rs_get_end(rs, rt) - rs_get_start(rs, rt) < (1 <<
1467             mrap->mra_floor_shift))
1468                 return;
1469
1470         zfs_btree_remove(size_tree, rs);
1471 }
1472
1473 /* ARGSUSED */
1474 static void
1475 metaslab_rt_vacate(range_tree_t *rt, void *arg)
1476 {
1477         metaslab_rt_arg_t *mrap = arg;
1478         zfs_btree_t *size_tree = mrap->mra_bt;
1479         zfs_btree_clear(size_tree);
1480         zfs_btree_destroy(size_tree);
1481
1482         metaslab_rt_create(rt, arg);
1483 }
1484
1485 static range_tree_ops_t metaslab_rt_ops = {
1486         .rtop_create = metaslab_rt_create,
1487         .rtop_destroy = metaslab_rt_destroy,
1488         .rtop_add = metaslab_rt_add,
1489         .rtop_remove = metaslab_rt_remove,
1490         .rtop_vacate = metaslab_rt_vacate
1491 };
1492
1493 /*
1494  * ==========================================================================
1495  * Common allocator routines
1496  * ==========================================================================
1497  */
1498
1499 /*
1500  * Return the maximum contiguous segment within the metaslab.
1501  */
1502 uint64_t
1503 metaslab_largest_allocatable(metaslab_t *msp)
1504 {
1505         zfs_btree_t *t = &msp->ms_allocatable_by_size;
1506         range_seg_t *rs;
1507
1508         if (t == NULL)
1509                 return (0);
1510         if (zfs_btree_numnodes(t) == 0)
1511                 metaslab_size_tree_full_load(msp->ms_allocatable);
1512
1513         rs = zfs_btree_last(t, NULL);
1514         if (rs == NULL)
1515                 return (0);
1516
1517         return (rs_get_end(rs, msp->ms_allocatable) - rs_get_start(rs,
1518             msp->ms_allocatable));
1519 }
1520
1521 /*
1522  * Return the maximum contiguous segment within the unflushed frees of this
1523  * metaslab.
1524  */
1525 static uint64_t
1526 metaslab_largest_unflushed_free(metaslab_t *msp)
1527 {
1528         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1529
1530         if (msp->ms_unflushed_frees == NULL)
1531                 return (0);
1532
1533         if (zfs_btree_numnodes(&msp->ms_unflushed_frees_by_size) == 0)
1534                 metaslab_size_tree_full_load(msp->ms_unflushed_frees);
1535         range_seg_t *rs = zfs_btree_last(&msp->ms_unflushed_frees_by_size,
1536             NULL);
1537         if (rs == NULL)
1538                 return (0);
1539
1540         /*
1541          * When a range is freed from the metaslab, that range is added to
1542          * both the unflushed frees and the deferred frees. While the block
1543          * will eventually be usable, if the metaslab were loaded the range
1544          * would not be added to the ms_allocatable tree until TXG_DEFER_SIZE
1545          * txgs had passed.  As a result, when attempting to estimate an upper
1546          * bound for the largest currently-usable free segment in the
1547          * metaslab, we need to not consider any ranges currently in the defer
1548          * trees. This algorithm approximates the largest available chunk in
1549          * the largest range in the unflushed_frees tree by taking the first
1550          * chunk.  While this may be a poor estimate, it should only remain so
1551          * briefly and should eventually self-correct as frees are no longer
1552          * deferred. Similar logic applies to the ms_freed tree. See
1553          * metaslab_load() for more details.
1554          *
1555          * There are two primary sources of inaccuracy in this estimate. Both
1556          * are tolerated for performance reasons. The first source is that we
1557          * only check the largest segment for overlaps. Smaller segments may
1558          * have more favorable overlaps with the other trees, resulting in
1559          * larger usable chunks.  Second, we only look at the first chunk in
1560          * the largest segment; there may be other usable chunks in the
1561          * largest segment, but we ignore them.
1562          */
1563         uint64_t rstart = rs_get_start(rs, msp->ms_unflushed_frees);
1564         uint64_t rsize = rs_get_end(rs, msp->ms_unflushed_frees) - rstart;
1565         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
1566                 uint64_t start = 0;
1567                 uint64_t size = 0;
1568                 boolean_t found = range_tree_find_in(msp->ms_defer[t], rstart,
1569                     rsize, &start, &size);
1570                 if (found) {
1571                         if (rstart == start)
1572                                 return (0);
1573                         rsize = start - rstart;
1574                 }
1575         }
1576
1577         uint64_t start = 0;
1578         uint64_t size = 0;
1579         boolean_t found = range_tree_find_in(msp->ms_freed, rstart,
1580             rsize, &start, &size);
1581         if (found)
1582                 rsize = start - rstart;
1583
1584         return (rsize);
1585 }
1586
1587 static range_seg_t *
1588 metaslab_block_find(zfs_btree_t *t, range_tree_t *rt, uint64_t start,
1589     uint64_t size, zfs_btree_index_t *where)
1590 {
1591         range_seg_t *rs;
1592         range_seg_max_t rsearch;
1593
1594         rs_set_start(&rsearch, rt, start);
1595         rs_set_end(&rsearch, rt, start + size);
1596
1597         rs = zfs_btree_find(t, &rsearch, where);
1598         if (rs == NULL) {
1599                 rs = zfs_btree_next(t, where, where);
1600         }
1601
1602         return (rs);
1603 }
1604
1605 #if defined(WITH_DF_BLOCK_ALLOCATOR) || \
1606     defined(WITH_CF_BLOCK_ALLOCATOR)
1607
1608 /*
1609  * This is a helper function that can be used by the allocator to find a
1610  * suitable block to allocate. This will search the specified B-tree looking
1611  * for a block that matches the specified criteria.
1612  */
1613 static uint64_t
1614 metaslab_block_picker(range_tree_t *rt, uint64_t *cursor, uint64_t size,
1615     uint64_t max_search)
1616 {
1617         if (*cursor == 0)
1618                 *cursor = rt->rt_start;
1619         zfs_btree_t *bt = &rt->rt_root;
1620         zfs_btree_index_t where;
1621         range_seg_t *rs = metaslab_block_find(bt, rt, *cursor, size, &where);
1622         uint64_t first_found;
1623         int count_searched = 0;
1624
1625         if (rs != NULL)
1626                 first_found = rs_get_start(rs, rt);
1627
1628         while (rs != NULL && (rs_get_start(rs, rt) - first_found <=
1629             max_search || count_searched < metaslab_min_search_count)) {
1630                 uint64_t offset = rs_get_start(rs, rt);
1631                 if (offset + size <= rs_get_end(rs, rt)) {
1632                         *cursor = offset + size;
1633                         return (offset);
1634                 }
1635                 rs = zfs_btree_next(bt, &where, &where);
1636                 count_searched++;
1637         }
1638
1639         *cursor = 0;
1640         return (-1ULL);
1641 }
1642 #endif /* WITH_DF/CF_BLOCK_ALLOCATOR */
1643
1644 #if defined(WITH_DF_BLOCK_ALLOCATOR)
1645 /*
1646  * ==========================================================================
1647  * Dynamic Fit (df) block allocator
1648  *
1649  * Search for a free chunk of at least this size, starting from the last
1650  * offset (for this alignment of block) looking for up to
1651  * metaslab_df_max_search bytes (16MB).  If a large enough free chunk is not
1652  * found within 16MB, then return a free chunk of exactly the requested size (or
1653  * larger).
1654  *
1655  * If it seems like searching from the last offset will be unproductive, skip
1656  * that and just return a free chunk of exactly the requested size (or larger).
1657  * This is based on metaslab_df_alloc_threshold and metaslab_df_free_pct.  This
1658  * mechanism is probably not very useful and may be removed in the future.
1659  *
1660  * The behavior when not searching can be changed to return the largest free
1661  * chunk, instead of a free chunk of exactly the requested size, by setting
1662  * metaslab_df_use_largest_segment.
1663  * ==========================================================================
1664  */
1665 static uint64_t
1666 metaslab_df_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1667 {
1668         /*
1669          * Find the largest power of 2 block size that evenly divides the
1670          * requested size. This is used to try to allocate blocks with similar
1671          * alignment from the same area of the metaslab (i.e. same cursor
1672          * bucket) but it does not guarantee that other allocations sizes
1673          * may exist in the same region.
1674          */
1675         uint64_t align = size & -size;
1676         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[highbit64(align) - 1];
1677         range_tree_t *rt = msp->ms_allocatable;
1678         int free_pct = range_tree_space(rt) * 100 / msp->ms_size;
1679         uint64_t offset;
1680
1681         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1682
1683         /*
1684          * If we're running low on space, find a segment based on size,
1685          * rather than iterating based on offset.
1686          */
1687         if (metaslab_largest_allocatable(msp) < metaslab_df_alloc_threshold ||
1688             free_pct < metaslab_df_free_pct) {
1689                 offset = -1;
1690         } else {
1691                 offset = metaslab_block_picker(rt,
1692                     cursor, size, metaslab_df_max_search);
1693         }
1694
1695         if (offset == -1) {
1696                 range_seg_t *rs;
1697                 if (zfs_btree_numnodes(&msp->ms_allocatable_by_size) == 0)
1698                         metaslab_size_tree_full_load(msp->ms_allocatable);
1699
1700                 if (metaslab_df_use_largest_segment) {
1701                         /* use largest free segment */
1702                         rs = zfs_btree_last(&msp->ms_allocatable_by_size, NULL);
1703                 } else {
1704                         zfs_btree_index_t where;
1705                         /* use segment of this size, or next largest */
1706                         rs = metaslab_block_find(&msp->ms_allocatable_by_size,
1707                             rt, msp->ms_start, size, &where);
1708                 }
1709                 if (rs != NULL && rs_get_start(rs, rt) + size <= rs_get_end(rs,
1710                     rt)) {
1711                         offset = rs_get_start(rs, rt);
1712                         *cursor = offset + size;
1713                 }
1714         }
1715
1716         return (offset);
1717 }
1718
1719 static metaslab_ops_t metaslab_df_ops = {
1720         metaslab_df_alloc
1721 };
1722
1723 metaslab_ops_t *zfs_metaslab_ops = &metaslab_df_ops;
1724 #endif /* WITH_DF_BLOCK_ALLOCATOR */
1725
1726 #if defined(WITH_CF_BLOCK_ALLOCATOR)
1727 /*
1728  * ==========================================================================
1729  * Cursor fit block allocator -
1730  * Select the largest region in the metaslab, set the cursor to the beginning
1731  * of the range and the cursor_end to the end of the range. As allocations
1732  * are made advance the cursor. Continue allocating from the cursor until
1733  * the range is exhausted and then find a new range.
1734  * ==========================================================================
1735  */
1736 static uint64_t
1737 metaslab_cf_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1738 {
1739         range_tree_t *rt = msp->ms_allocatable;
1740         zfs_btree_t *t = &msp->ms_allocatable_by_size;
1741         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[0];
1742         uint64_t *cursor_end = &msp->ms_lbas[1];
1743         uint64_t offset = 0;
1744
1745         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1746
1747         ASSERT3U(*cursor_end, >=, *cursor);
1748
1749         if ((*cursor + size) > *cursor_end) {
1750                 range_seg_t *rs;
1751
1752                 if (zfs_btree_numnodes(t) == 0)
1753                         metaslab_size_tree_full_load(msp->ms_allocatable);
1754                 rs = zfs_btree_last(t, NULL);
1755                 if (rs == NULL || (rs_get_end(rs, rt) - rs_get_start(rs, rt)) <
1756                     size)
1757                         return (-1ULL);
1758
1759                 *cursor = rs_get_start(rs, rt);
1760                 *cursor_end = rs_get_end(rs, rt);
1761         }
1762
1763         offset = *cursor;
1764         *cursor += size;
1765
1766         return (offset);
1767 }
1768
1769 static metaslab_ops_t metaslab_cf_ops = {
1770         metaslab_cf_alloc
1771 };
1772
1773 metaslab_ops_t *zfs_metaslab_ops = &metaslab_cf_ops;
1774 #endif /* WITH_CF_BLOCK_ALLOCATOR */
1775
1776 #if defined(WITH_NDF_BLOCK_ALLOCATOR)
1777 /*
1778  * ==========================================================================
1779  * New dynamic fit allocator -
1780  * Select a region that is large enough to allocate 2^metaslab_ndf_clump_shift
1781  * contiguous blocks. If no region is found then just use the largest segment
1782  * that remains.
1783  * ==========================================================================
1784  */
1785
1786 /*
1787  * Determines desired number of contiguous blocks (2^metaslab_ndf_clump_shift)
1788  * to request from the allocator.
1789  */
1790 uint64_t metaslab_ndf_clump_shift = 4;
1791
1792 static uint64_t
1793 metaslab_ndf_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1794 {
1795         zfs_btree_t *t = &msp->ms_allocatable->rt_root;
1796         range_tree_t *rt = msp->ms_allocatable;
1797         zfs_btree_index_t where;
1798         range_seg_t *rs;
1799         range_seg_max_t rsearch;
1800         uint64_t hbit = highbit64(size);
1801         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[hbit - 1];
1802         uint64_t max_size = metaslab_largest_allocatable(msp);
1803
1804         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1805
1806         if (max_size < size)
1807                 return (-1ULL);
1808
1809         rs_set_start(&rsearch, rt, *cursor);
1810         rs_set_end(&rsearch, rt, *cursor + size);
1811
1812         rs = zfs_btree_find(t, &rsearch, &where);
1813         if (rs == NULL || (rs_get_end(rs, rt) - rs_get_start(rs, rt)) < size) {
1814                 t = &msp->ms_allocatable_by_size;
1815
1816                 rs_set_start(&rsearch, rt, 0);
1817                 rs_set_end(&rsearch, rt, MIN(max_size, 1ULL << (hbit +
1818                     metaslab_ndf_clump_shift)));
1819
1820                 rs = zfs_btree_find(t, &rsearch, &where);
1821                 if (rs == NULL)
1822                         rs = zfs_btree_next(t, &where, &where);
1823                 ASSERT(rs != NULL);
1824         }
1825
1826         if ((rs_get_end(rs, rt) - rs_get_start(rs, rt)) >= size) {
1827                 *cursor = rs_get_start(rs, rt) + size;
1828                 return (rs_get_start(rs, rt));
1829         }
1830         return (-1ULL);
1831 }
1832
1833 static metaslab_ops_t metaslab_ndf_ops = {
1834         metaslab_ndf_alloc
1835 };
1836
1837 metaslab_ops_t *zfs_metaslab_ops = &metaslab_ndf_ops;
1838 #endif /* WITH_NDF_BLOCK_ALLOCATOR */
1839
1840
1841 /*
1842  * ==========================================================================
1843  * Metaslabs
1844  * ==========================================================================
1845  */
1846
1847 /*
1848  * Wait for any in-progress metaslab loads to complete.
1849  */
1850 static void
1851 metaslab_load_wait(metaslab_t *msp)
1852 {
1853         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1854
1855         while (msp->ms_loading) {
1856                 ASSERT(!msp->ms_loaded);
1857                 cv_wait(&msp->ms_load_cv, &msp->ms_lock);
1858         }
1859 }
1860
1861 /*
1862  * Wait for any in-progress flushing to complete.
1863  */
1864 static void
1865 metaslab_flush_wait(metaslab_t *msp)
1866 {
1867         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1868
1869         while (msp->ms_flushing)
1870                 cv_wait(&msp->ms_flush_cv, &msp->ms_lock);
1871 }
1872
1873 static unsigned int
1874 metaslab_idx_func(multilist_t *ml, void *arg)
1875 {
1876         metaslab_t *msp = arg;
1877         return (msp->ms_id % multilist_get_num_sublists(ml));
1878 }
1879
1880 uint64_t
1881 metaslab_allocated_space(metaslab_t *msp)
1882 {
1883         return (msp->ms_allocated_space);
1884 }
1885
1886 /*
1887  * Verify that the space accounting on disk matches the in-core range_trees.
1888  */
1889 static void
1890 metaslab_verify_space(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
1891 {
1892         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
1893         uint64_t allocating = 0;
1894         uint64_t sm_free_space, msp_free_space;
1895
1896         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1897         ASSERT(!msp->ms_condensing);
1898
1899         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_METASLAB_VERIFY) == 0)
1900                 return;
1901
1902         /*
1903          * We can only verify the metaslab space when we're called
1904          * from syncing context with a loaded metaslab that has an
1905          * allocated space map. Calling this in non-syncing context
1906          * does not provide a consistent view of the metaslab since
1907          * we're performing allocations in the future.
1908          */
1909         if (txg != spa_syncing_txg(spa) || msp->ms_sm == NULL ||
1910             !msp->ms_loaded)
1911                 return;
1912
1913         /*
1914          * Even though the smp_alloc field can get negative,
1915          * when it comes to a metaslab's space map, that should
1916          * never be the case.
1917          */
1918         ASSERT3S(space_map_allocated(msp->ms_sm), >=, 0);
1919
1920         ASSERT3U(space_map_allocated(msp->ms_sm), >=,
1921             range_tree_space(msp->ms_unflushed_frees));
1922
1923         ASSERT3U(metaslab_allocated_space(msp), ==,
1924             space_map_allocated(msp->ms_sm) +
1925             range_tree_space(msp->ms_unflushed_allocs) -
1926             range_tree_space(msp->ms_unflushed_frees));
1927
1928         sm_free_space = msp->ms_size - metaslab_allocated_space(msp);
1929
1930         /*
1931          * Account for future allocations since we would have
1932          * already deducted that space from the ms_allocatable.
1933          */
1934         for (int t = 0; t < TXG_CONCURRENT_STATES; t++) {
1935                 allocating +=
1936                     range_tree_space(msp->ms_allocating[(txg + t) & TXG_MASK]);
1937         }
1938         ASSERT3U(allocating + msp->ms_allocated_this_txg, ==,
1939             msp->ms_allocating_total);
1940
1941         ASSERT3U(msp->ms_deferspace, ==,
1942             range_tree_space(msp->ms_defer[0]) +
1943             range_tree_space(msp->ms_defer[1]));
1944
1945         msp_free_space = range_tree_space(msp->ms_allocatable) + allocating +
1946             msp->ms_deferspace + range_tree_space(msp->ms_freed);
1947
1948         VERIFY3U(sm_free_space, ==, msp_free_space);
1949 }
1950
1951 static void
1952 metaslab_aux_histograms_clear(metaslab_t *msp)
1953 {
1954         /*
1955          * Auxiliary histograms are only cleared when resetting them,
1956          * which can only happen while the metaslab is loaded.
1957          */
1958         ASSERT(msp->ms_loaded);
1959
1960         bzero(msp->ms_synchist, sizeof (msp->ms_synchist));
1961         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++)
1962                 bzero(msp->ms_deferhist[t], sizeof (msp->ms_deferhist[t]));
1963 }
1964
1965 static void
1966 metaslab_aux_histogram_add(uint64_t *histogram, uint64_t shift,
1967     range_tree_t *rt)
1968 {
1969         /*
1970          * This is modeled after space_map_histogram_add(), so refer to that
1971          * function for implementation details. We want this to work like
1972          * the space map histogram, and not the range tree histogram, as we
1973          * are essentially constructing a delta that will be later subtracted
1974          * from the space map histogram.
1975          */
1976         int idx = 0;
1977         for (int i = shift; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
1978                 ASSERT3U(i, >=, idx + shift);
1979                 histogram[idx] += rt->rt_histogram[i] << (i - idx - shift);
1980
1981                 if (idx < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE - 1) {
1982                         ASSERT3U(idx + shift, ==, i);
1983                         idx++;
1984                         ASSERT3U(idx, <, SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE);
1985                 }
1986         }
1987 }
1988
1989 /*
1990  * Called at every sync pass that the metaslab gets synced.
1991  *
1992  * The reason is that we want our auxiliary histograms to be updated
1993  * wherever the metaslab's space map histogram is updated. This way
1994  * we stay consistent on which parts of the metaslab space map's
1995  * histogram are currently not available for allocations (e.g because
1996  * they are in the defer, freed, and freeing trees).
1997  */
1998 static void
1999 metaslab_aux_histograms_update(metaslab_t *msp)
2000 {
2001         space_map_t *sm = msp->ms_sm;
2002         ASSERT(sm != NULL);
2003
2004         /*
2005          * This is similar to the metaslab's space map histogram updates
2006          * that take place in metaslab_sync(). The only difference is that
2007          * we only care about segments that haven't made it into the
2008          * ms_allocatable tree yet.
2009          */
2010         if (msp->ms_loaded) {
2011                 metaslab_aux_histograms_clear(msp);
2012
2013                 metaslab_aux_histogram_add(msp->ms_synchist,
2014                     sm->sm_shift, msp->ms_freed);
2015
2016                 for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
2017                         metaslab_aux_histogram_add(msp->ms_deferhist[t],
2018                             sm->sm_shift, msp->ms_defer[t]);
2019                 }
2020         }
2021
2022         metaslab_aux_histogram_add(msp->ms_synchist,
2023             sm->sm_shift, msp->ms_freeing);
2024 }
2025
2026 /*
2027  * Called every time we are done syncing (writing to) the metaslab,
2028  * i.e. at the end of each sync pass.
2029  * [see the comment in metaslab_impl.h for ms_synchist, ms_deferhist]
2030  */
2031 static void
2032 metaslab_aux_histograms_update_done(metaslab_t *msp, boolean_t defer_allowed)
2033 {
2034         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
2035         space_map_t *sm = msp->ms_sm;
2036
2037         if (sm == NULL) {
2038                 /*
2039                  * We came here from metaslab_init() when creating/opening a
2040                  * pool, looking at a metaslab that hasn't had any allocations
2041                  * yet.
2042                  */
2043                 return;
2044         }
2045
2046         /*
2047          * This is similar to the actions that we take for the ms_freed
2048          * and ms_defer trees in metaslab_sync_done().
2049          */
2050         uint64_t hist_index = spa_syncing_txg(spa) % TXG_DEFER_SIZE;
2051         if (defer_allowed) {
2052                 bcopy(msp->ms_synchist, msp->ms_deferhist[hist_index],
2053                     sizeof (msp->ms_synchist));
2054         } else {
2055                 bzero(msp->ms_deferhist[hist_index],
2056                     sizeof (msp->ms_deferhist[hist_index]));
2057         }
2058         bzero(msp->ms_synchist, sizeof (msp->ms_synchist));
2059 }
2060
2061 /*
2062  * Ensure that the metaslab's weight and fragmentation are consistent
2063  * with the contents of the histogram (either the range tree's histogram
2064  * or the space map's depending whether the metaslab is loaded).
2065  */
2066 static void
2067 metaslab_verify_weight_and_frag(metaslab_t *msp)
2068 {
2069         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2070
2071         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_METASLAB_VERIFY) == 0)
2072                 return;
2073
2074         /*
2075          * We can end up here from vdev_remove_complete(), in which case we
2076          * cannot do these assertions because we hold spa config locks and
2077          * thus we are not allowed to read from the DMU.
2078          *
2079          * We check if the metaslab group has been removed and if that's
2080          * the case we return immediately as that would mean that we are
2081          * here from the aforementioned code path.
2082          */
2083         if (msp->ms_group == NULL)
2084                 return;
2085
2086         /*
2087          * Devices being removed always return a weight of 0 and leave
2088          * fragmentation and ms_max_size as is - there is nothing for
2089          * us to verify here.
2090          */
2091         vdev_t *vd = msp->ms_group->mg_vd;
2092         if (vd->vdev_removing)
2093                 return;
2094
2095         /*
2096          * If the metaslab is dirty it probably means that we've done
2097          * some allocations or frees that have changed our histograms
2098          * and thus the weight.
2099          */
2100         for (int t = 0; t < TXG_SIZE; t++) {
2101                 if (txg_list_member(&vd->vdev_ms_list, msp, t))
2102                         return;
2103         }
2104
2105         /*
2106          * This verification checks that our in-memory state is consistent
2107          * with what's on disk. If the pool is read-only then there aren't
2108          * any changes and we just have the initially-loaded state.
2109          */
2110         if (!spa_writeable(msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa))
2111                 return;
2112
2113         /* some extra verification for in-core tree if you can */
2114         if (msp->ms_loaded) {
2115                 range_tree_stat_verify(msp->ms_allocatable);
2116                 VERIFY(space_map_histogram_verify(msp->ms_sm,
2117                     msp->ms_allocatable));
2118         }
2119
2120         uint64_t weight = msp->ms_weight;
2121         uint64_t was_active = msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK;
2122         boolean_t space_based = WEIGHT_IS_SPACEBASED(msp->ms_weight);
2123         uint64_t frag = msp->ms_fragmentation;
2124         uint64_t max_segsize = msp->ms_max_size;
2125
2126         msp->ms_weight = 0;
2127         msp->ms_fragmentation = 0;
2128
2129         /*
2130          * This function is used for verification purposes and thus should
2131          * not introduce any side-effects/mutations on the system's state.
2132          *
2133          * Regardless of whether metaslab_weight() thinks this metaslab
2134          * should be active or not, we want to ensure that the actual weight
2135          * (and therefore the value of ms_weight) would be the same if it
2136          * was to be recalculated at this point.
2137          *
2138          * In addition we set the nodirty flag so metaslab_weight() does
2139          * not dirty the metaslab for future TXGs (e.g. when trying to
2140          * force condensing to upgrade the metaslab spacemaps).
2141          */
2142         msp->ms_weight = metaslab_weight(msp, B_TRUE) | was_active;
2143
2144         VERIFY3U(max_segsize, ==, msp->ms_max_size);
2145
2146         /*
2147          * If the weight type changed then there is no point in doing
2148          * verification. Revert fields to their original values.
2149          */
2150         if ((space_based && !WEIGHT_IS_SPACEBASED(msp->ms_weight)) ||
2151             (!space_based && WEIGHT_IS_SPACEBASED(msp->ms_weight))) {
2152                 msp->ms_fragmentation = frag;
2153                 msp->ms_weight = weight;
2154                 return;
2155         }
2156
2157         VERIFY3U(msp->ms_fragmentation, ==, frag);
2158         VERIFY3U(msp->ms_weight, ==, weight);
2159 }
2160
2161 /*
2162  * If we're over the zfs_metaslab_mem_limit, select the loaded metaslab from
2163  * this class that was used longest ago, and attempt to unload it.  We don't
2164  * want to spend too much time in this loop to prevent performance
2165  * degradation, and we expect that most of the time this operation will
2166  * succeed. Between that and the normal unloading processing during txg sync,
2167  * we expect this to keep the metaslab memory usage under control.
2168  */
2169 static void
2170 metaslab_potentially_evict(metaslab_class_t *mc)
2171 {
2172 #ifdef _KERNEL
2173         uint64_t allmem = arc_all_memory();
2174         uint64_t inuse = spl_kmem_cache_inuse(zfs_btree_leaf_cache);
2175         uint64_t size = spl_kmem_cache_entry_size(zfs_btree_leaf_cache);
2176         int tries = 0;
2177         for (; allmem * zfs_metaslab_mem_limit / 100 < inuse * size &&
2178             tries < multilist_get_num_sublists(mc->mc_metaslab_txg_list) * 2;
2179             tries++) {
2180                 unsigned int idx = multilist_get_random_index(
2181                     mc->mc_metaslab_txg_list);
2182                 multilist_sublist_t *mls =
2183                     multilist_sublist_lock(mc->mc_metaslab_txg_list, idx);
2184                 metaslab_t *msp = multilist_sublist_head(mls);
2185                 multilist_sublist_unlock(mls);
2186                 while (msp != NULL && allmem * zfs_metaslab_mem_limit / 100 <
2187                     inuse * size) {
2188                         VERIFY3P(mls, ==, multilist_sublist_lock(
2189                             mc->mc_metaslab_txg_list, idx));
2190                         ASSERT3U(idx, ==,
2191                             metaslab_idx_func(mc->mc_metaslab_txg_list, msp));
2192
2193                         if (!multilist_link_active(&msp->ms_class_txg_node)) {
2194                                 multilist_sublist_unlock(mls);
2195                                 break;
2196                         }
2197                         metaslab_t *next_msp = multilist_sublist_next(mls, msp);
2198                         multilist_sublist_unlock(mls);
2199                         /*
2200                          * If the metaslab is currently loading there are two
2201                          * cases. If it's the metaslab we're evicting, we
2202                          * can't continue on or we'll panic when we attempt to
2203                          * recursively lock the mutex. If it's another
2204                          * metaslab that's loading, it can be safely skipped,
2205                          * since we know it's very new and therefore not a
2206                          * good eviction candidate. We check later once the
2207                          * lock is held that the metaslab is fully loaded
2208                          * before actually unloading it.
2209                          */
2210                         if (msp->ms_loading) {
2211                                 msp = next_msp;
2212                                 inuse =
2213                                     spl_kmem_cache_inuse(zfs_btree_leaf_cache);
2214                                 continue;
2215                         }
2216                         /*
2217                          * We can't unload metaslabs with no spacemap because
2218                          * they're not ready to be unloaded yet. We can't
2219                          * unload metaslabs with outstanding allocations
2220                          * because doing so could cause the metaslab's weight
2221                          * to decrease while it's unloaded, which violates an
2222                          * invariant that we use to prevent unnecessary
2223                          * loading. We also don't unload metaslabs that are
2224                          * currently active because they are high-weight
2225                          * metaslabs that are likely to be used in the near
2226                          * future.
2227                          */
2228                         mutex_enter(&msp->ms_lock);
2229                         if (msp->ms_allocator == -1 && msp->ms_sm != NULL &&
2230                             msp->ms_allocating_total == 0) {
2231                                 metaslab_unload(msp);
2232                         }
2233                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2234                         msp = next_msp;
2235                         inuse = spl_kmem_cache_inuse(zfs_btree_leaf_cache);
2236                 }
2237         }
2238 #endif
2239 }
2240
2241 static int
2242 metaslab_load_impl(metaslab_t *msp)
2243 {
2244         int error = 0;
2245
2246         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2247         ASSERT(msp->ms_loading);
2248         ASSERT(!msp->ms_condensing);
2249
2250         /*
2251          * We temporarily drop the lock to unblock other operations while we
2252          * are reading the space map. Therefore, metaslab_sync() and
2253          * metaslab_sync_done() can run at the same time as we do.
2254          *
2255          * If we are using the log space maps, metaslab_sync() can't write to
2256          * the metaslab's space map while we are loading as we only write to
2257          * it when we are flushing the metaslab, and that can't happen while
2258          * we are loading it.
2259          *
2260          * If we are not using log space maps though, metaslab_sync() can
2261          * append to the space map while we are loading. Therefore we load
2262          * only entries that existed when we started the load. Additionally,
2263          * metaslab_sync_done() has to wait for the load to complete because
2264          * there are potential races like metaslab_load() loading parts of the
2265          * space map that are currently being appended by metaslab_sync(). If
2266          * we didn't, the ms_allocatable would have entries that
2267          * metaslab_sync_done() would try to re-add later.
2268          *
2269          * That's why before dropping the lock we remember the synced length
2270          * of the metaslab and read up to that point of the space map,
2271          * ignoring entries appended by metaslab_sync() that happen after we
2272          * drop the lock.
2273          */
2274         uint64_t length = msp->ms_synced_length;
2275         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2276
2277         hrtime_t load_start = gethrtime();
2278         metaslab_rt_arg_t *mrap;
2279         if (msp->ms_allocatable->rt_arg == NULL) {
2280                 mrap = kmem_zalloc(sizeof (*mrap), KM_SLEEP);
2281         } else {
2282                 mrap = msp->ms_allocatable->rt_arg;
2283                 msp->ms_allocatable->rt_ops = NULL;
2284                 msp->ms_allocatable->rt_arg = NULL;
2285         }
2286         mrap->mra_bt = &msp->ms_allocatable_by_size;
2287         mrap->mra_floor_shift = metaslab_by_size_min_shift;
2288
2289         if (msp->ms_sm != NULL) {
2290                 error = space_map_load_length(msp->ms_sm, msp->ms_allocatable,
2291                     SM_FREE, length);
2292
2293                 /* Now, populate the size-sorted tree. */
2294                 metaslab_rt_create(msp->ms_allocatable, mrap);
2295                 msp->ms_allocatable->rt_ops = &metaslab_rt_ops;
2296                 msp->ms_allocatable->rt_arg = mrap;
2297
2298                 struct mssa_arg arg = {0};
2299                 arg.rt = msp->ms_allocatable;
2300                 arg.mra = mrap;
2301                 range_tree_walk(msp->ms_allocatable, metaslab_size_sorted_add,
2302                     &arg);
2303         } else {
2304                 /*
2305                  * Add the size-sorted tree first, since we don't need to load
2306                  * the metaslab from the spacemap.
2307                  */
2308                 metaslab_rt_create(msp->ms_allocatable, mrap);
2309                 msp->ms_allocatable->rt_ops = &metaslab_rt_ops;
2310                 msp->ms_allocatable->rt_arg = mrap;
2311                 /*
2312                  * The space map has not been allocated yet, so treat
2313                  * all the space in the metaslab as free and add it to the
2314                  * ms_allocatable tree.
2315                  */
2316                 range_tree_add(msp->ms_allocatable,
2317                     msp->ms_start, msp->ms_size);
2318
2319                 if (msp->ms_new) {
2320                         /*
2321                          * If the ms_sm doesn't exist, this means that this
2322                          * metaslab hasn't gone through metaslab_sync() and
2323                          * thus has never been dirtied. So we shouldn't
2324                          * expect any unflushed allocs or frees from previous
2325                          * TXGs.
2326                          */
2327                         ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_unflushed_allocs));
2328                         ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_unflushed_frees));
2329                 }
2330         }
2331
2332         /*
2333          * We need to grab the ms_sync_lock to prevent metaslab_sync() from
2334          * changing the ms_sm (or log_sm) and the metaslab's range trees
2335          * while we are about to use them and populate the ms_allocatable.
2336          * The ms_lock is insufficient for this because metaslab_sync() doesn't
2337          * hold the ms_lock while writing the ms_checkpointing tree to disk.
2338          */
2339         mutex_enter(&msp->ms_sync_lock);
2340         mutex_enter(&msp->ms_lock);
2341
2342         ASSERT(!msp->ms_condensing);
2343         ASSERT(!msp->ms_flushing);
2344
2345         if (error != 0) {
2346                 mutex_exit(&msp->ms_sync_lock);
2347                 return (error);
2348         }
2349
2350         ASSERT3P(msp->ms_group, !=, NULL);
2351         msp->ms_loaded = B_TRUE;
2352
2353         /*
2354          * Apply all the unflushed changes to ms_allocatable right
2355          * away so any manipulations we do below have a clear view
2356          * of what is allocated and what is free.
2357          */
2358         range_tree_walk(msp->ms_unflushed_allocs,
2359             range_tree_remove, msp->ms_allocatable);
2360         range_tree_walk(msp->ms_unflushed_frees,
2361             range_tree_add, msp->ms_allocatable);
2362
2363         ASSERT3P(msp->ms_group, !=, NULL);
2364         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
2365         if (spa_syncing_log_sm(spa) != NULL) {
2366                 ASSERT(spa_feature_is_enabled(spa,
2367                     SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP));
2368
2369                 /*
2370                  * If we use a log space map we add all the segments
2371                  * that are in ms_unflushed_frees so they are available
2372                  * for allocation.
2373                  *
2374                  * ms_allocatable needs to contain all free segments
2375                  * that are ready for allocations (thus not segments
2376                  * from ms_freeing, ms_freed, and the ms_defer trees).
2377                  * But if we grab the lock in this code path at a sync
2378                  * pass later that 1, then it also contains the
2379                  * segments of ms_freed (they were added to it earlier
2380                  * in this path through ms_unflushed_frees). So we
2381                  * need to remove all the segments that exist in
2382                  * ms_freed from ms_allocatable as they will be added
2383                  * later in metaslab_sync_done().
2384                  *
2385                  * When there's no log space map, the ms_allocatable
2386                  * correctly doesn't contain any segments that exist
2387                  * in ms_freed [see ms_synced_length].
2388                  */
2389                 range_tree_walk(msp->ms_freed,
2390                     range_tree_remove, msp->ms_allocatable);
2391         }
2392
2393         /*
2394          * If we are not using the log space map, ms_allocatable
2395          * contains the segments that exist in the ms_defer trees
2396          * [see ms_synced_length]. Thus we need to remove them
2397          * from ms_allocatable as they will be added again in
2398          * metaslab_sync_done().
2399          *
2400          * If we are using the log space map, ms_allocatable still
2401          * contains the segments that exist in the ms_defer trees.
2402          * Not because it read them through the ms_sm though. But
2403          * because these segments are part of ms_unflushed_frees
2404          * whose segments we add to ms_allocatable earlier in this
2405          * code path.
2406          */
2407         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
2408                 range_tree_walk(msp->ms_defer[t],
2409                     range_tree_remove, msp->ms_allocatable);
2410         }
2411
2412         /*
2413          * Call metaslab_recalculate_weight_and_sort() now that the
2414          * metaslab is loaded so we get the metaslab's real weight.
2415          *
2416          * Unless this metaslab was created with older software and
2417          * has not yet been converted to use segment-based weight, we
2418          * expect the new weight to be better or equal to the weight
2419          * that the metaslab had while it was not loaded. This is
2420          * because the old weight does not take into account the
2421          * consolidation of adjacent segments between TXGs. [see
2422          * comment for ms_synchist and ms_deferhist[] for more info]
2423          */
2424         uint64_t weight = msp->ms_weight;
2425         uint64_t max_size = msp->ms_max_size;
2426         metaslab_recalculate_weight_and_sort(msp);
2427         if (!WEIGHT_IS_SPACEBASED(weight))
2428                 ASSERT3U(weight, <=, msp->ms_weight);
2429         msp->ms_max_size = metaslab_largest_allocatable(msp);
2430         ASSERT3U(max_size, <=, msp->ms_max_size);
2431         hrtime_t load_end = gethrtime();
2432         msp->ms_load_time = load_end;
2433         zfs_dbgmsg("metaslab_load: txg %llu, spa %s, vdev_id %llu, "
2434             "ms_id %llu, smp_length %llu, "
2435             "unflushed_allocs %llu, unflushed_frees %llu, "
2436             "freed %llu, defer %llu + %llu, unloaded time %llu ms, "
2437             "loading_time %lld ms, ms_max_size %llu, "
2438             "max size error %lld, "
2439             "old_weight %llx, new_weight %llx",
2440             spa_syncing_txg(spa), spa_name(spa),
2441             msp->ms_group->mg_vd->vdev_id, msp->ms_id,
2442             space_map_length(msp->ms_sm),
2443             range_tree_space(msp->ms_unflushed_allocs),
2444             range_tree_space(msp->ms_unflushed_frees),
2445             range_tree_space(msp->ms_freed),
2446             range_tree_space(msp->ms_defer[0]),
2447             range_tree_space(msp->ms_defer[1]),
2448             (longlong_t)((load_start - msp->ms_unload_time) / 1000000),
2449             (longlong_t)((load_end - load_start) / 1000000),
2450             msp->ms_max_size, msp->ms_max_size - max_size,
2451             weight, msp->ms_weight);
2452
2453         metaslab_verify_space(msp, spa_syncing_txg(spa));
2454         mutex_exit(&msp->ms_sync_lock);
2455         return (0);
2456 }
2457
2458 int
2459 metaslab_load(metaslab_t *msp)
2460 {
2461         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2462
2463         /*
2464          * There may be another thread loading the same metaslab, if that's
2465          * the case just wait until the other thread is done and return.
2466          */
2467         metaslab_load_wait(msp);
2468         if (msp->ms_loaded)
2469                 return (0);
2470         VERIFY(!msp->ms_loading);
2471         ASSERT(!msp->ms_condensing);
2472
2473         /*
2474          * We set the loading flag BEFORE potentially dropping the lock to
2475          * wait for an ongoing flush (see ms_flushing below). This way other
2476          * threads know that there is already a thread that is loading this
2477          * metaslab.
2478          */
2479         msp->ms_loading = B_TRUE;
2480
2481         /*
2482          * Wait for any in-progress flushing to finish as we drop the ms_lock
2483          * both here (during space_map_load()) and in metaslab_flush() (when
2484          * we flush our changes to the ms_sm).
2485          */
2486         if (msp->ms_flushing)
2487                 metaslab_flush_wait(msp);
2488
2489         /*
2490          * In the possibility that we were waiting for the metaslab to be
2491          * flushed (where we temporarily dropped the ms_lock), ensure that
2492          * no one else loaded the metaslab somehow.
2493          */
2494         ASSERT(!msp->ms_loaded);
2495
2496         /*
2497          * If we're loading a metaslab in the normal class, consider evicting
2498          * another one to keep our memory usage under the limit defined by the
2499          * zfs_metaslab_mem_limit tunable.
2500          */
2501         if (spa_normal_class(msp->ms_group->mg_class->mc_spa) ==
2502             msp->ms_group->mg_class) {
2503                 metaslab_potentially_evict(msp->ms_group->mg_class);
2504         }
2505
2506         int error = metaslab_load_impl(msp);
2507
2508         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2509         msp->ms_loading = B_FALSE;
2510         cv_broadcast(&msp->ms_load_cv);
2511
2512         return (error);
2513 }
2514
2515 void
2516 metaslab_unload(metaslab_t *msp)
2517 {
2518         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2519
2520         /*
2521          * This can happen if a metaslab is selected for eviction (in
2522          * metaslab_potentially_evict) and then unloaded during spa_sync (via
2523          * metaslab_class_evict_old).
2524          */
2525         if (!msp->ms_loaded)
2526                 return;
2527
2528         range_tree_vacate(msp->ms_allocatable, NULL, NULL);
2529         msp->ms_loaded = B_FALSE;
2530         msp->ms_unload_time = gethrtime();
2531
2532         msp->ms_activation_weight = 0;
2533         msp->ms_weight &= ~METASLAB_ACTIVE_MASK;
2534
2535         if (msp->ms_group != NULL) {
2536                 metaslab_class_t *mc = msp->ms_group->mg_class;
2537                 multilist_sublist_t *mls =
2538                     multilist_sublist_lock_obj(mc->mc_metaslab_txg_list, msp);
2539                 if (multilist_link_active(&msp->ms_class_txg_node))
2540                         multilist_sublist_remove(mls, msp);
2541                 multilist_sublist_unlock(mls);
2542
2543                 spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
2544                 zfs_dbgmsg("metaslab_unload: txg %llu, spa %s, vdev_id %llu, "
2545                     "ms_id %llu, weight %llx, "
2546                     "selected txg %llu (%llu ms ago), alloc_txg %llu, "
2547                     "loaded %llu ms ago, max_size %llu",
2548                     spa_syncing_txg(spa), spa_name(spa),
2549                     msp->ms_group->mg_vd->vdev_id, msp->ms_id,
2550                     msp->ms_weight,
2551                     msp->ms_selected_txg,
2552                     (msp->ms_unload_time - msp->ms_selected_time) / 1000 / 1000,
2553                     msp->ms_alloc_txg,
2554                     (msp->ms_unload_time - msp->ms_load_time) / 1000 / 1000,
2555                     msp->ms_max_size);
2556         }
2557
2558         /*
2559          * We explicitly recalculate the metaslab's weight based on its space
2560          * map (as it is now not loaded). We want unload metaslabs to always
2561          * have their weights calculated from the space map histograms, while
2562          * loaded ones have it calculated from their in-core range tree
2563          * [see metaslab_load()]. This way, the weight reflects the information
2564          * available in-core, whether it is loaded or not.
2565          *
2566          * If ms_group == NULL means that we came here from metaslab_fini(),
2567          * at which point it doesn't make sense for us to do the recalculation
2568          * and the sorting.
2569          */
2570         if (msp->ms_group != NULL)
2571                 metaslab_recalculate_weight_and_sort(msp);
2572 }
2573
2574 /*
2575  * We want to optimize the memory use of the per-metaslab range
2576  * trees. To do this, we store the segments in the range trees in
2577  * units of sectors, zero-indexing from the start of the metaslab. If
2578  * the vdev_ms_shift - the vdev_ashift is less than 32, we can store
2579  * the ranges using two uint32_ts, rather than two uint64_ts.
2580  */
2581 range_seg_type_t
2582 metaslab_calculate_range_tree_type(vdev_t *vdev, metaslab_t *msp,
2583     uint64_t *start, uint64_t *shift)
2584 {
2585         if (vdev->vdev_ms_shift - vdev->vdev_ashift < 32 &&
2586             !zfs_metaslab_force_large_segs) {
2587                 *shift = vdev->vdev_ashift;
2588                 *start = msp->ms_start;
2589                 return (RANGE_SEG32);
2590         } else {
2591                 *shift = 0;
2592                 *start = 0;
2593                 return (RANGE_SEG64);
2594         }
2595 }
2596
2597 void
2598 metaslab_set_selected_txg(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
2599 {
2600         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2601         metaslab_class_t *mc = msp->ms_group->mg_class;
2602         multilist_sublist_t *mls =
2603             multilist_sublist_lock_obj(mc->mc_metaslab_txg_list, msp);
2604         if (multilist_link_active(&msp->ms_class_txg_node))
2605                 multilist_sublist_remove(mls, msp);
2606         msp->ms_selected_txg = txg;
2607         msp->ms_selected_time = gethrtime();
2608         multilist_sublist_insert_tail(mls, msp);
2609         multilist_sublist_unlock(mls);
2610 }
2611
2612 void
2613 metaslab_space_update(vdev_t *vd, metaslab_class_t *mc, int64_t alloc_delta,
2614     int64_t defer_delta, int64_t space_delta)
2615 {
2616         vdev_space_update(vd, alloc_delta, defer_delta, space_delta);
2617
2618         ASSERT3P(vd->vdev_spa->spa_root_vdev, ==, vd->vdev_parent);
2619         ASSERT(vd->vdev_ms_count != 0);
2620
2621         metaslab_class_space_update(mc, alloc_delta, defer_delta, space_delta,
2622             vdev_deflated_space(vd, space_delta));
2623 }
2624
2625 int
2626 metaslab_init(metaslab_group_t *mg, uint64_t id, uint64_t object,
2627     uint64_t txg, metaslab_t **msp)
2628 {
2629         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
2630         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
2631         objset_t *mos = spa->spa_meta_objset;
2632         metaslab_t *ms;
2633         int error;
2634
2635         ms = kmem_zalloc(sizeof (metaslab_t), KM_SLEEP);
2636         mutex_init(&ms->ms_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
2637         mutex_init(&ms->ms_sync_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
2638         cv_init(&ms->ms_load_cv, NULL, CV_DEFAULT, NULL);
2639         cv_init(&ms->ms_flush_cv, NULL, CV_DEFAULT, NULL);
2640         multilist_link_init(&ms->ms_class_txg_node);
2641
2642         ms->ms_id = id;
2643         ms->ms_start = id << vd->vdev_ms_shift;
2644         ms->ms_size = 1ULL << vd->vdev_ms_shift;
2645         ms->ms_allocator = -1;
2646         ms->ms_new = B_TRUE;
2647
2648         vdev_ops_t *ops = vd->vdev_ops;
2649         if (ops->vdev_op_metaslab_init != NULL)
2650                 ops->vdev_op_metaslab_init(vd, &ms->ms_start, &ms->ms_size);
2651
2652         /*
2653          * We only open space map objects that already exist. All others
2654          * will be opened when we finally allocate an object for it.
2655          *
2656          * Note:
2657          * When called from vdev_expand(), we can't call into the DMU as
2658          * we are holding the spa_config_lock as a writer and we would
2659          * deadlock [see relevant comment in vdev_metaslab_init()]. in
2660          * that case, the object parameter is zero though, so we won't
2661          * call into the DMU.
2662          */
2663         if (object != 0) {
2664                 error = space_map_open(&ms->ms_sm, mos, object, ms->ms_start,
2665                     ms->ms_size, vd->vdev_ashift);
2666
2667                 if (error != 0) {
2668                         kmem_free(ms, sizeof (metaslab_t));
2669                         return (error);
2670                 }
2671
2672                 ASSERT(ms->ms_sm != NULL);
2673                 ms->ms_allocated_space = space_map_allocated(ms->ms_sm);
2674         }
2675
2676         uint64_t shift, start;
2677         range_seg_type_t type =
2678             metaslab_calculate_range_tree_type(vd, ms, &start, &shift);
2679
2680         ms->ms_allocatable = range_tree_create(NULL, type, NULL, start, shift);
2681         for (int t = 0; t < TXG_SIZE; t++) {
2682                 ms->ms_allocating[t] = range_tree_create(NULL, type,
2683                     NULL, start, shift);
2684         }
2685         ms->ms_freeing = range_tree_create(NULL, type, NULL, start, shift);
2686         ms->ms_freed = range_tree_create(NULL, type, NULL, start, shift);
2687         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
2688                 ms->ms_defer[t] = range_tree_create(NULL, type, NULL,
2689                     start, shift);
2690         }
2691         ms->ms_checkpointing =
2692             range_tree_create(NULL, type, NULL, start, shift);
2693         ms->ms_unflushed_allocs =
2694             range_tree_create(NULL, type, NULL, start, shift);
2695
2696         metaslab_rt_arg_t *mrap = kmem_zalloc(sizeof (*mrap), KM_SLEEP);
2697         mrap->mra_bt = &ms->ms_unflushed_frees_by_size;
2698         mrap->mra_floor_shift = metaslab_by_size_min_shift;
2699         ms->ms_unflushed_frees = range_tree_create(&metaslab_rt_ops,
2700             type, mrap, start, shift);
2701
2702         ms->ms_trim = range_tree_create(NULL, type, NULL, start, shift);
2703
2704         metaslab_group_add(mg, ms);
2705         metaslab_set_fragmentation(ms, B_FALSE);
2706
2707         /*
2708          * If we're opening an existing pool (txg == 0) or creating
2709          * a new one (txg == TXG_INITIAL), all space is available now.
2710          * If we're adding space to an existing pool, the new space
2711          * does not become available until after this txg has synced.
2712          * The metaslab's weight will also be initialized when we sync
2713          * out this txg. This ensures that we don't attempt to allocate
2714          * from it before we have initialized it completely.
2715          */
2716         if (txg <= TXG_INITIAL) {
2717                 metaslab_sync_done(ms, 0);
2718                 metaslab_space_update(vd, mg->mg_class,
2719                     metaslab_allocated_space(ms), 0, 0);
2720         }
2721
2722         if (txg != 0) {
2723                 vdev_dirty(vd, 0, NULL, txg);
2724                 vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, ms, txg);
2725         }
2726
2727         *msp = ms;
2728
2729         return (0);
2730 }
2731
2732 static void
2733 metaslab_fini_flush_data(metaslab_t *msp)
2734 {
2735         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
2736
2737         if (metaslab_unflushed_txg(msp) == 0) {
2738                 ASSERT3P(avl_find(&spa->spa_metaslabs_by_flushed, msp, NULL),
2739                     ==, NULL);
2740                 return;
2741         }
2742         ASSERT(spa_feature_is_active(spa, SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP));
2743
2744         mutex_enter(&spa->spa_flushed_ms_lock);
2745         avl_remove(&spa->spa_metaslabs_by_flushed, msp);
2746         mutex_exit(&spa->spa_flushed_ms_lock);
2747
2748         spa_log_sm_decrement_mscount(spa, metaslab_unflushed_txg(msp));
2749         spa_log_summary_decrement_mscount(spa, metaslab_unflushed_txg(msp));
2750 }
2751
2752 uint64_t
2753 metaslab_unflushed_changes_memused(metaslab_t *ms)
2754 {
2755         return ((range_tree_numsegs(ms->ms_unflushed_allocs) +
2756             range_tree_numsegs(ms->ms_unflushed_frees)) *
2757             ms->ms_unflushed_allocs->rt_root.bt_elem_size);
2758 }
2759
2760 void
2761 metaslab_fini(metaslab_t *msp)
2762 {
2763         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
2764         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
2765         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
2766
2767         metaslab_fini_flush_data(msp);
2768
2769         metaslab_group_remove(mg, msp);
2770
2771         mutex_enter(&msp->ms_lock);
2772         VERIFY(msp->ms_group == NULL);
2773
2774         /*
2775          * If this metaslab hasn't been through metaslab_sync_done() yet its
2776          * space hasn't been accounted for in its vdev and doesn't need to be
2777          * subtracted.
2778          */
2779         if (!msp->ms_new) {
2780                 metaslab_space_update(vd, mg->mg_class,
2781                     -metaslab_allocated_space(msp), 0, -msp->ms_size);
2782
2783         }
2784         space_map_close(msp->ms_sm);
2785         msp->ms_sm = NULL;
2786
2787         metaslab_unload(msp);
2788
2789         range_tree_destroy(msp->ms_allocatable);
2790         range_tree_destroy(msp->ms_freeing);
2791         range_tree_destroy(msp->ms_freed);
2792
2793         ASSERT3U(spa->spa_unflushed_stats.sus_memused, >=,
2794             metaslab_unflushed_changes_memused(msp));
2795         spa->spa_unflushed_stats.sus_memused -=
2796             metaslab_unflushed_changes_memused(msp);
2797         range_tree_vacate(msp->ms_unflushed_allocs, NULL, NULL);
2798         range_tree_destroy(msp->ms_unflushed_allocs);
2799         range_tree_destroy(msp->ms_checkpointing);
2800         range_tree_vacate(msp->ms_unflushed_frees, NULL, NULL);
2801         range_tree_destroy(msp->ms_unflushed_frees);
2802
2803         for (int t = 0; t < TXG_SIZE; t++) {
2804                 range_tree_destroy(msp->ms_allocating[t]);
2805         }
2806         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
2807                 range_tree_destroy(msp->ms_defer[t]);
2808         }
2809         ASSERT0(msp->ms_deferspace);
2810
2811         for (int t = 0; t < TXG_SIZE; t++)
2812                 ASSERT(!txg_list_member(&vd->vdev_ms_list, msp, t));
2813
2814         range_tree_vacate(msp->ms_trim, NULL, NULL);
2815         range_tree_destroy(msp->ms_trim);
2816
2817         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2818         cv_destroy(&msp->ms_load_cv);
2819         cv_destroy(&msp->ms_flush_cv);
2820         mutex_destroy(&msp->ms_lock);
2821         mutex_destroy(&msp->ms_sync_lock);
2822         ASSERT3U(msp->ms_allocator, ==, -1);
2823
2824         kmem_free(msp, sizeof (metaslab_t));
2825 }
2826
2827 #define FRAGMENTATION_TABLE_SIZE        17
2828
2829 /*
2830  * This table defines a segment size based fragmentation metric that will
2831  * allow each metaslab to derive its own fragmentation value. This is done
2832  * by calculating the space in each bucket of the spacemap histogram and
2833  * multiplying that by the fragmentation metric in this table. Doing
2834  * this for all buckets and dividing it by the total amount of free
2835  * space in this metaslab (i.e. the total free space in all buckets) gives
2836  * us the fragmentation metric. This means that a high fragmentation metric
2837  * equates to most of the free space being comprised of small segments.
2838  * Conversely, if the metric is low, then most of the free space is in
2839  * large segments. A 10% change in fragmentation equates to approximately
2840  * double the number of segments.
2841  *
2842  * This table defines 0% fragmented space using 16MB segments. Testing has
2843  * shown that segments that are greater than or equal to 16MB do not suffer
2844  * from drastic performance problems. Using this value, we derive the rest
2845  * of the table. Since the fragmentation value is never stored on disk, it
2846  * is possible to change these calculations in the future.
2847  */
2848 int zfs_frag_table[FRAGMENTATION_TABLE_SIZE] = {
2849         100,    /* 512B */
2850         100,    /* 1K   */
2851         98,     /* 2K   */
2852         95,     /* 4K   */
2853         90,     /* 8K   */
2854         80,     /* 16K  */
2855         70,     /* 32K  */
2856         60,     /* 64K  */
2857         50,     /* 128K */
2858         40,     /* 256K */
2859         30,     /* 512K */
2860         20,     /* 1M   */
2861         15,     /* 2M   */
2862         10,     /* 4M   */
2863         5,      /* 8M   */
2864         0       /* 16M  */
2865 };
2866
2867 /*
2868  * Calculate the metaslab's fragmentation metric and set ms_fragmentation.
2869  * Setting this value to ZFS_FRAG_INVALID means that the metaslab has not
2870  * been upgraded and does not support this metric. Otherwise, the return
2871  * value should be in the range [0, 100].
2872  */
2873 static void
2874 metaslab_set_fragmentation(metaslab_t *msp, boolean_t nodirty)
2875 {
2876         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
2877         uint64_t fragmentation = 0;
2878         uint64_t total = 0;
2879         boolean_t feature_enabled = spa_feature_is_enabled(spa,
2880             SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM);
2881
2882         if (!feature_enabled) {
2883                 msp->ms_fragmentation = ZFS_FRAG_INVALID;
2884                 return;
2885         }
2886
2887         /*
2888          * A null space map means that the entire metaslab is free
2889          * and thus is not fragmented.
2890          */
2891         if (msp->ms_sm == NULL) {
2892                 msp->ms_fragmentation = 0;
2893                 return;
2894         }
2895
2896         /*
2897          * If this metaslab's space map has not been upgraded, flag it
2898          * so that we upgrade next time we encounter it.
2899          */
2900         if (msp->ms_sm->sm_dbuf->db_size != sizeof (space_map_phys_t)) {
2901                 uint64_t txg = spa_syncing_txg(spa);
2902                 vdev_t *vd = msp->ms_group->mg_vd;
2903
2904                 /*
2905                  * If we've reached the final dirty txg, then we must
2906                  * be shutting down the pool. We don't want to dirty
2907                  * any data past this point so skip setting the condense
2908                  * flag. We can retry this action the next time the pool
2909                  * is imported. We also skip marking this metaslab for
2910                  * condensing if the caller has explicitly set nodirty.
2911                  */
2912                 if (!nodirty &&
2913                     spa_writeable(spa) && txg < spa_final_dirty_txg(spa)) {
2914                         msp->ms_condense_wanted = B_TRUE;
2915                         vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg + 1);
2916                         zfs_dbgmsg("txg %llu, requesting force condense: "
2917                             "ms_id %llu, vdev_id %llu", txg, msp->ms_id,
2918                             vd->vdev_id);
2919                 }
2920                 msp->ms_fragmentation = ZFS_FRAG_INVALID;
2921                 return;
2922         }
2923
2924         for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
2925                 uint64_t space = 0;
2926                 uint8_t shift = msp->ms_sm->sm_shift;
2927
2928                 int idx = MIN(shift - SPA_MINBLOCKSHIFT + i,
2929                     FRAGMENTATION_TABLE_SIZE - 1);
2930
2931                 if (msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i] == 0)
2932                         continue;
2933
2934                 space = msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i] << (i + shift);
2935                 total += space;
2936
2937                 ASSERT3U(idx, <, FRAGMENTATION_TABLE_SIZE);
2938                 fragmentation += space * zfs_frag_table[idx];
2939         }
2940
2941         if (total > 0)
2942                 fragmentation /= total;
2943         ASSERT3U(fragmentation, <=, 100);
2944
2945         msp->ms_fragmentation = fragmentation;
2946 }
2947
2948 /*
2949  * Compute a weight -- a selection preference value -- for the given metaslab.
2950  * This is based on the amount of free space, the level of fragmentation,
2951  * the LBA range, and whether the metaslab is loaded.
2952  */
2953 static uint64_t
2954 metaslab_space_weight(metaslab_t *msp)
2955 {
2956         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
2957         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
2958         uint64_t weight, space;
2959
2960         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2961
2962         /*
2963          * The baseline weight is the metaslab's free space.
2964          */
2965         space = msp->ms_size - metaslab_allocated_space(msp);
2966
2967         if (metaslab_fragmentation_factor_enabled &&
2968             msp->ms_fragmentation != ZFS_FRAG_INVALID) {
2969                 /*
2970                  * Use the fragmentation information to inversely scale
2971                  * down the baseline weight. We need to ensure that we
2972                  * don't exclude this metaslab completely when it's 100%
2973                  * fragmented. To avoid this we reduce the fragmented value
2974                  * by 1.
2975                  */
2976                 space = (space * (100 - (msp->ms_fragmentation - 1))) / 100;
2977
2978                 /*
2979                  * If space < SPA_MINBLOCKSIZE, then we will not allocate from
2980                  * this metaslab again. The fragmentation metric may have
2981                  * decreased the space to something smaller than
2982                  * SPA_MINBLOCKSIZE, so reset the space to SPA_MINBLOCKSIZE
2983                  * so that we can consume any remaining space.
2984                  */
2985                 if (space > 0 && space < SPA_MINBLOCKSIZE)
2986                         space = SPA_MINBLOCKSIZE;
2987         }
2988         weight = space;
2989
2990         /*
2991          * Modern disks have uniform bit density and constant angular velocity.
2992          * Therefore, the outer recording zones are faster (higher bandwidth)
2993          * than the inner zones by the ratio of outer to inner track diameter,
2994          * which is typically around 2:1.  We account for this by assigning
2995          * higher weight to lower metaslabs (multiplier ranging from 2x to 1x).
2996          * In effect, this means that we'll select the metaslab with the most
2997          * free bandwidth rather than simply the one with the most free space.
2998          */
2999         if (!vd->vdev_nonrot && metaslab_lba_weighting_enabled) {
3000                 weight = 2 * weight - (msp->ms_id * weight) / vd->vdev_ms_count;
3001                 ASSERT(weight >= space && weight <= 2 * space);
3002         }
3003
3004         /*
3005          * If this metaslab is one we're actively using, adjust its
3006          * weight to make it preferable to any inactive metaslab so
3007          * we'll polish it off. If the fragmentation on this metaslab
3008          * has exceed our threshold, then don't mark it active.
3009          */
3010         if (msp->ms_loaded && msp->ms_fragmentation != ZFS_FRAG_INVALID &&
3011             msp->ms_fragmentation <= zfs_metaslab_fragmentation_threshold) {
3012                 weight |= (msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
3013         }
3014
3015         WEIGHT_SET_SPACEBASED(weight);
3016         return (weight);
3017 }
3018
3019 /*
3020  * Return the weight of the specified metaslab, according to the segment-based
3021  * weighting algorithm. The metaslab must be loaded. This function can
3022  * be called within a sync pass since it relies only on the metaslab's
3023  * range tree which is always accurate when the metaslab is loaded.
3024  */
3025 static uint64_t
3026 metaslab_weight_from_range_tree(metaslab_t *msp)
3027 {
3028         uint64_t weight = 0;
3029         uint32_t segments = 0;
3030
3031         ASSERT(msp->ms_loaded);
3032
3033         for (int i = RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE - 1; i >= SPA_MINBLOCKSHIFT;
3034             i--) {
3035                 uint8_t shift = msp->ms_group->mg_vd->vdev_ashift;
3036                 int max_idx = SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE + shift - 1;
3037
3038                 segments <<= 1;
3039                 segments += msp->ms_allocatable->rt_histogram[i];
3040
3041                 /*
3042                  * The range tree provides more precision than the space map
3043                  * and must be downgraded so that all values fit within the
3044                  * space map's histogram. This allows us to compare loaded
3045                  * vs. unloaded metaslabs to determine which metaslab is
3046                  * considered "best".
3047                  */
3048                 if (i > max_idx)
3049                         continue;
3050
3051                 if (segments != 0) {
3052                         WEIGHT_SET_COUNT(weight, segments);
3053                         WEIGHT_SET_INDEX(weight, i);
3054                         WEIGHT_SET_ACTIVE(weight, 0);
3055                         break;
3056                 }
3057         }
3058         return (weight);
3059 }
3060
3061 /*
3062  * Calculate the weight based on the on-disk histogram. Should be applied
3063  * only to unloaded metaslabs  (i.e no incoming allocations) in-order to
3064  * give results consistent with the on-disk state
3065  */
3066 static uint64_t
3067 metaslab_weight_from_spacemap(metaslab_t *msp)
3068 {
3069         space_map_t *sm = msp->ms_sm;
3070         ASSERT(!msp->ms_loaded);
3071         ASSERT(sm != NULL);
3072         ASSERT3U(space_map_object(sm), !=, 0);
3073         ASSERT3U(sm->sm_dbuf->db_size, ==, sizeof (space_map_phys_t));
3074
3075         /*
3076          * Create a joint histogram from all the segments that have made
3077          * it to the metaslab's space map histogram, that are not yet
3078          * available for allocation because they are still in the freeing
3079          * pipeline (e.g. freeing, freed, and defer trees). Then subtract
3080          * these segments from the space map's histogram to get a more
3081          * accurate weight.
3082          */
3083         uint64_t deferspace_histogram[SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE] = {0};
3084         for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++)
3085                 deferspace_histogram[i] += msp->ms_synchist[i];
3086         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
3087                 for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
3088                         deferspace_histogram[i] += msp->ms_deferhist[t][i];
3089                 }
3090         }
3091
3092         uint64_t weight = 0;
3093         for (int i = SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE - 1; i >= 0; i--) {
3094                 ASSERT3U(sm->sm_phys->smp_histogram[i], >=,
3095                     deferspace_histogram[i]);
3096                 uint64_t count =
3097                     sm->sm_phys->smp_histogram[i] - deferspace_histogram[i];
3098                 if (count != 0) {
3099                         WEIGHT_SET_COUNT(weight, count);
3100                         WEIGHT_SET_INDEX(weight, i + sm->sm_shift);
3101                         WEIGHT_SET_ACTIVE(weight, 0);
3102                         break;
3103                 }
3104         }
3105         return (weight);
3106 }
3107
3108 /*
3109  * Compute a segment-based weight for the specified metaslab. The weight
3110  * is determined by highest bucket in the histogram. The information
3111  * for the highest bucket is encoded into the weight value.
3112  */
3113 static uint64_t
3114 metaslab_segment_weight(metaslab_t *msp)
3115 {
3116         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
3117         uint64_t weight = 0;
3118         uint8_t shift = mg->mg_vd->vdev_ashift;
3119
3120         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3121
3122         /*
3123          * The metaslab is completely free.
3124          */
3125         if (metaslab_allocated_space(msp) == 0) {
3126                 int idx = highbit64(msp->ms_size) - 1;
3127                 int max_idx = SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE + shift - 1;
3128
3129                 if (idx < max_idx) {
3130                         WEIGHT_SET_COUNT(weight, 1ULL);
3131                         WEIGHT_SET_INDEX(weight, idx);
3132                 } else {
3133                         WEIGHT_SET_COUNT(weight, 1ULL << (idx - max_idx));
3134                         WEIGHT_SET_INDEX(weight, max_idx);
3135                 }
3136                 WEIGHT_SET_ACTIVE(weight, 0);
3137                 ASSERT(!WEIGHT_IS_SPACEBASED(weight));
3138                 return (weight);
3139         }
3140
3141         ASSERT3U(msp->ms_sm->sm_dbuf->db_size, ==, sizeof (space_map_phys_t));
3142
3143         /*
3144          * If the metaslab is fully allocated then just make the weight 0.
3145          */
3146         if (metaslab_allocated_space(msp) == msp->ms_size)
3147                 return (0);
3148         /*
3149          * If the metaslab is already loaded, then use the range tree to
3150          * determine the weight. Otherwise, we rely on the space map information
3151          * to generate the weight.
3152          */
3153         if (msp->ms_loaded) {
3154                 weight = metaslab_weight_from_range_tree(msp);
3155         } else {
3156                 weight = metaslab_weight_from_spacemap(msp);
3157         }
3158
3159         /*
3160          * If the metaslab was active the last time we calculated its weight
3161          * then keep it active. We want to consume the entire region that
3162          * is associated with this weight.
3163          */
3164         if (msp->ms_activation_weight != 0 && weight != 0)
3165                 WEIGHT_SET_ACTIVE(weight, WEIGHT_GET_ACTIVE(msp->ms_weight));
3166         return (weight);
3167 }
3168
3169 /*
3170  * Determine if we should attempt to allocate from this metaslab. If the
3171  * metaslab is loaded, then we can determine if the desired allocation
3172  * can be satisfied by looking at the size of the maximum free segment
3173  * on that metaslab. Otherwise, we make our decision based on the metaslab's
3174  * weight. For segment-based weighting we can determine the maximum
3175  * allocation based on the index encoded in its value. For space-based
3176  * weights we rely on the entire weight (excluding the weight-type bit).
3177  */
3178 static boolean_t
3179 metaslab_should_allocate(metaslab_t *msp, uint64_t asize, boolean_t try_hard)
3180 {
3181         /*
3182          * If the metaslab is loaded, ms_max_size is definitive and we can use
3183          * the fast check. If it's not, the ms_max_size is a lower bound (once
3184          * set), and we should use the fast check as long as we're not in
3185          * try_hard and it's been less than zfs_metaslab_max_size_cache_sec
3186          * seconds since the metaslab was unloaded.
3187          */
3188         if (msp->ms_loaded ||
3189             (msp->ms_max_size != 0 && !try_hard && gethrtime() <
3190             msp->ms_unload_time + SEC2NSEC(zfs_metaslab_max_size_cache_sec)))
3191                 return (msp->ms_max_size >= asize);
3192
3193         boolean_t should_allocate;
3194         if (!WEIGHT_IS_SPACEBASED(msp->ms_weight)) {
3195                 /*
3196                  * The metaslab segment weight indicates segments in the
3197                  * range [2^i, 2^(i+1)), where i is the index in the weight.
3198                  * Since the asize might be in the middle of the range, we
3199                  * should attempt the allocation if asize < 2^(i+1).
3200                  */
3201                 should_allocate = (asize <
3202                     1ULL << (WEIGHT_GET_INDEX(msp->ms_weight) + 1));
3203         } else {
3204                 should_allocate = (asize <=
3205                     (msp->ms_weight & ~METASLAB_WEIGHT_TYPE));
3206         }
3207
3208         return (should_allocate);
3209 }
3210
3211 static uint64_t
3212 metaslab_weight(metaslab_t *msp, boolean_t nodirty)
3213 {
3214         vdev_t *vd = msp->ms_group->mg_vd;
3215         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
3216         uint64_t weight;
3217
3218         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3219
3220         metaslab_set_fragmentation(msp, nodirty);
3221
3222         /*
3223          * Update the maximum size. If the metaslab is loaded, this will
3224          * ensure that we get an accurate maximum size if newly freed space
3225          * has been added back into the free tree. If the metaslab is
3226          * unloaded, we check if there's a larger free segment in the
3227          * unflushed frees. This is a lower bound on the largest allocatable
3228          * segment size. Coalescing of adjacent entries may reveal larger
3229          * allocatable segments, but we aren't aware of those until loading
3230          * the space map into a range tree.
3231          */
3232         if (msp->ms_loaded) {
3233                 msp->ms_max_size = metaslab_largest_allocatable(msp);
3234         } else {
3235                 msp->ms_max_size = MAX(msp->ms_max_size,
3236                     metaslab_largest_unflushed_free(msp));
3237         }
3238
3239         /*
3240          * Segment-based weighting requires space map histogram support.
3241          */
3242         if (zfs_metaslab_segment_weight_enabled &&
3243             spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM) &&
3244             (msp->ms_sm == NULL || msp->ms_sm->sm_dbuf->db_size ==
3245             sizeof (space_map_phys_t))) {
3246                 weight = metaslab_segment_weight(msp);
3247         } else {
3248                 weight = metaslab_space_weight(msp);
3249         }
3250         return (weight);
3251 }
3252
3253 void
3254 metaslab_recalculate_weight_and_sort(metaslab_t *msp)
3255 {
3256         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3257
3258         /* note: we preserve the mask (e.g. indication of primary, etc..) */
3259         uint64_t was_active = msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK;
3260         metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp,
3261             metaslab_weight(msp, B_FALSE) | was_active);
3262 }
3263
3264 static int
3265 metaslab_activate_allocator(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp,
3266     int allocator, uint64_t activation_weight)
3267 {
3268         metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[allocator];
3269         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3270
3271         /*
3272          * If we're activating for the claim code, we don't want to actually
3273          * set the metaslab up for a specific allocator.
3274          */
3275         if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_CLAIM) {
3276                 ASSERT0(msp->ms_activation_weight);
3277                 msp->ms_activation_weight = msp->ms_weight;
3278                 metaslab_group_sort(mg, msp, msp->ms_weight |
3279                     activation_weight);
3280                 return (0);
3281         }
3282
3283         metaslab_t **mspp = (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY ?
3284             &mga->mga_primary : &mga->mga_secondary);
3285
3286         mutex_enter(&mg->mg_lock);
3287         if (*mspp != NULL) {
3288                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
3289                 return (EEXIST);
3290         }
3291
3292         *mspp = msp;
3293         ASSERT3S(msp->ms_allocator, ==, -1);
3294         msp->ms_allocator = allocator;
3295         msp->ms_primary = (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY);
3296
3297         ASSERT0(msp->ms_activation_weight);
3298         msp->ms_activation_weight = msp->ms_weight;
3299         metaslab_group_sort_impl(mg, msp,
3300             msp->ms_weight | activation_weight);
3301         mutex_exit(&mg->mg_lock);
3302
3303         return (0);
3304 }
3305
3306 static int
3307 metaslab_activate(metaslab_t *msp, int allocator, uint64_t activation_weight)
3308 {
3309         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3310
3311         /*
3312          * The current metaslab is already activated for us so there
3313          * is nothing to do. Already activated though, doesn't mean
3314          * that this metaslab is activated for our allocator nor our
3315          * requested activation weight. The metaslab could have started
3316          * as an active one for our allocator but changed allocators
3317          * while we were waiting to grab its ms_lock or we stole it
3318          * [see find_valid_metaslab()]. This means that there is a
3319          * possibility of passivating a metaslab of another allocator
3320          * or from a different activation mask, from this thread.
3321          */
3322         if ((msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) != 0) {
3323                 ASSERT(msp->ms_loaded);
3324                 return (0);
3325         }
3326
3327         int error = metaslab_load(msp);
3328         if (error != 0) {
3329                 metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp, 0);
3330                 return (error);
3331         }
3332
3333         /*
3334          * When entering metaslab_load() we may have dropped the
3335          * ms_lock because we were loading this metaslab, or we
3336          * were waiting for another thread to load it for us. In
3337          * that scenario, we recheck the weight of the metaslab
3338          * to see if it was activated by another thread.
3339          *
3340          * If the metaslab was activated for another allocator or
3341          * it was activated with a different activation weight (e.g.
3342          * we wanted to make it a primary but it was activated as
3343          * secondary) we return error (EBUSY).
3344          *
3345          * If the metaslab was activated for the same allocator
3346          * and requested activation mask, skip activating it.
3347          */
3348         if ((msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) != 0) {
3349                 if (msp->ms_allocator != allocator)
3350                         return (EBUSY);
3351
3352                 if ((msp->ms_weight & activation_weight) == 0)
3353                         return (SET_ERROR(EBUSY));
3354
3355                 EQUIV((activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY),
3356                     msp->ms_primary);
3357                 return (0);
3358         }
3359
3360         /*
3361          * If the metaslab has literally 0 space, it will have weight 0. In
3362          * that case, don't bother activating it. This can happen if the
3363          * metaslab had space during find_valid_metaslab, but another thread
3364          * loaded it and used all that space while we were waiting to grab the
3365          * lock.
3366          */
3367         if (msp->ms_weight == 0) {
3368                 ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_allocatable));
3369                 return (SET_ERROR(ENOSPC));
3370         }
3371
3372         if ((error = metaslab_activate_allocator(msp->ms_group, msp,
3373             allocator, activation_weight)) != 0) {
3374                 return (error);
3375         }
3376
3377         ASSERT(msp->ms_loaded);
3378         ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
3379
3380         return (0);
3381 }
3382
3383 static void
3384 metaslab_passivate_allocator(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp,
3385     uint64_t weight)
3386 {
3387         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3388         ASSERT(msp->ms_loaded);
3389
3390         if (msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_CLAIM) {
3391                 metaslab_group_sort(mg, msp, weight);
3392                 return;
3393         }
3394
3395         mutex_enter(&mg->mg_lock);
3396         ASSERT3P(msp->ms_group, ==, mg);
3397         ASSERT3S(0, <=, msp->ms_allocator);
3398         ASSERT3U(msp->ms_allocator, <, mg->mg_allocators);
3399
3400         metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[msp->ms_allocator];
3401         if (msp->ms_primary) {
3402                 ASSERT3P(mga->mga_primary, ==, msp);
3403                 ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_PRIMARY);
3404                 mga->mga_primary = NULL;
3405         } else {
3406                 ASSERT3P(mga->mga_secondary, ==, msp);
3407                 ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_SECONDARY);
3408                 mga->mga_secondary = NULL;
3409         }
3410         msp->ms_allocator = -1;
3411         metaslab_group_sort_impl(mg, msp, weight);
3412         mutex_exit(&mg->mg_lock);
3413 }
3414
3415 static void
3416 metaslab_passivate(metaslab_t *msp, uint64_t weight)
3417 {
3418         uint64_t size __maybe_unused = weight & ~METASLAB_WEIGHT_TYPE;
3419
3420         /*
3421          * If size < SPA_MINBLOCKSIZE, then we will not allocate from
3422          * this metaslab again.  In that case, it had better be empty,
3423          * or we would be leaving space on the table.
3424          */
3425         ASSERT(!WEIGHT_IS_SPACEBASED(msp->ms_weight) ||
3426             size >= SPA_MINBLOCKSIZE ||
3427             range_tree_space(msp->ms_allocatable) == 0);
3428         ASSERT0(weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
3429
3430         ASSERT(msp->ms_activation_weight != 0);
3431         msp->ms_activation_weight = 0;
3432         metaslab_passivate_allocator(msp->ms_group, msp, weight);
3433         ASSERT0(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
3434 }
3435
3436 /*
3437  * Segment-based metaslabs are activated once and remain active until
3438  * we either fail an allocation attempt (similar to space-based metaslabs)
3439  * or have exhausted the free space in zfs_metaslab_switch_threshold
3440  * buckets since the metaslab was activated. This function checks to see
3441  * if we've exhausted the zfs_metaslab_switch_threshold buckets in the
3442  * metaslab and passivates it proactively. This will allow us to select a
3443  * metaslab with a larger contiguous region, if any, remaining within this
3444  * metaslab group. If we're in sync pass > 1, then we continue using this
3445  * metaslab so that we don't dirty more block and cause more sync passes.
3446  */
3447 static void
3448 metaslab_segment_may_passivate(metaslab_t *msp)
3449 {
3450         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
3451
3452         if (WEIGHT_IS_SPACEBASED(msp->ms_weight) || spa_sync_pass(spa) > 1)
3453                 return;
3454
3455         /*
3456          * Since we are in the middle of a sync pass, the most accurate
3457          * information that is accessible to us is the in-core range tree
3458          * histogram; calculate the new weight based on that information.
3459          */
3460         uint64_t weight = metaslab_weight_from_range_tree(msp);
3461         int activation_idx = WEIGHT_GET_INDEX(msp->ms_activation_weight);
3462         int current_idx = WEIGHT_GET_INDEX(weight);
3463
3464         if (current_idx <= activation_idx - zfs_metaslab_switch_threshold)
3465                 metaslab_passivate(msp, weight);
3466 }
3467
3468 static void
3469 metaslab_preload(void *arg)
3470 {
3471         metaslab_t *msp = arg;
3472         metaslab_class_t *mc = msp->ms_group->mg_class;
3473         spa_t *spa = mc->mc_spa;
3474         fstrans_cookie_t cookie = spl_fstrans_mark();
3475
3476         ASSERT(!MUTEX_HELD(&msp->ms_group->mg_lock));
3477
3478         mutex_enter(&msp->ms_lock);
3479         (void) metaslab_load(msp);
3480         metaslab_set_selected_txg(msp, spa_syncing_txg(spa));
3481         mutex_exit(&msp->ms_lock);
3482         spl_fstrans_unmark(cookie);
3483 }
3484
3485 static void
3486 metaslab_group_preload(metaslab_group_t *mg)
3487 {
3488         spa_t *spa = mg->mg_vd->vdev_spa;
3489         metaslab_t *msp;
3490         avl_tree_t *t = &mg->mg_metaslab_tree;
3491         int m = 0;
3492
3493         if (spa_shutting_down(spa) || !metaslab_preload_enabled) {
3494                 taskq_wait_outstanding(mg->mg_taskq, 0);
3495                 return;
3496         }
3497
3498         mutex_enter(&mg->mg_lock);
3499
3500         /*
3501          * Load the next potential metaslabs
3502          */
3503         for (msp = avl_first(t); msp != NULL; msp = AVL_NEXT(t, msp)) {
3504                 ASSERT3P(msp->ms_group, ==, mg);
3505
3506                 /*
3507                  * We preload only the maximum number of metaslabs specified
3508                  * by metaslab_preload_limit. If a metaslab is being forced
3509                  * to condense then we preload it too. This will ensure
3510                  * that force condensing happens in the next txg.
3511                  */
3512                 if (++m > metaslab_preload_limit && !msp->ms_condense_wanted) {
3513                         continue;
3514                 }
3515
3516                 VERIFY(taskq_dispatch(mg->mg_taskq, metaslab_preload,
3517                     msp, TQ_SLEEP) != TASKQID_INVALID);
3518         }
3519         mutex_exit(&mg->mg_lock);
3520 }
3521
3522 /*
3523  * Determine if the space map's on-disk footprint is past our tolerance for
3524  * inefficiency. We would like to use the following criteria to make our
3525  * decision:
3526  *
3527  * 1. Do not condense if the size of the space map object would dramatically
3528  *    increase as a result of writing out the free space range tree.
3529  *
3530  * 2. Condense if the on on-disk space map representation is at least
3531  *    zfs_condense_pct/100 times the size of the optimal representation
3532  *    (i.e. zfs_condense_pct = 110 and in-core = 1MB, optimal = 1.1MB).
3533  *
3534  * 3. Do not condense if the on-disk size of the space map does not actually
3535  *    decrease.
3536  *
3537  * Unfortunately, we cannot compute the on-disk size of the space map in this
3538  * context because we cannot accurately compute the effects of compression, etc.
3539  * Instead, we apply the heuristic described in the block comment for
3540  * zfs_metaslab_condense_block_threshold - we only condense if the space used
3541  * is greater than a threshold number of blocks.
3542  */
3543 static boolean_t
3544 metaslab_should_condense(metaslab_t *msp)
3545 {
3546         space_map_t *sm = msp->ms_sm;
3547         vdev_t *vd = msp->ms_group->mg_vd;
3548         uint64_t vdev_blocksize = 1 << vd->vdev_ashift;
3549
3550         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3551         ASSERT(msp->ms_loaded);
3552         ASSERT(sm != NULL);
3553         ASSERT3U(spa_sync_pass(vd->vdev_spa), ==, 1);
3554
3555         /*
3556          * We always condense metaslabs that are empty and metaslabs for
3557          * which a condense request has been made.
3558          */
3559         if (range_tree_numsegs(msp->ms_allocatable) == 0 ||
3560             msp->ms_condense_wanted)
3561                 return (B_TRUE);
3562
3563         uint64_t record_size = MAX(sm->sm_blksz, vdev_blocksize);
3564         uint64_t object_size = space_map_length(sm);
3565         uint64_t optimal_size = space_map_estimate_optimal_size(sm,
3566             msp->ms_allocatable, SM_NO_VDEVID);
3567
3568         return (object_size >= (optimal_size * zfs_condense_pct / 100) &&
3569             object_size > zfs_metaslab_condense_block_threshold * record_size);
3570 }
3571
3572 /*
3573  * Condense the on-disk space map representation to its minimized form.
3574  * The minimized form consists of a small number of allocations followed
3575  * by the entries of the free range tree (ms_allocatable). The condensed
3576  * spacemap contains all the entries of previous TXGs (including those in
3577  * the pool-wide log spacemaps; thus this is effectively a superset of
3578  * metaslab_flush()), but this TXG's entries still need to be written.
3579  */
3580 static void
3581 metaslab_condense(metaslab_t *msp, dmu_tx_t *tx)
3582 {
3583         range_tree_t *condense_tree;
3584         space_map_t *sm = msp->ms_sm;
3585         uint64_t txg = dmu_tx_get_txg(tx);
3586         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
3587
3588         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3589         ASSERT(msp->ms_loaded);
3590         ASSERT(msp->ms_sm != NULL);
3591
3592         /*
3593          * In order to condense the space map, we need to change it so it
3594          * only describes which segments are currently allocated and free.
3595          *
3596          * All the current free space resides in the ms_allocatable, all
3597          * the ms_defer trees, and all the ms_allocating trees. We ignore
3598          * ms_freed because it is empty because we're in sync pass 1. We
3599          * ignore ms_freeing because these changes are not yet reflected
3600          * in the spacemap (they will be written later this txg).
3601          *
3602          * So to truncate the space map to represent all the entries of
3603          * previous TXGs we do the following:
3604          *
3605          * 1] We create a range tree (condense tree) that is 100% empty.
3606          * 2] We add to it all segments found in the ms_defer trees
3607          *    as those segments are marked as free in the original space
3608          *    map. We do the same with the ms_allocating trees for the same
3609          *    reason. Adding these segments should be a relatively
3610          *    inexpensive operation since we expect these trees to have a
3611          *    small number of nodes.
3612          * 3] We vacate any unflushed allocs, since they are not frees we
3613          *    need to add to the condense tree. Then we vacate any
3614          *    unflushed frees as they should already be part of ms_allocatable.
3615          * 4] At this point, we would ideally like to add all segments
3616          *    in the ms_allocatable tree from the condense tree. This way
3617          *    we would write all the entries of the condense tree as the
3618          *    condensed space map, which would only contain freed
3619          *    segments with everything else assumed to be allocated.
3620          *
3621          *    Doing so can be prohibitively expensive as ms_allocatable can
3622          *    be large, and therefore computationally expensive to add to
3623          *    the condense_tree. Instead we first sync out an entry marking
3624          *    everything as allocated, then the condense_tree and then the
3625          *    ms_allocatable, in the condensed space map. While this is not
3626          *    optimal, it is typically close to optimal and more importantly
3627          *    much cheaper to compute.
3628          *
3629          * 5] Finally, as both of the unflushed trees were written to our
3630          *    new and condensed metaslab space map, we basically flushed
3631          *    all the unflushed changes to disk, thus we call
3632          *    metaslab_flush_update().
3633          */
3634         ASSERT3U(spa_sync_pass(spa), ==, 1);
3635         ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_freed)); /* since it is pass 1 */
3636
3637         zfs_dbgmsg("condensing: txg %llu, msp[%llu] %px, vdev id %llu, "
3638             "spa %s, smp size %llu, segments %lu, forcing condense=%s", txg,
3639             msp->ms_id, msp, msp->ms_group->mg_vd->vdev_id,
3640             spa->spa_name, space_map_length(msp->ms_sm),
3641             range_tree_numsegs(msp->ms_allocatable),
3642             msp->ms_condense_wanted ? "TRUE" : "FALSE");
3643
3644         msp->ms_condense_wanted = B_FALSE;
3645
3646         range_seg_type_t type;
3647         uint64_t shift, start;
3648         type = metaslab_calculate_range_tree_type(msp->ms_group->mg_vd, msp,
3649             &start, &shift);
3650
3651         condense_tree = range_tree_create(NULL, type, NULL, start, shift);
3652
3653         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
3654                 range_tree_walk(msp->ms_defer[t],
3655                     range_tree_add, condense_tree);
3656         }
3657
3658         for (int t = 0; t < TXG_CONCURRENT_STATES; t++) {
3659                 range_tree_walk(msp->ms_allocating[(txg + t) & TXG_MASK],
3660                     range_tree_add, condense_tree);
3661         }
3662
3663         ASSERT3U(spa->spa_unflushed_stats.sus_memused, >=,
3664             metaslab_unflushed_changes_memused(msp));
3665         spa->spa_unflushed_stats.sus_memused -=
3666             metaslab_unflushed_changes_memused(msp);
3667         range_tree_vacate(msp->ms_unflushed_allocs, NULL, NULL);
3668         range_tree_vacate(msp->ms_unflushed_frees, NULL, NULL);
3669
3670         /*
3671          * We're about to drop the metaslab's lock thus allowing other
3672          * consumers to change it's content. Set the metaslab's ms_condensing
3673          * flag to ensure that allocations on this metaslab do not occur
3674          * while we're in the middle of committing it to disk. This is only
3675          * critical for ms_allocatable as all other range trees use per TXG
3676          * views of their content.
3677          */
3678         msp->ms_condensing = B_TRUE;
3679
3680         mutex_exit(&msp->ms_lock);
3681         uint64_t object = space_map_object(msp->ms_sm);
3682         space_map_truncate(sm,
3683             spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP) ?
3684             zfs_metaslab_sm_blksz_with_log : zfs_metaslab_sm_blksz_no_log, tx);
3685
3686         /*
3687          * space_map_truncate() may have reallocated the spacemap object.
3688          * If so, update the vdev_ms_array.
3689          */
3690         if (space_map_object(msp->ms_sm) != object) {
3691                 object = space_map_object(msp->ms_sm);
3692                 dmu_write(spa->spa_meta_objset,
3693                     msp->ms_group->mg_vd->vdev_ms_array, sizeof (uint64_t) *
3694                     msp->ms_id, sizeof (uint64_t), &object, tx);
3695         }
3696
3697         /*
3698          * Note:
3699          * When the log space map feature is enabled, each space map will
3700          * always have ALLOCS followed by FREES for each sync pass. This is
3701          * typically true even when the log space map feature is disabled,
3702          * except from the case where a metaslab goes through metaslab_sync()
3703          * and gets condensed. In that case the metaslab's space map will have
3704          * ALLOCS followed by FREES (due to condensing) followed by ALLOCS
3705          * followed by FREES (due to space_map_write() in metaslab_sync()) for
3706          * sync pass 1.
3707          */
3708         range_tree_t *tmp_tree = range_tree_create(NULL, type, NULL, start,
3709             shift);
3710         range_tree_add(tmp_tree, msp->ms_start, msp->ms_size);
3711         space_map_write(sm, tmp_tree, SM_ALLOC, SM_NO_VDEVID, tx);
3712         space_map_write(sm, msp->ms_allocatable, SM_FREE, SM_NO_VDEVID, tx);
3713         space_map_write(sm, condense_tree, SM_FREE, SM_NO_VDEVID, tx);
3714
3715         range_tree_vacate(condense_tree, NULL, NULL);
3716         range_tree_destroy(condense_tree);
3717         range_tree_vacate(tmp_tree, NULL, NULL);
3718         range_tree_destroy(tmp_tree);
3719         mutex_enter(&msp->ms_lock);
3720
3721         msp->ms_condensing = B_FALSE;
3722         metaslab_flush_update(msp, tx);
3723 }
3724
3725 /*
3726  * Called when the metaslab has been flushed (its own spacemap now reflects
3727  * all the contents of the pool-wide spacemap log). Updates the metaslab's
3728  * metadata and any pool-wide related log space map data (e.g. summary,
3729  * obsolete logs, etc..) to reflect that.
3730  */
3731 static void
3732 metaslab_flush_update(metaslab_t *msp, dmu_tx_t *tx)
3733 {
3734         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
3735         spa_t *spa = mg->mg_vd->vdev_spa;
3736
3737         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3738
3739         ASSERT3U(spa_sync_pass(spa), ==, 1);
3740         ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_unflushed_allocs));
3741         ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_unflushed_frees));
3742
3743         /*
3744          * Just because a metaslab got flushed, that doesn't mean that
3745          * it will pass through metaslab_sync_done(). Thus, make sure to
3746          * update ms_synced_length here in case it doesn't.
3747          */
3748         msp->ms_synced_length = space_map_length(msp->ms_sm);
3749
3750         /*
3751          * We may end up here from metaslab_condense() without the
3752          * feature being active. In that case this is a no-op.
3753          */
3754         if (!spa_feature_is_active(spa, SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP))
3755                 return;
3756
3757         ASSERT(spa_syncing_log_sm(spa) != NULL);
3758         ASSERT(msp->ms_sm != NULL);
3759         ASSERT(metaslab_unflushed_txg(msp) != 0);
3760         ASSERT3P(avl_find(&spa->spa_metaslabs_by_flushed, msp, NULL), ==, msp);
3761
3762         VERIFY3U(tx->tx_txg, <=, spa_final_dirty_txg(spa));
3763
3764         /* update metaslab's position in our flushing tree */
3765         uint64_t ms_prev_flushed_txg = metaslab_unflushed_txg(msp);
3766         mutex_enter(&spa->spa_flushed_ms_lock);
3767         avl_remove(&spa->spa_metaslabs_by_flushed, msp);
3768         metaslab_set_unflushed_txg(msp, spa_syncing_txg(spa), tx);
3769         avl_add(&spa->spa_metaslabs_by_flushed, msp);
3770         mutex_exit(&spa->spa_flushed_ms_lock);
3771
3772         /* update metaslab counts of spa_log_sm_t nodes */
3773         spa_log_sm_decrement_mscount(spa, ms_prev_flushed_txg);
3774         spa_log_sm_increment_current_mscount(spa);
3775
3776         /* cleanup obsolete logs if any */
3777         uint64_t log_blocks_before = spa_log_sm_nblocks(spa);
3778         spa_cleanup_old_sm_logs(spa, tx);
3779         uint64_t log_blocks_after = spa_log_sm_nblocks(spa);
3780         VERIFY3U(log_blocks_after, <=, log_blocks_before);
3781
3782         /* update log space map summary */
3783         uint64_t blocks_gone = log_blocks_before - log_blocks_after;
3784         spa_log_summary_add_flushed_metaslab(spa);
3785         spa_log_summary_decrement_mscount(spa, ms_prev_flushed_txg);
3786         spa_log_summary_decrement_blkcount(spa, blocks_gone);
3787 }
3788
3789 boolean_t
3790 metaslab_flush(metaslab_t *msp, dmu_tx_t *tx)
3791 {
3792         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
3793
3794         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3795         ASSERT3U(spa_sync_pass(spa), ==, 1);
3796         ASSERT(spa_feature_is_active(spa, SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP));
3797
3798         ASSERT(msp->ms_sm != NULL);
3799         ASSERT(metaslab_unflushed_txg(msp) != 0);
3800         ASSERT(avl_find(&spa->spa_metaslabs_by_flushed, msp, NULL) != NULL);
3801
3802         /*
3803          * There is nothing wrong with flushing the same metaslab twice, as
3804          * this codepath should work on that case. However, the current
3805          * flushing scheme makes sure to avoid this situation as we would be
3806          * making all these calls without having anything meaningful to write
3807          * to disk. We assert this behavior here.
3808          */
3809         ASSERT3U(metaslab_unflushed_txg(msp), <, dmu_tx_get_txg(tx));
3810
3811         /*
3812          * We can not flush while loading, because then we would
3813          * not load the ms_unflushed_{allocs,frees}.
3814          */
3815         if (msp->ms_loading)
3816                 return (B_FALSE);
3817
3818         metaslab_verify_space(msp, dmu_tx_get_txg(tx));
3819         metaslab_verify_weight_and_frag(msp);
3820
3821         /*
3822          * Metaslab condensing is effectively flushing. Therefore if the
3823          * metaslab can be condensed we can just condense it instead of
3824          * flushing it.
3825          *
3826          * Note that metaslab_condense() does call metaslab_flush_update()
3827          * so we can just return immediately after condensing. We also
3828          * don't need to care about setting ms_flushing or broadcasting
3829          * ms_flush_cv, even if we temporarily drop the ms_lock in
3830          * metaslab_condense(), as the metaslab is already loaded.
3831          */
3832         if (msp->ms_loaded && metaslab_should_condense(msp)) {
3833                 metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
3834
3835                 /*
3836                  * For all histogram operations below refer to the
3837                  * comments of metaslab_sync() where we follow a
3838                  * similar procedure.
3839                  */
3840                 metaslab_group_histogram_verify(mg);
3841                 metaslab_class_histogram_verify(mg->mg_class);
3842                 metaslab_group_histogram_remove(mg, msp);
3843
3844                 metaslab_condense(msp, tx);
3845
3846                 space_map_histogram_clear(msp->ms_sm);
3847                 space_map_histogram_add(msp->ms_sm, msp->ms_allocatable, tx);
3848                 ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_freed));
3849                 for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
3850                         space_map_histogram_add(msp->ms_sm,
3851                             msp->ms_defer[t], tx);
3852                 }
3853                 metaslab_aux_histograms_update(msp);
3854
3855                 metaslab_group_histogram_add(mg, msp);
3856                 metaslab_group_histogram_verify(mg);
3857                 metaslab_class_histogram_verify(mg->mg_class);
3858
3859                 metaslab_verify_space(msp, dmu_tx_get_txg(tx));
3860
3861                 /*
3862                  * Since we recreated the histogram (and potentially
3863                  * the ms_sm too while condensing) ensure that the
3864                  * weight is updated too because we are not guaranteed
3865                  * that this metaslab is dirty and will go through
3866                  * metaslab_sync_done().
3867                  */
3868                 metaslab_recalculate_weight_and_sort(msp);
3869                 return (B_TRUE);
3870         }
3871
3872         msp->ms_flushing = B_TRUE;
3873         uint64_t sm_len_before = space_map_length(msp->ms_sm);
3874
3875         mutex_exit(&msp->ms_lock);
3876         space_map_write(msp->ms_sm, msp->ms_unflushed_allocs, SM_ALLOC,
3877             SM_NO_VDEVID, tx);
3878         space_map_write(msp->ms_sm, msp->ms_unflushed_frees, SM_FREE,
3879             SM_NO_VDEVID, tx);
3880         mutex_enter(&msp->ms_lock);
3881
3882         uint64_t sm_len_after = space_map_length(msp->ms_sm);
3883         if (zfs_flags & ZFS_DEBUG_LOG_SPACEMAP) {
3884                 zfs_dbgmsg("flushing: txg %llu, spa %s, vdev_id %llu, "
3885                     "ms_id %llu, unflushed_allocs %llu, unflushed_frees %llu, "
3886                     "appended %llu bytes", dmu_tx_get_txg(tx), spa_name(spa),
3887                     msp->ms_group->mg_vd->vdev_id, msp->ms_id,
3888                     range_tree_space(msp->ms_unflushed_allocs),
3889                     range_tree_space(msp->ms_unflushed_frees),
3890                     (sm_len_after - sm_len_before));
3891         }
3892
3893         ASSERT3U(spa->spa_unflushed_stats.sus_memused, >=,
3894             metaslab_unflushed_changes_memused(msp));
3895         spa->spa_unflushed_stats.sus_memused -=
3896             metaslab_unflushed_changes_memused(msp);
3897         range_tree_vacate(msp->ms_unflushed_allocs, NULL, NULL);
3898         range_tree_vacate(msp->ms_unflushed_frees, NULL, NULL);
3899
3900         metaslab_verify_space(msp, dmu_tx_get_txg(tx));
3901         metaslab_verify_weight_and_frag(msp);
3902
3903         metaslab_flush_update(msp, tx);
3904
3905         metaslab_verify_space(msp, dmu_tx_get_txg(tx));
3906         metaslab_verify_weight_and_frag(msp);
3907
3908         msp->ms_flushing = B_FALSE;
3909         cv_broadcast(&msp->ms_flush_cv);
3910         return (B_TRUE);
3911 }
3912
3913 /*
3914  * Write a metaslab to disk in the context of the specified transaction group.
3915  */
3916 void
3917 metaslab_sync(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
3918 {
3919         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
3920         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
3921         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
3922         objset_t *mos = spa_meta_objset(spa);
3923         range_tree_t *alloctree = msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK];
3924         dmu_tx_t *tx;
3925
3926         ASSERT(!vd->vdev_ishole);
3927
3928         /*
3929          * This metaslab has just been added so there's no work to do now.
3930          */
3931         if (msp->ms_new) {
3932                 ASSERT0(range_tree_space(alloctree));
3933                 ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freeing));
3934                 ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freed));
3935                 ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_checkpointing));
3936                 ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_trim));
3937                 return;
3938         }
3939
3940         /*
3941          * Normally, we don't want to process a metaslab if there are no
3942          * allocations or frees to perform. However, if the metaslab is being
3943          * forced to condense, it's loaded and we're not beyond the final
3944          * dirty txg, we need to let it through. Not condensing beyond the
3945          * final dirty txg prevents an issue where metaslabs that need to be
3946          * condensed but were loaded for other reasons could cause a panic
3947          * here. By only checking the txg in that branch of the conditional,
3948          * we preserve the utility of the VERIFY statements in all other
3949          * cases.
3950          */
3951         if (range_tree_is_empty(alloctree) &&
3952             range_tree_is_empty(msp->ms_freeing) &&
3953             range_tree_is_empty(msp->ms_checkpointing) &&
3954             !(msp->ms_loaded && msp->ms_condense_wanted &&
3955             txg <= spa_final_dirty_txg(spa)))
3956                 return;
3957
3958
3959         VERIFY3U(txg, <=, spa_final_dirty_txg(spa));
3960
3961         /*
3962          * The only state that can actually be changing concurrently
3963          * with metaslab_sync() is the metaslab's ms_allocatable. No
3964          * other thread can be modifying this txg's alloc, freeing,
3965          * freed, or space_map_phys_t.  We drop ms_lock whenever we
3966          * could call into the DMU, because the DMU can call down to
3967          * us (e.g. via zio_free()) at any time.
3968          *
3969          * The spa_vdev_remove_thread() can be reading metaslab state
3970          * concurrently, and it is locked out by the ms_sync_lock.
3971          * Note that the ms_lock is insufficient for this, because it
3972          * is dropped by space_map_write().
3973          */
3974         tx = dmu_tx_create_assigned(spa_get_dsl(spa), txg);
3975
3976         /*
3977          * Generate a log space map if one doesn't exist already.
3978          */
3979         spa_generate_syncing_log_sm(spa, tx);
3980
3981         if (msp->ms_sm == NULL) {
3982                 uint64_t new_object = space_map_alloc(mos,
3983                     spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP) ?
3984                     zfs_metaslab_sm_blksz_with_log :
3985                     zfs_metaslab_sm_blksz_no_log, tx);
3986                 VERIFY3U(new_object, !=, 0);
3987
3988                 dmu_write(mos, vd->vdev_ms_array, sizeof (uint64_t) *
3989                     msp->ms_id, sizeof (uint64_t), &new_object, tx);
3990
3991                 VERIFY0(space_map_open(&msp->ms_sm, mos, new_object,
3992                     msp->ms_start, msp->ms_size, vd->vdev_ashift));
3993                 ASSERT(msp->ms_sm != NULL);
3994
3995                 ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_unflushed_allocs));
3996                 ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_unflushed_frees));
3997                 ASSERT0(metaslab_allocated_space(msp));
3998         }
3999
4000         if (metaslab_unflushed_txg(msp) == 0 &&
4001             spa_feature_is_active(spa, SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP)) {
4002                 ASSERT(spa_syncing_log_sm(spa) != NULL);
4003
4004                 metaslab_set_unflushed_txg(msp, spa_syncing_txg(spa), tx);
4005                 spa_log_sm_increment_current_mscount(spa);
4006                 spa_log_summary_add_flushed_metaslab(spa);
4007
4008                 ASSERT(msp->ms_sm != NULL);
4009                 mutex_enter(&spa->spa_flushed_ms_lock);
4010                 avl_add(&spa->spa_metaslabs_by_flushed, msp);
4011                 mutex_exit(&spa->spa_flushed_ms_lock);
4012
4013                 ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_unflushed_allocs));
4014                 ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_unflushed_frees));
4015         }
4016
4017         if (!range_tree_is_empty(msp->ms_checkpointing) &&
4018             vd->vdev_checkpoint_sm == NULL) {
4019                 ASSERT(spa_has_checkpoint(spa));
4020
4021                 uint64_t new_object = space_map_alloc(mos,
4022                     zfs_vdev_standard_sm_blksz, tx);
4023                 VERIFY3U(new_object, !=, 0);
4024
4025                 VERIFY0(space_map_open(&vd->vdev_checkpoint_sm,
4026                     mos, new_object, 0, vd->vdev_asize, vd->vdev_ashift));
4027                 ASSERT3P(vd->vdev_checkpoint_sm, !=, NULL);
4028
4029                 /*
4030                  * We save the space map object as an entry in vdev_top_zap
4031                  * so it can be retrieved when the pool is reopened after an
4032                  * export or through zdb.
4033                  */
4034                 VERIFY0(zap_add(vd->vdev_spa->spa_meta_objset,
4035                     vd->vdev_top_zap, VDEV_TOP_ZAP_POOL_CHECKPOINT_SM,
4036                     sizeof (new_object), 1, &new_object, tx));
4037         }
4038
4039         mutex_enter(&msp->ms_sync_lock);
4040         mutex_enter(&msp->ms_lock);
4041
4042         /*
4043          * Note: metaslab_condense() clears the space map's histogram.
4044          * Therefore we must verify and remove this histogram before
4045          * condensing.
4046          */
4047         metaslab_group_histogram_verify(mg);
4048         metaslab_class_histogram_verify(mg->mg_class);
4049         metaslab_group_histogram_remove(mg, msp);
4050
4051         if (spa->spa_sync_pass == 1 && msp->ms_loaded &&
4052             metaslab_should_condense(msp))
4053                 metaslab_condense(msp, tx);
4054
4055         /*
4056          * We'll be going to disk to sync our space accounting, thus we
4057          * drop the ms_lock during that time so allocations coming from
4058          * open-context (ZIL) for future TXGs do not block.
4059          */
4060         mutex_exit(&msp->ms_lock);
4061         space_map_t *log_sm = spa_syncing_log_sm(spa);
4062         if (log_sm != NULL) {
4063                 ASSERT(spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP));
4064
4065                 space_map_write(log_sm, alloctree, SM_ALLOC,
4066                     vd->vdev_id, tx);
4067                 space_map_write(log_sm, msp->ms_freeing, SM_FREE,
4068                     vd->vdev_id, tx);
4069                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
4070
4071                 ASSERT3U(spa->spa_unflushed_stats.sus_memused, >=,
4072                     metaslab_unflushed_changes_memused(msp));
4073                 spa->spa_unflushed_stats.sus_memused -=
4074                     metaslab_unflushed_changes_memused(msp);
4075                 range_tree_remove_xor_add(alloctree,
4076                     msp->ms_unflushed_frees, msp->ms_unflushed_allocs);
4077                 range_tree_remove_xor_add(msp->ms_freeing,
4078                     msp->ms_unflushed_allocs, msp->ms_unflushed_frees);
4079                 spa->spa_unflushed_stats.sus_memused +=
4080                     metaslab_unflushed_changes_memused(msp);
4081         } else {
4082                 ASSERT(!spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP));
4083
4084                 space_map_write(msp->ms_sm, alloctree, SM_ALLOC,
4085                     SM_NO_VDEVID, tx);
4086                 space_map_write(msp->ms_sm, msp->ms_freeing, SM_FREE,
4087                     SM_NO_VDEVID, tx);
4088                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
4089         }
4090
4091         msp->ms_allocated_space += range_tree_space(alloctree);
4092         ASSERT3U(msp->ms_allocated_space, >=,
4093             range_tree_space(msp->ms_freeing));
4094         msp->ms_allocated_space -= range_tree_space(msp->ms_freeing);
4095
4096         if (!range_tree_is_empty(msp->ms_checkpointing)) {
4097                 ASSERT(spa_has_checkpoint(spa));
4098                 ASSERT3P(vd->vdev_checkpoint_sm, !=, NULL);
4099
4100                 /*
4101                  * Since we are doing writes to disk and the ms_checkpointing
4102                  * tree won't be changing during that time, we drop the
4103                  * ms_lock while writing to the checkpoint space map, for the
4104                  * same reason mentioned above.
4105                  */
4106                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
4107                 space_map_write(vd->vdev_checkpoint_sm,
4108                     msp->ms_checkpointing, SM_FREE, SM_NO_VDEVID, tx);
4109                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
4110
4111                 spa->spa_checkpoint_info.sci_dspace +=
4112                     range_tree_space(msp->ms_checkpointing);
4113                 vd->vdev_stat.vs_checkpoint_space +=
4114                     range_tree_space(msp->ms_checkpointing);
4115                 ASSERT3U(vd->vdev_stat.vs_checkpoint_space, ==,
4116                     -space_map_allocated(vd->vdev_checkpoint_sm));
4117
4118                 range_tree_vacate(msp->ms_checkpointing, NULL, NULL);
4119         }
4120
4121         if (msp->ms_loaded) {
4122                 /*
4123                  * When the space map is loaded, we have an accurate
4124                  * histogram in the range tree. This gives us an opportunity
4125                  * to bring the space map's histogram up-to-date so we clear
4126                  * it first before updating it.
4127                  */
4128                 space_map_histogram_clear(msp->ms_sm);
4129                 space_map_histogram_add(msp->ms_sm, msp->ms_allocatable, tx);
4130
4131                 /*
4132                  * Since we've cleared the histogram we need to add back
4133                  * any free space that has already been processed, plus
4134                  * any deferred space. This allows the on-disk histogram
4135                  * to accurately reflect all free space even if some space
4136                  * is not yet available for allocation (i.e. deferred).
4137                  */
4138                 space_map_histogram_add(msp->ms_sm, msp->ms_freed, tx);
4139
4140                 /*
4141                  * Add back any deferred free space that has not been
4142                  * added back into the in-core free tree yet. This will
4143                  * ensure that we don't end up with a space map histogram
4144                  * that is completely empty unless the metaslab is fully
4145                  * allocated.
4146                  */
4147                 for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
4148                         space_map_histogram_add(msp->ms_sm,
4149                             msp->ms_defer[t], tx);
4150                 }
4151         }
4152
4153         /*
4154          * Always add the free space from this sync pass to the space
4155          * map histogram. We want to make sure that the on-disk histogram
4156          * accounts for all free space. If the space map is not loaded,
4157          * then we will lose some accuracy but will correct it the next
4158          * time we load the space map.
4159          */
4160         space_map_histogram_add(msp->ms_sm, msp->ms_freeing, tx);
4161         metaslab_aux_histograms_update(msp);
4162
4163         metaslab_group_histogram_add(mg, msp);
4164         metaslab_group_histogram_verify(mg);
4165         metaslab_class_histogram_verify(mg->mg_class);
4166
4167         /*
4168          * For sync pass 1, we avoid traversing this txg's free range tree
4169          * and instead will just swap the pointers for freeing and freed.
4170          * We can safely do this since the freed_tree is guaranteed to be
4171          * empty on the initial pass.
4172          *
4173          * Keep in mind that even if we are currently using a log spacemap
4174          * we want current frees to end up in the ms_allocatable (but not
4175          * get appended to the ms_sm) so their ranges can be reused as usual.
4176          */
4177         if (spa_sync_pass(spa) == 1) {
4178                 range_tree_swap(&msp->ms_freeing, &msp->ms_freed);
4179                 ASSERT0(msp->ms_allocated_this_txg);
4180         } else {
4181                 range_tree_vacate(msp->ms_freeing,
4182                     range_tree_add, msp->ms_freed);
4183         }
4184         msp->ms_allocated_this_txg += range_tree_space(alloctree);
4185         range_tree_vacate(alloctree, NULL, NULL);
4186
4187         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK]));
4188         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_allocating[TXG_CLEAN(txg)
4189             & TXG_MASK]));
4190         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freeing));
4191         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_checkpointing));
4192
4193         mutex_exit(&msp->ms_lock);
4194
4195         /*
4196          * Verify that the space map object ID has been recorded in the
4197          * vdev_ms_array.
4198          */
4199         uint64_t object;
4200         VERIFY0(dmu_read(mos, vd->vdev_ms_array,
4201             msp->ms_id * sizeof (uint64_t), sizeof (uint64_t), &object, 0));
4202         VERIFY3U(object, ==, space_map_object(msp->ms_sm));
4203
4204         mutex_exit(&msp->ms_sync_lock);
4205         dmu_tx_commit(tx);
4206 }
4207
4208 static void
4209 metaslab_evict(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
4210 {
4211         if (!msp->ms_loaded || msp->ms_disabled != 0)
4212                 return;
4213
4214         for (int t = 1; t < TXG_CONCURRENT_STATES; t++) {
4215                 VERIFY0(range_tree_space(
4216                     msp->ms_allocating[(txg + t) & TXG_MASK]));
4217         }
4218         if (msp->ms_allocator != -1)
4219                 metaslab_passivate(msp, msp->ms_weight & ~METASLAB_ACTIVE_MASK);
4220
4221         if (!metaslab_debug_unload)
4222                 metaslab_unload(msp);
4223 }
4224
4225 /*
4226  * Called after a transaction group has completely synced to mark
4227  * all of the metaslab's free space as usable.
4228  */
4229 void
4230 metaslab_sync_done(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
4231 {
4232         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
4233         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
4234         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
4235         range_tree_t **defer_tree;
4236         int64_t alloc_delta, defer_delta;
4237         boolean_t defer_allowed = B_TRUE;
4238
4239         ASSERT(!vd->vdev_ishole);
4240
4241         mutex_enter(&msp->ms_lock);
4242
4243         if (msp->ms_new) {
4244                 /* this is a new metaslab, add its capacity to the vdev */
4245                 metaslab_space_update(vd, mg->mg_class, 0, 0, msp->ms_size);
4246
4247                 /* there should be no allocations nor frees at this point */
4248                 VERIFY0(msp->ms_allocated_this_txg);
4249                 VERIFY0(range_tree_space(msp->ms_freed));
4250         }
4251
4252         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freeing));
4253         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_checkpointing));
4254
4255         defer_tree = &msp->ms_defer[txg % TXG_DEFER_SIZE];
4256
4257         uint64_t free_space = metaslab_class_get_space(spa_normal_class(spa)) -
4258             metaslab_class_get_alloc(spa_normal_class(spa));
4259         if (free_space <= spa_get_slop_space(spa) || vd->vdev_removing) {
4260                 defer_allowed = B_FALSE;
4261         }
4262
4263         defer_delta = 0;
4264         alloc_delta = msp->ms_allocated_this_txg -
4265             range_tree_space(msp->ms_freed);
4266
4267         if (defer_allowed) {
4268                 defer_delta = range_tree_space(msp->ms_freed) -
4269                     range_tree_space(*defer_tree);
4270         } else {
4271                 defer_delta -= range_tree_space(*defer_tree);
4272         }
4273         metaslab_space_update(vd, mg->mg_class, alloc_delta + defer_delta,
4274             defer_delta, 0);
4275
4276         if (spa_syncing_log_sm(spa) == NULL) {
4277                 /*
4278                  * If there's a metaslab_load() in progress and we don't have
4279                  * a log space map, it means that we probably wrote to the
4280                  * metaslab's space map. If this is the case, we need to
4281                  * make sure that we wait for the load to complete so that we
4282                  * have a consistent view at the in-core side of the metaslab.
4283                  */
4284                 metaslab_load_wait(msp);
4285         } else {
4286                 ASSERT(spa_feature_is_active(spa, SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP));
4287         }
4288
4289         /*
4290          * When auto-trimming is enabled, free ranges which are added to
4291          * ms_allocatable are also be added to ms_trim.  The ms_trim tree is
4292          * periodically consumed by the vdev_autotrim_thread() which issues
4293          * trims for all ranges and then vacates the tree.  The ms_trim tree
4294          * can be discarded at any time with the sole consequence of recent
4295          * frees not being trimmed.
4296          */
4297         if (spa_get_autotrim(spa) == SPA_AUTOTRIM_ON) {
4298                 range_tree_walk(*defer_tree, range_tree_add, msp->ms_trim);
4299                 if (!defer_allowed) {
4300                         range_tree_walk(msp->ms_freed, range_tree_add,
4301                             msp->ms_trim);
4302                 }
4303         } else {
4304                 range_tree_vacate(msp->ms_trim, NULL, NULL);
4305         }
4306
4307         /*
4308          * Move the frees from the defer_tree back to the free
4309          * range tree (if it's loaded). Swap the freed_tree and
4310          * the defer_tree -- this is safe to do because we've
4311          * just emptied out the defer_tree.
4312          */
4313         range_tree_vacate(*defer_tree,
4314             msp->ms_loaded ? range_tree_add : NULL, msp->ms_allocatable);
4315         if (defer_allowed) {
4316                 range_tree_swap(&msp->ms_freed, defer_tree);
4317         } else {
4318                 range_tree_vacate(msp->ms_freed,
4319                     msp->ms_loaded ? range_tree_add : NULL,
4320                     msp->ms_allocatable);
4321         }
4322
4323         msp->ms_synced_length = space_map_length(msp->ms_sm);
4324
4325         msp->ms_deferspace += defer_delta;
4326         ASSERT3S(msp->ms_deferspace, >=, 0);
4327         ASSERT3S(msp->ms_deferspace, <=, msp->ms_size);
4328         if (msp->ms_deferspace != 0) {
4329                 /*
4330                  * Keep syncing this metaslab until all deferred frees
4331                  * are back in circulation.
4332                  */
4333                 vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg + 1);
4334         }
4335         metaslab_aux_histograms_update_done(msp, defer_allowed);
4336
4337         if (msp->ms_new) {
4338                 msp->ms_new = B_FALSE;
4339                 mutex_enter(&mg->mg_lock);
4340                 mg->mg_ms_ready++;
4341                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
4342         }
4343
4344         /*
4345          * Re-sort metaslab within its group now that we've adjusted
4346          * its allocatable space.
4347          */
4348         metaslab_recalculate_weight_and_sort(msp);
4349
4350         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK]));
4351         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freeing));
4352         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freed));
4353         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_checkpointing));
4354         msp->ms_allocating_total -= msp->ms_allocated_this_txg;
4355         msp->ms_allocated_this_txg = 0;
4356         mutex_exit(&msp->ms_lock);
4357 }
4358
4359 void
4360 metaslab_sync_reassess(metaslab_group_t *mg)
4361 {
4362         spa_t *spa = mg->mg_class->mc_spa;
4363
4364         spa_config_enter(spa, SCL_ALLOC, FTAG, RW_READER);
4365         metaslab_group_alloc_update(mg);
4366         mg->mg_fragmentation = metaslab_group_fragmentation(mg);
4367
4368         /*
4369          * Preload the next potential metaslabs but only on active
4370          * metaslab groups. We can get into a state where the metaslab
4371          * is no longer active since we dirty metaslabs as we remove a
4372          * a device, thus potentially making the metaslab group eligible
4373          * for preloading.
4374          */
4375         if (mg->mg_activation_count > 0) {
4376                 metaslab_group_preload(mg);
4377         }
4378         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
4379 }
4380
4381 /*
4382  * When writing a ditto block (i.e. more than one DVA for a given BP) on
4383  * the same vdev as an existing DVA of this BP, then try to allocate it
4384  * on a different metaslab than existing DVAs (i.e. a unique metaslab).
4385  */
4386 static boolean_t
4387 metaslab_is_unique(metaslab_t *msp, dva_t *dva)
4388 {
4389         uint64_t dva_ms_id;
4390
4391         if (DVA_GET_ASIZE(dva) == 0)
4392                 return (B_TRUE);
4393
4394         if (msp->ms_group->mg_vd->vdev_id != DVA_GET_VDEV(dva))
4395                 return (B_TRUE);
4396
4397         dva_ms_id = DVA_GET_OFFSET(dva) >> msp->ms_group->mg_vd->vdev_ms_shift;
4398
4399         return (msp->ms_id != dva_ms_id);
4400 }
4401
4402 /*
4403  * ==========================================================================
4404  * Metaslab allocation tracing facility
4405  * ==========================================================================
4406  */
4407
4408 /*
4409  * Add an allocation trace element to the allocation tracing list.
4410  */
4411 static void
4412 metaslab_trace_add(zio_alloc_list_t *zal, metaslab_group_t *mg,
4413     metaslab_t *msp, uint64_t psize, uint32_t dva_id, uint64_t offset,
4414     int allocator)
4415 {
4416         metaslab_alloc_trace_t *mat;
4417
4418         if (!metaslab_trace_enabled)
4419                 return;
4420
4421         /*
4422          * When the tracing list reaches its maximum we remove
4423          * the second element in the list before adding a new one.
4424          * By removing the second element we preserve the original
4425          * entry as a clue to what allocations steps have already been
4426          * performed.
4427          */
4428         if (zal->zal_size == metaslab_trace_max_entries) {
4429                 metaslab_alloc_trace_t *mat_next;
4430 #ifdef ZFS_DEBUG
4431                 panic("too many entries in allocation list");
4432 #endif
4433                 METASLABSTAT_BUMP(metaslabstat_trace_over_limit);
4434                 zal->zal_size--;
4435                 mat_next = list_next(&zal->zal_list, list_head(&zal->zal_list));
4436                 list_remove(&zal->zal_list, mat_next);
4437                 kmem_cache_free(metaslab_alloc_trace_cache, mat_next);
4438         }
4439
4440         mat = kmem_cache_alloc(metaslab_alloc_trace_cache, KM_SLEEP);
4441         list_link_init(&mat->mat_list_node);
4442         mat->mat_mg = mg;
4443         mat->mat_msp = msp;
4444         mat->mat_size = psize;
4445         mat->mat_dva_id = dva_id;
4446         mat->mat_offset = offset;
4447         mat->mat_weight = 0;
4448         mat->mat_allocator = allocator;
4449
4450         if (msp != NULL)
4451                 mat->mat_weight = msp->ms_weight;
4452
4453         /*
4454          * The list is part of the zio so locking is not required. Only
4455          * a single thread will perform allocations for a given zio.
4456          */
4457         list_insert_tail(&zal->zal_list, mat);
4458         zal->zal_size++;
4459
4460         ASSERT3U(zal->zal_size, <=, metaslab_trace_max_entries);
4461 }
4462
4463 void
4464 metaslab_trace_init(zio_alloc_list_t *zal)
4465 {
4466         list_create(&zal->zal_list, sizeof (metaslab_alloc_trace_t),
4467             offsetof(metaslab_alloc_trace_t, mat_list_node));
4468         zal->zal_size = 0;
4469 }
4470
4471 void
4472 metaslab_trace_fini(zio_alloc_list_t *zal)
4473 {
4474         metaslab_alloc_trace_t *mat;
4475
4476         while ((mat = list_remove_head(&zal->zal_list)) != NULL)
4477                 kmem_cache_free(metaslab_alloc_trace_cache, mat);
4478         list_destroy(&zal->zal_list);
4479         zal->zal_size = 0;
4480 }
4481
4482 /*
4483  * ==========================================================================
4484  * Metaslab block operations
4485  * ==========================================================================
4486  */
4487
4488 static void
4489 metaslab_group_alloc_increment(spa_t *spa, uint64_t vdev, void *tag, int flags,
4490     int allocator)
4491 {
4492         if (!(flags & METASLAB_ASYNC_ALLOC) ||
4493             (flags & METASLAB_DONT_THROTTLE))
4494                 return;
4495
4496         metaslab_group_t *mg = vdev_lookup_top(spa, vdev)->vdev_mg;
4497         if (!mg->mg_class->mc_alloc_throttle_enabled)
4498                 return;
4499
4500         metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[allocator];
4501         (void) zfs_refcount_add(&mga->mga_alloc_queue_depth, tag);
4502 }
4503
4504 static void
4505 metaslab_group_increment_qdepth(metaslab_group_t *mg, int allocator)
4506 {
4507         metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[allocator];
4508         metaslab_class_allocator_t *mca =
4509             &mg->mg_class->mc_allocator[allocator];
4510         uint64_t max = mg->mg_max_alloc_queue_depth;
4511         uint64_t cur = mga->mga_cur_max_alloc_queue_depth;
4512         while (cur < max) {
4513                 if (atomic_cas_64(&mga->mga_cur_max_alloc_queue_depth,
4514                     cur, cur + 1) == cur) {
4515                         atomic_inc_64(&mca->mca_alloc_max_slots);
4516                         return;
4517                 }
4518                 cur = mga->mga_cur_max_alloc_queue_depth;
4519         }
4520 }
4521
4522 void
4523 metaslab_group_alloc_decrement(spa_t *spa, uint64_t vdev, void *tag, int flags,
4524     int allocator, boolean_t io_complete)
4525 {
4526         if (!(flags & METASLAB_ASYNC_ALLOC) ||
4527             (flags & METASLAB_DONT_THROTTLE))
4528                 return;
4529
4530         metaslab_group_t *mg = vdev_lookup_top(spa, vdev)->vdev_mg;
4531         if (!mg->mg_class->mc_alloc_throttle_enabled)
4532                 return;
4533
4534         metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[allocator];
4535         (void) zfs_refcount_remove(&mga->mga_alloc_queue_depth, tag);
4536         if (io_complete)
4537                 metaslab_group_increment_qdepth(mg, allocator);
4538 }
4539
4540 void
4541 metaslab_group_alloc_verify(spa_t *spa, const blkptr_t *bp, void *tag,
4542     int allocator)
4543 {
4544 #ifdef ZFS_DEBUG
4545         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
4546         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
4547
4548         for (int d = 0; d < ndvas; d++) {
4549                 uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(&dva[d]);
4550                 metaslab_group_t *mg = vdev_lookup_top(spa, vdev)->vdev_mg;
4551                 metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[allocator];
4552                 VERIFY(zfs_refcount_not_held(&mga->mga_alloc_queue_depth, tag));
4553         }
4554 #endif
4555 }
4556
4557 static uint64_t
4558 metaslab_block_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size, uint64_t txg)
4559 {
4560         uint64_t start;
4561         range_tree_t *rt = msp->ms_allocatable;
4562         metaslab_class_t *mc = msp->ms_group->mg_class;
4563
4564         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
4565         VERIFY(!msp->ms_condensing);
4566         VERIFY0(msp->ms_disabled);
4567
4568         start = mc->mc_ops->msop_alloc(msp, size);
4569         if (start != -1ULL) {
4570                 metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
4571                 vdev_t *vd = mg->mg_vd;
4572
4573                 VERIFY0(P2PHASE(start, 1ULL << vd->vdev_ashift));
4574                 VERIFY0(P2PHASE(size, 1ULL << vd->vdev_ashift));
4575                 VERIFY3U(range_tree_space(rt) - size, <=, msp->ms_size);
4576                 range_tree_remove(rt, start, size);
4577                 range_tree_clear(msp->ms_trim, start, size);
4578
4579                 if (range_tree_is_empty(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK]))
4580                         vdev_dirty(mg->mg_vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
4581
4582                 range_tree_add(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK], start, size);
4583                 msp->ms_allocating_total += size;
4584
4585                 /* Track the last successful allocation */
4586                 msp->ms_alloc_txg = txg;
4587                 metaslab_verify_space(msp, txg);
4588         }
4589
4590         /*
4591          * Now that we've attempted the allocation we need to update the
4592          * metaslab's maximum block size since it may have changed.
4593          */
4594         msp->ms_max_size = metaslab_largest_allocatable(msp);
4595         return (start);
4596 }
4597
4598 /*
4599  * Find the metaslab with the highest weight that is less than what we've
4600  * already tried.  In the common case, this means that we will examine each
4601  * metaslab at most once. Note that concurrent callers could reorder metaslabs
4602  * by activation/passivation once we have dropped the mg_lock. If a metaslab is
4603  * activated by another thread, and we fail to allocate from the metaslab we
4604  * have selected, we may not try the newly-activated metaslab, and instead
4605  * activate another metaslab.  This is not optimal, but generally does not cause
4606  * any problems (a possible exception being if every metaslab is completely full
4607  * except for the newly-activated metaslab which we fail to examine).
4608  */
4609 static metaslab_t *
4610 find_valid_metaslab(metaslab_group_t *mg, uint64_t activation_weight,
4611     dva_t *dva, int d, boolean_t want_unique, uint64_t asize, int allocator,
4612     boolean_t try_hard, zio_alloc_list_t *zal, metaslab_t *search,
4613     boolean_t *was_active)
4614 {
4615         avl_index_t idx;
4616         avl_tree_t *t = &mg->mg_metaslab_tree;
4617         metaslab_t *msp = avl_find(t, search, &idx);
4618         if (msp == NULL)
4619                 msp = avl_nearest(t, idx, AVL_AFTER);
4620
4621         int tries = 0;
4622         for (; msp != NULL; msp = AVL_NEXT(t, msp)) {
4623                 int i;
4624
4625                 if (!try_hard && tries > zfs_metaslab_find_max_tries) {
4626                         METASLABSTAT_BUMP(metaslabstat_too_many_tries);
4627                         return (NULL);
4628                 }
4629                 tries++;
4630
4631                 if (!metaslab_should_allocate(msp, asize, try_hard)) {
4632                         metaslab_trace_add(zal, mg, msp, asize, d,
4633                             TRACE_TOO_SMALL, allocator);
4634                         continue;
4635                 }
4636
4637                 /*
4638                  * If the selected metaslab is condensing or disabled,
4639                  * skip it.
4640                  */
4641                 if (msp->ms_condensing || msp->ms_disabled > 0)
4642                         continue;
4643
4644                 *was_active = msp->ms_allocator != -1;
4645                 /*
4646                  * If we're activating as primary, this is our first allocation
4647                  * from this disk, so we don't need to check how close we are.
4648                  * If the metaslab under consideration was already active,
4649                  * we're getting desperate enough to steal another allocator's
4650                  * metaslab, so we still don't care about distances.
4651                  */
4652                 if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY || *was_active)
4653                         break;
4654
4655                 for (i = 0; i < d; i++) {
4656                         if (want_unique &&
4657                             !metaslab_is_unique(msp, &dva[i]))
4658                                 break;  /* try another metaslab */
4659                 }
4660                 if (i == d)
4661                         break;
4662         }
4663
4664         if (msp != NULL) {
4665                 search->ms_weight = msp->ms_weight;
4666                 search->ms_start = msp->ms_start + 1;
4667                 search->ms_allocator = msp->ms_allocator;
4668                 search->ms_primary = msp->ms_primary;
4669         }
4670         return (msp);
4671 }
4672
4673 static void
4674 metaslab_active_mask_verify(metaslab_t *msp)
4675 {
4676         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
4677
4678         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_METASLAB_VERIFY) == 0)
4679                 return;
4680
4681         if ((msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) == 0)
4682                 return;
4683
4684         if (msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_PRIMARY) {
4685                 VERIFY0(msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_SECONDARY);
4686                 VERIFY0(msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_CLAIM);
4687                 VERIFY3S(msp->ms_allocator, !=, -1);
4688                 VERIFY(msp->ms_primary);
4689                 return;
4690         }
4691
4692         if (msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_SECONDARY) {
4693                 VERIFY0(msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_PRIMARY);
4694                 VERIFY0(msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_CLAIM);
4695                 VERIFY3S(msp->ms_allocator, !=, -1);
4696                 VERIFY(!msp->ms_primary);
4697                 return;
4698         }
4699
4700         if (msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_CLAIM) {
4701                 VERIFY0(msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_PRIMARY);
4702                 VERIFY0(msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_SECONDARY);
4703                 VERIFY3S(msp->ms_allocator, ==, -1);
4704                 return;
4705         }
4706 }
4707
4708 /* ARGSUSED */
4709 static uint64_t
4710 metaslab_group_alloc_normal(metaslab_group_t *mg, zio_alloc_list_t *zal,
4711     uint64_t asize, uint64_t txg, boolean_t want_unique, dva_t *dva, int d,
4712     int allocator, boolean_t try_hard)
4713 {
4714         metaslab_t *msp = NULL;
4715         uint64_t offset = -1ULL;
4716
4717         uint64_t activation_weight = METASLAB_WEIGHT_PRIMARY;
4718         for (int i = 0; i < d; i++) {
4719                 if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY &&
4720                     DVA_GET_VDEV(&dva[i]) == mg->mg_vd->vdev_id) {
4721                         activation_weight = METASLAB_WEIGHT_SECONDARY;
4722                 } else if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_SECONDARY &&
4723                     DVA_GET_VDEV(&dva[i]) == mg->mg_vd->vdev_id) {
4724                         activation_weight = METASLAB_WEIGHT_CLAIM;
4725                         break;
4726                 }
4727         }
4728
4729         /*
4730          * If we don't have enough metaslabs active to fill the entire array, we
4731          * just use the 0th slot.
4732          */
4733         if (mg->mg_ms_ready < mg->mg_allocators * 3)
4734                 allocator = 0;
4735         metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[allocator];
4736
4737         ASSERT3U(mg->mg_vd->vdev_ms_count, >=, 2);
4738
4739         metaslab_t *search = kmem_alloc(sizeof (*search), KM_SLEEP);
4740         search->ms_weight = UINT64_MAX;
4741         search->ms_start = 0;
4742         /*
4743          * At the end of the metaslab tree are the already-active metaslabs,
4744          * first the primaries, then the secondaries. When we resume searching
4745          * through the tree, we need to consider ms_allocator and ms_primary so
4746          * we start in the location right after where we left off, and don't
4747          * accidentally loop forever considering the same metaslabs.
4748          */
4749         search->ms_allocator = -1;
4750         search->ms_primary = B_TRUE;
4751         for (;;) {
4752                 boolean_t was_active = B_FALSE;
4753
4754                 mutex_enter(&mg->mg_lock);
4755
4756                 if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY &&
4757                     mga->mga_primary != NULL) {
4758                         msp = mga->mga_primary;
4759
4760                         /*
4761                          * Even though we don't hold the ms_lock for the
4762                          * primary metaslab, those fields should not
4763                          * change while we hold the mg_lock. Thus it is
4764                          * safe to make assertions on them.
4765                          */
4766                         ASSERT(msp->ms_primary);
4767                         ASSERT3S(msp->ms_allocator, ==, allocator);
4768                         ASSERT(msp->ms_loaded);
4769
4770                         was_active = B_TRUE;
4771                         ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
4772                 } else if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_SECONDARY &&
4773                     mga->mga_secondary != NULL) {
4774                         msp = mga->mga_secondary;
4775
4776                         /*
4777                          * See comment above about the similar assertions
4778                          * for the primary metaslab.
4779                          */
4780                         ASSERT(!msp->ms_primary);
4781                         ASSERT3S(msp->ms_allocator, ==, allocator);
4782                         ASSERT(msp->ms_loaded);
4783
4784                         was_active = B_TRUE;
4785                         ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
4786                 } else {
4787                         msp = find_valid_metaslab(mg, activation_weight, dva, d,
4788                             want_unique, asize, allocator, try_hard, zal,
4789                             search, &was_active);
4790                 }
4791
4792                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
4793                 if (msp == NULL) {
4794                         kmem_free(search, sizeof (*search));
4795                         return (-1ULL);
4796                 }
4797                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
4798
4799                 metaslab_active_mask_verify(msp);
4800
4801                 /*
4802                  * This code is disabled out because of issues with
4803                  * tracepoints in non-gpl kernel modules.
4804                  */
4805 #if 0
4806                 DTRACE_PROBE3(ms__activation__attempt,
4807                     metaslab_t *, msp, uint64_t, activation_weight,
4808                     boolean_t, was_active);
4809 #endif
4810
4811                 /*
4812                  * Ensure that the metaslab we have selected is still
4813                  * capable of handling our request. It's possible that
4814                  * another thread may have changed the weight while we
4815                  * were blocked on the metaslab lock. We check the
4816                  * active status first to see if we need to set_selected_txg
4817                  * a new metaslab.
4818                  */
4819                 if (was_active && !(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK)) {
4820                         ASSERT3S(msp->ms_allocator, ==, -1);
4821                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
4822                         continue;
4823                 }
4824
4825                 /*
4826                  * If the metaslab was activated for another allocator
4827                  * while we were waiting in the ms_lock above, or it's
4828                  * a primary and we're seeking a secondary (or vice versa),
4829                  * we go back and select a new metaslab.
4830                  */
4831                 if (!was_active && (msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) &&
4832                     (msp->ms_allocator != -1) &&
4833                     (msp->ms_allocator != allocator || ((activation_weight ==
4834                     METASLAB_WEIGHT_PRIMARY) != msp->ms_primary))) {
4835                         ASSERT(msp->ms_loaded);
4836                         ASSERT((msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_CLAIM) ||
4837                             msp->ms_allocator != -1);
4838                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
4839                         continue;
4840                 }
4841
4842                 /*
4843                  * This metaslab was used for claiming regions allocated
4844                  * by the ZIL during pool import. Once these regions are
4845                  * claimed we don't need to keep the CLAIM bit set
4846                  * anymore. Passivate this metaslab to zero its activation
4847                  * mask.
4848                  */
4849                 if (msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_CLAIM &&
4850                     activation_weight != METASLAB_WEIGHT_CLAIM) {
4851                         ASSERT(msp->ms_loaded);
4852                         ASSERT3S(msp->ms_allocator, ==, -1);
4853                         metaslab_passivate(msp, msp->ms_weight &
4854                             ~METASLAB_WEIGHT_CLAIM);
4855                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
4856                         continue;
4857                 }
4858
4859                 metaslab_set_selected_txg(msp, txg);
4860
4861                 int activation_error =
4862                     metaslab_activate(msp, allocator, activation_weight);
4863                 metaslab_active_mask_verify(msp);
4864
4865                 /*
4866                  * If the metaslab was activated by another thread for
4867                  * another allocator or activation_weight (EBUSY), or it
4868                  * failed because another metaslab was assigned as primary
4869                  * for this allocator (EEXIST) we continue using this
4870                  * metaslab for our allocation, rather than going on to a
4871                  * worse metaslab (we waited for that metaslab to be loaded
4872                  * after all).
4873                  *
4874                  * If the activation failed due to an I/O error or ENOSPC we
4875                  * skip to the next metaslab.
4876                  */
4877                 boolean_t activated;
4878                 if (activation_error == 0) {
4879                         activated = B_TRUE;
4880                 } else if (activation_error == EBUSY ||
4881                     activation_error == EEXIST) {
4882                         activated = B_FALSE;
4883                 } else {
4884                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
4885                         continue;
4886                 }
4887                 ASSERT(msp->ms_loaded);
4888
4889                 /*
4890                  * Now that we have the lock, recheck to see if we should
4891                  * continue to use this metaslab for this allocation. The
4892                  * the metaslab is now loaded so metaslab_should_allocate()
4893                  * can accurately determine if the allocation attempt should
4894                  * proceed.
4895                  */
4896                 if (!metaslab_should_allocate(msp, asize, try_hard)) {
4897                         /* Passivate this metaslab and select a new one. */
4898                         metaslab_trace_add(zal, mg, msp, asize, d,
4899                             TRACE_TOO_SMALL, allocator);
4900                         goto next;
4901                 }
4902
4903                 /*
4904                  * If this metaslab is currently condensing then pick again
4905                  * as we can't manipulate this metaslab until it's committed
4906                  * to disk. If this metaslab is being initialized, we shouldn't
4907                  * allocate from it since the allocated region might be
4908                  * overwritten after allocation.
4909                  */
4910                 if (msp->ms_condensing) {
4911                         metaslab_trace_add(zal, mg, msp, asize, d,
4912                             TRACE_CONDENSING, allocator);
4913                         if (activated) {
4914                                 metaslab_passivate(msp, msp->ms_weight &
4915                                     ~METASLAB_ACTIVE_MASK);
4916                         }
4917                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
4918                         continue;
4919                 } else if (msp->ms_disabled > 0) {
4920                         metaslab_trace_add(zal, mg, msp, asize, d,
4921                             TRACE_DISABLED, allocator);
4922                         if (activated) {
4923                                 metaslab_passivate(msp, msp->ms_weight &
4924                                     ~METASLAB_ACTIVE_MASK);
4925                         }
4926                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
4927                         continue;
4928                 }
4929
4930                 offset = metaslab_block_alloc(msp, asize, txg);
4931                 metaslab_trace_add(zal, mg, msp, asize, d, offset, allocator);
4932
4933                 if (offset != -1ULL) {
4934                         /* Proactively passivate the metaslab, if needed */
4935                         if (activated)
4936                                 metaslab_segment_may_passivate(msp);
4937                         break;
4938                 }
4939 next:
4940                 ASSERT(msp->ms_loaded);
4941
4942                 /*
4943                  * This code is disabled out because of issues with
4944                  * tracepoints in non-gpl kernel modules.
4945                  */
4946 #if 0
4947                 DTRACE_PROBE2(ms__alloc__failure, metaslab_t *, msp,
4948                     uint64_t, asize);
4949 #endif
4950
4951                 /*
4952                  * We were unable to allocate from this metaslab so determine
4953                  * a new weight for this metaslab. Now that we have loaded
4954                  * the metaslab we can provide a better hint to the metaslab
4955                  * selector.
4956                  *
4957                  * For space-based metaslabs, we use the maximum block size.
4958                  * This information is only available when the metaslab
4959                  * is loaded and is more accurate than the generic free
4960                  * space weight that was calculated by metaslab_weight().
4961                  * This information allows us to quickly compare the maximum
4962                  * available allocation in the metaslab to the allocation
4963                  * size being requested.
4964                  *
4965                  * For segment-based metaslabs, determine the new weight
4966                  * based on the highest bucket in the range tree. We
4967                  * explicitly use the loaded segment weight (i.e. the range
4968                  * tree histogram) since it contains the space that is
4969                  * currently available for allocation and is accurate
4970                  * even within a sync pass.
4971                  */
4972                 uint64_t weight;
4973                 if (WEIGHT_IS_SPACEBASED(msp->ms_weight)) {
4974                         weight = metaslab_largest_allocatable(msp);
4975                         WEIGHT_SET_SPACEBASED(weight);
4976                 } else {
4977                         weight = metaslab_weight_from_range_tree(msp);
4978                 }
4979
4980                 if (activated) {
4981                         metaslab_passivate(msp, weight);
4982                 } else {
4983                         /*
4984                          * For the case where we use the metaslab that is
4985                          * active for another allocator we want to make
4986                          * sure that we retain the activation mask.
4987                          *
4988                          * Note that we could attempt to use something like
4989                          * metaslab_recalculate_weight_and_sort() that
4990                          * retains the activation mask here. That function
4991                          * uses metaslab_weight() to set the weight though
4992                          * which is not as accurate as the calculations
4993                          * above.
4994                          */
4995                         weight |= msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK;
4996                         metaslab_group_sort(mg, msp, weight);
4997                 }
4998                 metaslab_active_mask_verify(msp);
4999
5000                 /*
5001                  * We have just failed an allocation attempt, check
5002                  * that metaslab_should_allocate() agrees. Otherwise,
5003                  * we may end up in an infinite loop retrying the same
5004                  * metaslab.
5005                  */
5006                 ASSERT(!metaslab_should_allocate(msp, asize, try_hard));
5007
5008                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
5009         }
5010         mutex_exit(&msp->ms_lock);
5011         kmem_free(search, sizeof (*search));
5012         return (offset);
5013 }
5014
5015 static uint64_t
5016 metaslab_group_alloc(metaslab_group_t *mg, zio_alloc_list_t *zal,
5017     uint64_t asize, uint64_t txg, boolean_t want_unique, dva_t *dva, int d,
5018     int allocator, boolean_t try_hard)
5019 {
5020         uint64_t offset;
5021         ASSERT(mg->mg_initialized);
5022
5023         offset = metaslab_group_alloc_normal(mg, zal, asize, txg, want_unique,
5024             dva, d, allocator, try_hard);
5025
5026         mutex_enter(&mg->mg_lock);
5027         if (offset == -1ULL) {
5028                 mg->mg_failed_allocations++;
5029                 metaslab_trace_add(zal, mg, NULL, asize, d,
5030                     TRACE_GROUP_FAILURE, allocator);
5031                 if (asize == SPA_GANGBLOCKSIZE) {
5032                         /*
5033                          * This metaslab group was unable to allocate
5034                          * the minimum gang block size so it must be out of
5035                          * space. We must notify the allocation throttle
5036                          * to start skipping allocation attempts to this
5037                          * metaslab group until more space becomes available.
5038                          * Note: this failure cannot be caused by the
5039                          * allocation throttle since the allocation throttle
5040                          * is only responsible for skipping devices and
5041                          * not failing block allocations.
5042                          */
5043                         mg->mg_no_free_space = B_TRUE;
5044                 }
5045         }
5046         mg->mg_allocations++;
5047         mutex_exit(&mg->mg_lock);
5048         return (offset);
5049 }
5050
5051 /*
5052  * Allocate a block for the specified i/o.
5053  */
5054 int
5055 metaslab_alloc_dva(spa_t *spa, metaslab_class_t *mc, uint64_t psize,
5056     dva_t *dva, int d, dva_t *hintdva, uint64_t txg, int flags,
5057     zio_alloc_list_t *zal, int allocator)
5058 {
5059         metaslab_class_allocator_t *mca = &mc->mc_allocator[allocator];
5060         metaslab_group_t *mg, *fast_mg, *rotor;
5061         vdev_t *vd;
5062         boolean_t try_hard = B_FALSE;
5063
5064         ASSERT(!DVA_IS_VALID(&dva[d]));
5065
5066         /*
5067          * For testing, make some blocks above a certain size be gang blocks.
5068          * This will result in more split blocks when using device removal,
5069          * and a large number of split blocks coupled with ztest-induced
5070          * damage can result in extremely long reconstruction times.  This
5071          * will also test spilling from special to normal.
5072          */
5073         if (psize >= metaslab_force_ganging && (spa_get_random(100) < 3)) {
5074                 metaslab_trace_add(zal, NULL, NULL, psize, d, TRACE_FORCE_GANG,
5075                     allocator);
5076                 return (SET_ERROR(ENOSPC));
5077         }
5078
5079         /*
5080          * Start at the rotor and loop through all mgs until we find something.
5081          * Note that there's no locking on mca_rotor or mca_aliquot because
5082          * nothing actually breaks if we miss a few updates -- we just won't
5083          * allocate quite as evenly.  It all balances out over time.
5084          *
5085          * If we are doing ditto or log blocks, try to spread them across
5086          * consecutive vdevs.  If we're forced to reuse a vdev before we've
5087          * allocated all of our ditto blocks, then try and spread them out on
5088          * that vdev as much as possible.  If it turns out to not be possible,
5089          * gradually lower our standards until anything becomes acceptable.
5090          * Also, allocating on consecutive vdevs (as opposed to random vdevs)
5091          * gives us hope of containing our fault domains to something we're
5092          * able to reason about.  Otherwise, any two top-level vdev failures
5093          * will guarantee the loss of data.  With consecutive allocation,
5094          * only two adjacent top-level vdev failures will result in data loss.
5095          *
5096          * If we are doing gang blocks (hintdva is non-NULL), try to keep
5097          * ourselves on the same vdev as our gang block header.  That
5098          * way, we can hope for locality in vdev_cache, plus it makes our
5099          * fault domains something tractable.
5100          */
5101         if (hintdva) {
5102                 vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&hintdva[d]));
5103
5104                 /*
5105                  * It's possible the vdev we're using as the hint no
5106                  * longer exists or its mg has been closed (e.g. by
5107                  * device removal).  Consult the rotor when
5108                  * all else fails.
5109                  */
5110                 if (vd != NULL && vd->vdev_mg != NULL) {
5111                         mg = vdev_get_mg(vd, mc);
5112
5113                         if (flags & METASLAB_HINTBP_AVOID &&
5114                             mg->mg_next != NULL)
5115                                 mg = mg->mg_next;
5116                 } else {
5117                         mg = mca->mca_rotor;
5118                 }
5119         } else if (d != 0) {
5120                 vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&dva[d - 1]));
5121                 mg = vd->vdev_mg->mg_next;
5122         } else if (flags & METASLAB_FASTWRITE) {
5123                 mg = fast_mg = mca->mca_rotor;
5124
5125                 do {
5126                         if (fast_mg->mg_vd->vdev_pending_fastwrite <
5127                             mg->mg_vd->vdev_pending_fastwrite)
5128                                 mg = fast_mg;
5129                 } while ((fast_mg = fast_mg->mg_next) != mca->mca_rotor);
5130
5131         } else {
5132                 ASSERT(mca->mca_rotor != NULL);
5133                 mg = mca->mca_rotor;
5134         }
5135
5136         /*
5137          * If the hint put us into the wrong metaslab class, or into a
5138          * metaslab group that has been passivated, just follow the rotor.
5139          */
5140         if (mg->mg_class != mc || mg->mg_activation_count <= 0)
5141                 mg = mca->mca_rotor;
5142
5143         rotor = mg;
5144 top:
5145         do {
5146                 boolean_t allocatable;
5147
5148                 ASSERT(mg->mg_activation_count == 1);
5149                 vd = mg->mg_vd;
5150
5151                 /*
5152                  * Don't allocate from faulted devices.
5153                  */
5154                 if (try_hard) {
5155                         spa_config_enter(spa, SCL_ZIO, FTAG, RW_READER);
5156                         allocatable = vdev_allocatable(vd);
5157                         spa_config_exit(spa, SCL_ZIO, FTAG);
5158                 } else {
5159                         allocatable = vdev_allocatable(vd);
5160                 }
5161
5162                 /*
5163                  * Determine if the selected metaslab group is eligible
5164                  * for allocations. If we're ganging then don't allow
5165                  * this metaslab group to skip allocations since that would
5166                  * inadvertently return ENOSPC and suspend the pool
5167                  * even though space is still available.
5168                  */
5169                 if (allocatable && !GANG_ALLOCATION(flags) && !try_hard) {
5170                         allocatable = metaslab_group_allocatable(mg, rotor,
5171                             psize, allocator, d);
5172                 }
5173
5174                 if (!allocatable) {
5175                         metaslab_trace_add(zal, mg, NULL, psize, d,
5176                             TRACE_NOT_ALLOCATABLE, allocator);
5177                         goto next;
5178                 }
5179
5180                 ASSERT(mg->mg_initialized);
5181
5182                 /*
5183                  * Avoid writing single-copy data to a failing,
5184                  * non-redundant vdev, unless we've already tried all
5185                  * other vdevs.
5186                  */
5187                 if ((vd->vdev_stat.vs_write_errors > 0 ||
5188                     vd->vdev_state < VDEV_STATE_HEALTHY) &&
5189                     d == 0 && !try_hard && vd->vdev_children == 0) {
5190                         metaslab_trace_add(zal, mg, NULL, psize, d,
5191                             TRACE_VDEV_ERROR, allocator);
5192                         goto next;
5193                 }
5194
5195                 ASSERT(mg->mg_class == mc);
5196
5197                 uint64_t asize = vdev_psize_to_asize(vd, psize);
5198                 ASSERT(P2PHASE(asize, 1ULL << vd->vdev_ashift) == 0);
5199
5200                 /*
5201                  * If we don't need to try hard, then require that the
5202                  * block be on a different metaslab from any other DVAs
5203                  * in this BP (unique=true).  If we are trying hard, then
5204                  * allow any metaslab to be used (unique=false).
5205                  */
5206                 uint64_t offset = metaslab_group_alloc(mg, zal, asize, txg,
5207                     !try_hard, dva, d, allocator, try_hard);
5208
5209                 if (offset != -1ULL) {
5210                         /*
5211                          * If we've just selected this metaslab group,
5212                          * figure out whether the corresponding vdev is
5213                          * over- or under-used relative to the pool,
5214                          * and set an allocation bias to even it out.
5215                          *
5216                          * Bias is also used to compensate for unequally
5217                          * sized vdevs so that space is allocated fairly.
5218                          */
5219                         if (mca->mca_aliquot == 0 && metaslab_bias_enabled) {
5220                                 vdev_stat_t *vs = &vd->vdev_stat;
5221                                 int64_t vs_free = vs->vs_space - vs->vs_alloc;
5222                                 int64_t mc_free = mc->mc_space - mc->mc_alloc;
5223                                 int64_t ratio;
5224
5225                                 /*
5226                                  * Calculate how much more or less we should
5227                                  * try to allocate from this device during
5228                                  * this iteration around the rotor.
5229                                  *
5230                                  * This basically introduces a zero-centered
5231                                  * bias towards the devices with the most
5232                                  * free space, while compensating for vdev
5233                                  * size differences.
5234                                  *
5235                                  * Examples:
5236                                  *  vdev V1 = 16M/128M
5237                                  *  vdev V2 = 16M/128M
5238                                  *  ratio(V1) = 100% ratio(V2) = 100%
5239                                  *
5240                                  *  vdev V1 = 16M/128M
5241                                  *  vdev V2 = 64M/128M
5242                                  *  ratio(V1) = 127% ratio(V2) =  72%
5243                                  *
5244                                  *  vdev V1 = 16M/128M
5245                                  *  vdev V2 = 64M/512M
5246                                  *  ratio(V1) =  40% ratio(V2) = 160%
5247                                  */
5248                                 ratio = (vs_free * mc->mc_alloc_groups * 100) /
5249                                     (mc_free + 1);
5250                                 mg->mg_bias = ((ratio - 100) *
5251                                     (int64_t)mg->mg_aliquot) / 100;
5252                         } else if (!metaslab_bias_enabled) {
5253                                 mg->mg_bias = 0;
5254                         }
5255
5256                         if ((flags & METASLAB_FASTWRITE) ||
5257                             atomic_add_64_nv(&mca->mca_aliquot, asize) >=
5258                             mg->mg_aliquot + mg->mg_bias) {
5259                                 mca->mca_rotor = mg->mg_next;
5260                                 mca->mca_aliquot = 0;
5261                         }
5262
5263                         DVA_SET_VDEV(&dva[d], vd->vdev_id);
5264                         DVA_SET_OFFSET(&dva[d], offset);
5265                         DVA_SET_GANG(&dva[d],
5266                             ((flags & METASLAB_GANG_HEADER) ? 1 : 0));
5267                         DVA_SET_ASIZE(&dva[d], asize);
5268
5269                         if (flags & METASLAB_FASTWRITE) {
5270                                 atomic_add_64(&vd->vdev_pending_fastwrite,
5271                                     psize);
5272                         }
5273
5274                         return (0);
5275                 }
5276 next:
5277                 mca->mca_rotor = mg->mg_next;
5278                 mca->mca_aliquot = 0;
5279         } while ((mg = mg->mg_next) != rotor);
5280
5281         /*
5282          * If we haven't tried hard, perhaps do so now.
5283          */
5284         if (!try_hard && (zfs_metaslab_try_hard_before_gang ||
5285             GANG_ALLOCATION(flags) || (flags & METASLAB_ZIL) != 0 ||
5286             psize <= 1 << spa->spa_min_ashift)) {
5287                 METASLABSTAT_BUMP(metaslabstat_try_hard);
5288                 try_hard = B_TRUE;
5289                 goto top;
5290         }
5291
5292         bzero(&dva[d], sizeof (dva_t));
5293
5294         metaslab_trace_add(zal, rotor, NULL, psize, d, TRACE_ENOSPC, allocator);
5295         return (SET_ERROR(ENOSPC));
5296 }
5297
5298 void
5299 metaslab_free_concrete(vdev_t *vd, uint64_t offset, uint64_t asize,
5300     boolean_t checkpoint)
5301 {
5302         metaslab_t *msp;
5303         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
5304
5305         ASSERT(vdev_is_concrete(vd));
5306         ASSERT3U(spa_config_held(spa, SCL_ALL, RW_READER), !=, 0);
5307         ASSERT3U(offset >> vd->vdev_ms_shift, <, vd->vdev_ms_count);
5308
5309         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
5310
5311         VERIFY(!msp->ms_condensing);
5312         VERIFY3U(offset, >=, msp->ms_start);
5313         VERIFY3U(offset + asize, <=, msp->ms_start + msp->ms_size);
5314         VERIFY0(P2PHASE(offset, 1ULL << vd->vdev_ashift));
5315         VERIFY0(P2PHASE(asize, 1ULL << vd->vdev_ashift));
5316
5317         metaslab_check_free_impl(vd, offset, asize);
5318
5319         mutex_enter(&msp->ms_lock);
5320         if (range_tree_is_empty(msp->ms_freeing) &&
5321             range_tree_is_empty(msp->ms_checkpointing)) {
5322                 vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, spa_syncing_txg(spa));
5323         }
5324
5325         if (checkpoint) {
5326                 ASSERT(spa_has_checkpoint(spa));
5327                 range_tree_add(msp->ms_checkpointing, offset, asize);
5328         } else {
5329                 range_tree_add(msp->ms_freeing, offset, asize);
5330         }
5331         mutex_exit(&msp->ms_lock);
5332 }
5333
5334 /* ARGSUSED */
5335 void
5336 metaslab_free_impl_cb(uint64_t inner_offset, vdev_t *vd, uint64_t offset,
5337     uint64_t size, void *arg)
5338 {
5339         boolean_t *checkpoint = arg;
5340
5341         ASSERT3P(checkpoint, !=, NULL);
5342
5343         if (vd->vdev_ops->vdev_op_remap != NULL)
5344                 vdev_indirect_mark_obsolete(vd, offset, size);
5345         else
5346                 metaslab_free_impl(vd, offset, size, *checkpoint);
5347 }
5348
5349 static void
5350 metaslab_free_impl(vdev_t *vd, uint64_t offset, uint64_t size,
5351     boolean_t checkpoint)
5352 {
5353         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
5354
5355         ASSERT3U(spa_config_held(spa, SCL_ALL, RW_READER), !=, 0);
5356
5357         if (spa_syncing_txg(spa) > spa_freeze_txg(spa))
5358                 return;
5359
5360         if (spa->spa_vdev_removal != NULL &&
5361             spa->spa_vdev_removal->svr_vdev_id == vd->vdev_id &&
5362             vdev_is_concrete(vd)) {
5363                 /*
5364                  * Note: we check if the vdev is concrete because when
5365                  * we complete the removal, we first change the vdev to be
5366                  * an indirect vdev (in open context), and then (in syncing
5367                  * context) clear spa_vdev_removal.
5368                  */
5369                 free_from_removing_vdev(vd, offset, size);
5370         } else if (vd->vdev_ops->vdev_op_remap != NULL) {
5371                 vdev_indirect_mark_obsolete(vd, offset, size);
5372                 vd->vdev_ops->vdev_op_remap(vd, offset, size,
5373                     metaslab_free_impl_cb, &checkpoint);
5374         } else {
5375                 metaslab_free_concrete(vd, offset, size, checkpoint);
5376         }
5377 }
5378
5379 typedef struct remap_blkptr_cb_arg {
5380         blkptr_t *rbca_bp;
5381         spa_remap_cb_t rbca_cb;
5382         vdev_t *rbca_remap_vd;
5383         uint64_t rbca_remap_offset;
5384         void *rbca_cb_arg;
5385 } remap_blkptr_cb_arg_t;
5386
5387 static void
5388 remap_blkptr_cb(uint64_t inner_offset, vdev_t *vd, uint64_t offset,
5389     uint64_t size, void *arg)
5390 {
5391         remap_blkptr_cb_arg_t *rbca = arg;
5392         blkptr_t *bp = rbca->rbca_bp;
5393
5394         /* We can not remap split blocks. */
5395         if (size != DVA_GET_ASIZE(&bp->blk_dva[0]))
5396                 return;
5397         ASSERT0(inner_offset);
5398
5399         if (rbca->rbca_cb != NULL) {
5400                 /*
5401                  * At this point we know that we are not handling split
5402                  * blocks and we invoke the callback on the previous
5403                  * vdev which must be indirect.
5404                  */
5405                 ASSERT3P(rbca->rbca_remap_vd->vdev_ops, ==, &vdev_indirect_ops);
5406
5407                 rbca->rbca_cb(rbca->rbca_remap_vd->vdev_id,
5408                     rbca->rbca_remap_offset, size, rbca->rbca_cb_arg);
5409
5410                 /* set up remap_blkptr_cb_arg for the next call */
5411                 rbca->rbca_remap_vd = vd;
5412                 rbca->rbca_remap_offset = offset;
5413         }
5414
5415         /*
5416          * The phys birth time is that of dva[0].  This ensures that we know
5417          * when each dva was written, so that resilver can determine which
5418          * blocks need to be scrubbed (i.e. those written during the time
5419          * the vdev was offline).  It also ensures that the key used in
5420          * the ARC hash table is unique (i.e. dva[0] + phys_birth).  If
5421          * we didn't change the phys_birth, a lookup in the ARC for a
5422          * remapped BP could find the data that was previously stored at
5423          * this vdev + offset.
5424          */
5425         vdev_t *oldvd = vdev_lookup_top(vd->vdev_spa,
5426             DVA_GET_VDEV(&bp->blk_dva[0]));
5427         vdev_indirect_births_t *vib = oldvd->vdev_indirect_births;
5428         bp->blk_phys_birth = vdev_indirect_births_physbirth(vib,
5429             DVA_GET_OFFSET(&bp->blk_dva[0]), DVA_GET_ASIZE(&bp->blk_dva[0]));
5430
5431         DVA_SET_VDEV(&bp->blk_dva[0], vd->vdev_id);
5432         DVA_SET_OFFSET(&bp->blk_dva[0], offset);
5433 }
5434
5435 /*
5436  * If the block pointer contains any indirect DVAs, modify them to refer to
5437  * concrete DVAs.  Note that this will sometimes not be possible, leaving
5438  * the indirect DVA in place.  This happens if the indirect DVA spans multiple
5439  * segments in the mapping (i.e. it is a "split block").
5440  *
5441  * If the BP was remapped, calls the callback on the original dva (note the
5442  * callback can be called multiple times if the original indirect DVA refers
5443  * to another indirect DVA, etc).
5444  *
5445  * Returns TRUE if the BP was remapped.
5446  */
5447 boolean_t
5448 spa_remap_blkptr(spa_t *spa, blkptr_t *bp, spa_remap_cb_t callback, void *arg)
5449 {
5450         remap_blkptr_cb_arg_t rbca;
5451
5452         if (!zfs_remap_blkptr_enable)
5453                 return (B_FALSE);
5454
5455         if (!spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_OBSOLETE_COUNTS))
5456                 return (B_FALSE);
5457
5458         /*
5459          * Dedup BP's can not be remapped, because ddt_phys_select() depends
5460          * on DVA[0] being the same in the BP as in the DDT (dedup table).
5461          */
5462         if (BP_GET_DEDUP(bp))
5463                 return (B_FALSE);
5464
5465         /*
5466          * Gang blocks can not be remapped, because
5467          * zio_checksum_gang_verifier() depends on the DVA[0] that's in
5468          * the BP used to read the gang block header (GBH) being the same
5469          * as the DVA[0] that we allocated for the GBH.
5470          */
5471         if (BP_IS_GANG(bp))
5472                 return (B_FALSE);
5473
5474         /*
5475          * Embedded BP's have no DVA to remap.
5476          */
5477         if (BP_GET_NDVAS(bp) < 1)
5478                 return (B_FALSE);
5479
5480         /*
5481          * Note: we only remap dva[0].  If we remapped other dvas, we
5482          * would no longer know what their phys birth txg is.
5483          */
5484         dva_t *dva = &bp->blk_dva[0];
5485
5486         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
5487         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
5488         vdev_t *vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(dva));
5489
5490         if (vd->vdev_ops->vdev_op_remap == NULL)
5491                 return (B_FALSE);
5492
5493         rbca.rbca_bp = bp;
5494         rbca.rbca_cb = callback;
5495         rbca.rbca_remap_vd = vd;
5496         rbca.rbca_remap_offset = offset;
5497         rbca.rbca_cb_arg = arg;
5498
5499         /*
5500          * remap_blkptr_cb() will be called in order for each level of
5501          * indirection, until a concrete vdev is reached or a split block is
5502          * encountered. old_vd and old_offset are updated within the callback
5503          * as we go from the one indirect vdev to the next one (either concrete
5504          * or indirect again) in that order.
5505          */
5506         vd->vdev_ops->vdev_op_remap(vd, offset, size, remap_blkptr_cb, &rbca);
5507
5508         /* Check if the DVA wasn't remapped because it is a split block */
5509         if (DVA_GET_VDEV(&rbca.rbca_bp->blk_dva[0]) == vd->vdev_id)
5510                 return (B_FALSE);
5511
5512         return (B_TRUE);
5513 }
5514
5515 /*
5516  * Undo the allocation of a DVA which happened in the given transaction group.
5517  */
5518 void
5519 metaslab_unalloc_dva(spa_t *spa, const dva_t *dva, uint64_t txg)
5520 {
5521         metaslab_t *msp;
5522         vdev_t *vd;
5523         uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(dva);
5524         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
5525         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
5526
5527         ASSERT(DVA_IS_VALID(dva));
5528         ASSERT3U(spa_config_held(spa, SCL_ALL, RW_READER), !=, 0);
5529
5530         if (txg > spa_freeze_txg(spa))
5531                 return;
5532
5533         if ((vd = vdev_lookup_top(spa, vdev)) == NULL || !DVA_IS_VALID(dva) ||
5534             (offset >> vd->vdev_ms_shift) >= vd->vdev_ms_count) {
5535                 zfs_panic_recover("metaslab_free_dva(): bad DVA %llu:%llu:%llu",
5536                     (u_longlong_t)vdev, (u_longlong_t)offset,
5537                     (u_longlong_t)size);
5538                 return;
5539         }
5540
5541         ASSERT(!vd->vdev_removing);
5542         ASSERT(vdev_is_concrete(vd));
5543         ASSERT0(vd->vdev_indirect_config.vic_mapping_object);
5544         ASSERT3P(vd->vdev_indirect_mapping, ==, NULL);
5545
5546         if (DVA_GET_GANG(dva))
5547                 size = vdev_psize_to_asize(vd, SPA_GANGBLOCKSIZE);
5548
5549         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
5550
5551         mutex_enter(&msp->ms_lock);
5552         range_tree_remove(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK],
5553             offset, size);
5554         msp->ms_allocating_total -= size;
5555
5556         VERIFY(!msp->ms_condensing);
5557         VERIFY3U(offset, >=, msp->ms_start);
5558         VERIFY3U(offset + size, <=, msp->ms_start + msp->ms_size);
5559         VERIFY3U(range_tree_space(msp->ms_allocatable) + size, <=,
5560             msp->ms_size);
5561         VERIFY0(P2PHASE(offset, 1ULL << vd->vdev_ashift));
5562         VERIFY0(P2PHASE(size, 1ULL << vd->vdev_ashift));
5563         range_tree_add(msp->ms_allocatable, offset, size);
5564         mutex_exit(&msp->ms_lock);
5565 }
5566
5567 /*
5568  * Free the block represented by the given DVA.
5569  */
5570 void
5571 metaslab_free_dva(spa_t *spa, const dva_t *dva, boolean_t checkpoint)
5572 {
5573         uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(dva);
5574         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
5575         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
5576         vdev_t *vd = vdev_lookup_top(spa, vdev);
5577
5578         ASSERT(DVA_IS_VALID(dva));
5579         ASSERT3U(spa_config_held(spa, SCL_ALL, RW_READER), !=, 0);
5580
5581         if (DVA_GET_GANG(dva)) {
5582                 size = vdev_psize_to_asize(vd, SPA_GANGBLOCKSIZE);
5583         }
5584
5585         metaslab_free_impl(vd, offset, size, checkpoint);
5586 }
5587
5588 /*
5589  * Reserve some allocation slots. The reservation system must be called
5590  * before we call into the allocator. If there aren't any available slots
5591  * then the I/O will be throttled until an I/O completes and its slots are
5592  * freed up. The function returns true if it was successful in placing
5593  * the reservation.
5594  */
5595 boolean_t
5596 metaslab_class_throttle_reserve(metaslab_class_t *mc, int slots, int allocator,
5597     zio_t *zio, int flags)
5598 {
5599         metaslab_class_allocator_t *mca = &mc->mc_allocator[allocator];
5600         uint64_t available_slots = 0;
5601         boolean_t slot_reserved = B_FALSE;
5602         uint64_t max = mca->mca_alloc_max_slots;
5603
5604         ASSERT(mc->mc_alloc_throttle_enabled);
5605         mutex_enter(&mc->mc_lock);
5606
5607         uint64_t reserved_slots = zfs_refcount_count(&mca->mca_alloc_slots);
5608         if (reserved_slots < max)
5609                 available_slots = max - reserved_slots;
5610
5611         if (slots <= available_slots || GANG_ALLOCATION(flags) ||
5612             flags & METASLAB_MUST_RESERVE) {
5613                 /*
5614                  * We reserve the slots individually so that we can unreserve
5615                  * them individually when an I/O completes.
5616                  */
5617                 for (int d = 0; d < slots; d++)
5618                         zfs_refcount_add(&mca->mca_alloc_slots, zio);
5619                 zio->io_flags |= ZIO_FLAG_IO_ALLOCATING;
5620                 slot_reserved = B_TRUE;
5621         }
5622
5623         mutex_exit(&mc->mc_lock);
5624         return (slot_reserved);
5625 }
5626
5627 void
5628 metaslab_class_throttle_unreserve(metaslab_class_t *mc, int slots,
5629     int allocator, zio_t *zio)
5630 {
5631         metaslab_class_allocator_t *mca = &mc->mc_allocator[allocator];
5632
5633         ASSERT(mc->mc_alloc_throttle_enabled);
5634         mutex_enter(&mc->mc_lock);
5635         for (int d = 0; d < slots; d++)
5636                 zfs_refcount_remove(&mca->mca_alloc_slots, zio);
5637         mutex_exit(&mc->mc_lock);
5638 }
5639
5640 static int
5641 metaslab_claim_concrete(vdev_t *vd, uint64_t offset, uint64_t size,
5642     uint64_t txg)
5643 {
5644         metaslab_t *msp;
5645         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
5646         int error = 0;
5647
5648         if (offset >> vd->vdev_ms_shift >= vd->vdev_ms_count)
5649                 return (SET_ERROR(ENXIO));
5650
5651         ASSERT3P(vd->vdev_ms, !=, NULL);
5652         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
5653
5654         mutex_enter(&msp->ms_lock);
5655
5656         if ((txg != 0 && spa_writeable(spa)) || !msp->ms_loaded) {
5657                 error = metaslab_activate(msp, 0, METASLAB_WEIGHT_CLAIM);
5658                 if (error == EBUSY) {
5659                         ASSERT(msp->ms_loaded);
5660                         ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
5661                         error = 0;
5662                 }
5663         }
5664
5665         if (error == 0 &&
5666             !range_tree_contains(msp->ms_allocatable, offset, size))
5667                 error = SET_ERROR(ENOENT);
5668
5669         if (error || txg == 0) {        /* txg == 0 indicates dry run */
5670                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
5671                 return (error);
5672         }
5673
5674         VERIFY(!msp->ms_condensing);
5675         VERIFY0(P2PHASE(offset, 1ULL << vd->vdev_ashift));
5676         VERIFY0(P2PHASE(size, 1ULL << vd->vdev_ashift));
5677         VERIFY3U(range_tree_space(msp->ms_allocatable) - size, <=,
5678             msp->ms_size);
5679         range_tree_remove(msp->ms_allocatable, offset, size);
5680         range_tree_clear(msp->ms_trim, offset, size);
5681
5682         if (spa_writeable(spa)) {       /* don't dirty if we're zdb(8) */
5683                 metaslab_class_t *mc = msp->ms_group->mg_class;
5684                 multilist_sublist_t *mls =
5685                     multilist_sublist_lock_obj(mc->mc_metaslab_txg_list, msp);
5686                 if (!multilist_link_active(&msp->ms_class_txg_node)) {
5687                         msp->ms_selected_txg = txg;
5688                         multilist_sublist_insert_head(mls, msp);
5689                 }
5690                 multilist_sublist_unlock(mls);
5691
5692                 if (range_tree_is_empty(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK]))
5693                         vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
5694                 range_tree_add(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK],
5695                     offset, size);
5696                 msp->ms_allocating_total += size;
5697         }
5698
5699         mutex_exit(&msp->ms_lock);
5700
5701         return (0);
5702 }
5703
5704 typedef struct metaslab_claim_cb_arg_t {
5705         uint64_t        mcca_txg;
5706         int             mcca_error;
5707 } metaslab_claim_cb_arg_t;
5708
5709 /* ARGSUSED */
5710 static void
5711 metaslab_claim_impl_cb(uint64_t inner_offset, vdev_t *vd, uint64_t offset,
5712     uint64_t size, void *arg)
5713 {
5714         metaslab_claim_cb_arg_t *mcca_arg = arg;
5715
5716         if (mcca_arg->mcca_error == 0) {
5717                 mcca_arg->mcca_error = metaslab_claim_concrete(vd, offset,
5718                     size, mcca_arg->mcca_txg);
5719         }
5720 }
5721
5722 int
5723 metaslab_claim_impl(vdev_t *vd, uint64_t offset, uint64_t size, uint64_t txg)
5724 {
5725         if (vd->vdev_ops->vdev_op_remap != NULL) {
5726                 metaslab_claim_cb_arg_t arg;
5727
5728                 /*
5729                  * Only zdb(8) can claim on indirect vdevs.  This is used
5730                  * to detect leaks of mapped space (that are not accounted
5731                  * for in the obsolete counts, spacemap, or bpobj).
5732                  */
5733                 ASSERT(!spa_writeable(vd->vdev_spa));
5734                 arg.mcca_error = 0;
5735                 arg.mcca_txg = txg;
5736
5737                 vd->vdev_ops->vdev_op_remap(vd, offset, size,
5738                     metaslab_claim_impl_cb, &arg);
5739
5740                 if (arg.mcca_error == 0) {
5741                         arg.mcca_error = metaslab_claim_concrete(vd,
5742                             offset, size, txg);
5743                 }
5744                 return (arg.mcca_error);
5745         } else {
5746                 return (metaslab_claim_concrete(vd, offset, size, txg));
5747         }
5748 }
5749
5750 /*
5751  * Intent log support: upon opening the pool after a crash, notify the SPA
5752  * of blocks that the intent log has allocated for immediate write, but
5753  * which are still considered free by the SPA because the last transaction
5754  * group didn't commit yet.
5755  */
5756 static int
5757 metaslab_claim_dva(spa_t *spa, const dva_t *dva, uint64_t txg)
5758 {
5759         uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(dva);
5760         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
5761         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
5762         vdev_t *vd;
5763
5764         if ((vd = vdev_lookup_top(spa, vdev)) == NULL) {
5765                 return (SET_ERROR(ENXIO));
5766         }
5767
5768         ASSERT(DVA_IS_VALID(dva));
5769
5770         if (DVA_GET_GANG(dva))
5771                 size = vdev_psize_to_asize(vd, SPA_GANGBLOCKSIZE);
5772
5773         return (metaslab_claim_impl(vd, offset, size, txg));
5774 }
5775
5776 int
5777 metaslab_alloc(spa_t *spa, metaslab_class_t *mc, uint64_t psize, blkptr_t *bp,
5778     int ndvas, uint64_t txg, blkptr_t *hintbp, int flags,
5779     zio_alloc_list_t *zal, zio_t *zio, int allocator)
5780 {
5781         dva_t *dva = bp->blk_dva;
5782         dva_t *hintdva = (hintbp != NULL) ? hintbp->blk_dva : NULL;
5783         int error = 0;
5784
5785         ASSERT(bp->blk_birth == 0);
5786         ASSERT(BP_PHYSICAL_BIRTH(bp) == 0);
5787
5788         spa_config_enter(spa, SCL_ALLOC, FTAG, RW_READER);
5789
5790         if (mc->mc_allocator[allocator].mca_rotor == NULL) {
5791                 /* no vdevs in this class */
5792                 spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
5793                 return (SET_ERROR(ENOSPC));
5794         }
5795
5796         ASSERT(ndvas > 0 && ndvas <= spa_max_replication(spa));
5797         ASSERT(BP_GET_NDVAS(bp) == 0);
5798         ASSERT(hintbp == NULL || ndvas <= BP_GET_NDVAS(hintbp));
5799         ASSERT3P(zal, !=, NULL);
5800
5801         for (int d = 0; d < ndvas; d++) {
5802                 error = metaslab_alloc_dva(spa, mc, psize, dva, d, hintdva,
5803                     txg, flags, zal, allocator);
5804                 if (error != 0) {
5805                         for (d--; d >= 0; d--) {
5806                                 metaslab_unalloc_dva(spa, &dva[d], txg);
5807                                 metaslab_group_alloc_decrement(spa,
5808                                     DVA_GET_VDEV(&dva[d]), zio, flags,
5809                                     allocator, B_FALSE);
5810                                 bzero(&dva[d], sizeof (dva_t));
5811                         }
5812                         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
5813                         return (error);
5814                 } else {
5815                         /*
5816                          * Update the metaslab group's queue depth
5817                          * based on the newly allocated dva.
5818                          */
5819                         metaslab_group_alloc_increment(spa,
5820                             DVA_GET_VDEV(&dva[d]), zio, flags, allocator);
5821                 }
5822         }
5823         ASSERT(error == 0);
5824         ASSERT(BP_GET_NDVAS(bp) == ndvas);
5825
5826         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
5827
5828         BP_SET_BIRTH(bp, txg, 0);
5829
5830         return (0);
5831 }
5832
5833 void
5834 metaslab_free(spa_t *spa, const blkptr_t *bp, uint64_t txg, boolean_t now)
5835 {
5836         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
5837         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
5838
5839         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
5840         ASSERT(!now || bp->blk_birth >= spa_syncing_txg(spa));
5841
5842         /*
5843          * If we have a checkpoint for the pool we need to make sure that
5844          * the blocks that we free that are part of the checkpoint won't be
5845          * reused until the checkpoint is discarded or we revert to it.
5846          *
5847          * The checkpoint flag is passed down the metaslab_free code path
5848          * and is set whenever we want to add a block to the checkpoint's
5849          * accounting. That is, we "checkpoint" blocks that existed at the
5850          * time the checkpoint was created and are therefore referenced by
5851          * the checkpointed uberblock.
5852          *
5853          * Note that, we don't checkpoint any blocks if the current
5854          * syncing txg <= spa_checkpoint_txg. We want these frees to sync
5855          * normally as they will be referenced by the checkpointed uberblock.
5856          */
5857         boolean_t checkpoint = B_FALSE;
5858         if (bp->blk_birth <= spa->spa_checkpoint_txg &&
5859             spa_syncing_txg(spa) > spa->spa_checkpoint_txg) {
5860                 /*
5861                  * At this point, if the block is part of the checkpoint
5862                  * there is no way it was created in the current txg.
5863                  */
5864                 ASSERT(!now);
5865                 ASSERT3U(spa_syncing_txg(spa), ==, txg);
5866                 checkpoint = B_TRUE;
5867         }
5868
5869         spa_config_enter(spa, SCL_FREE, FTAG, RW_READER);
5870
5871         for (int d = 0; d < ndvas; d++) {
5872                 if (now) {
5873                         metaslab_unalloc_dva(spa, &dva[d], txg);
5874                 } else {
5875                         ASSERT3U(txg, ==, spa_syncing_txg(spa));
5876                         metaslab_free_dva(spa, &dva[d], checkpoint);
5877                 }
5878         }
5879
5880         spa_config_exit(spa, SCL_FREE, FTAG);
5881 }
5882
5883 int
5884 metaslab_claim(spa_t *spa, const blkptr_t *bp, uint64_t txg)
5885 {
5886         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
5887         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
5888         int error = 0;
5889
5890         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
5891
5892         if (txg != 0) {
5893                 /*
5894                  * First do a dry run to make sure all DVAs are claimable,
5895                  * so we don't have to unwind from partial failures below.
5896                  */
5897                 if ((error = metaslab_claim(spa, bp, 0)) != 0)
5898                         return (error);
5899         }
5900
5901         spa_config_enter(spa, SCL_ALLOC, FTAG, RW_READER);
5902
5903         for (int d = 0; d < ndvas; d++) {
5904                 error = metaslab_claim_dva(spa, &dva[d], txg);
5905                 if (error != 0)
5906                         break;
5907         }
5908
5909         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
5910
5911         ASSERT(error == 0 || txg == 0);
5912
5913         return (error);
5914 }
5915
5916 void
5917 metaslab_fastwrite_mark(spa_t *spa, const blkptr_t *bp)
5918 {
5919         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
5920         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
5921         uint64_t psize = BP_GET_PSIZE(bp);
5922         int d;
5923         vdev_t *vd;
5924
5925         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
5926         ASSERT(!BP_IS_EMBEDDED(bp));
5927         ASSERT(psize > 0);
5928
5929         spa_config_enter(spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
5930
5931         for (d = 0; d < ndvas; d++) {
5932                 if ((vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&dva[d]))) == NULL)
5933                         continue;
5934                 atomic_add_64(&vd->vdev_pending_fastwrite, psize);
5935         }
5936
5937         spa_config_exit(spa, SCL_VDEV, FTAG);
5938 }
5939
5940 void
5941 metaslab_fastwrite_unmark(spa_t *spa, const blkptr_t *bp)
5942 {
5943         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
5944         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
5945         uint64_t psize = BP_GET_PSIZE(bp);
5946         int d;
5947         vdev_t *vd;
5948
5949         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
5950         ASSERT(!BP_IS_EMBEDDED(bp));
5951         ASSERT(psize > 0);
5952
5953         spa_config_enter(spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
5954
5955         for (d = 0; d < ndvas; d++) {
5956                 if ((vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&dva[d]))) == NULL)
5957                         continue;
5958                 ASSERT3U(vd->vdev_pending_fastwrite, >=, psize);
5959                 atomic_sub_64(&vd->vdev_pending_fastwrite, psize);
5960         }
5961
5962         spa_config_exit(spa, SCL_VDEV, FTAG);
5963 }
5964
5965 /* ARGSUSED */
5966 static void
5967 metaslab_check_free_impl_cb(uint64_t inner, vdev_t *vd, uint64_t offset,
5968     uint64_t size, void *arg)
5969 {
5970         if (vd->vdev_ops == &vdev_indirect_ops)
5971                 return;
5972
5973         metaslab_check_free_impl(vd, offset, size);
5974 }
5975
5976 static void
5977 metaslab_check_free_impl(vdev_t *vd, uint64_t offset, uint64_t size)
5978 {
5979         metaslab_t *msp;
5980         spa_t *spa __maybe_unused = vd->vdev_spa;
5981
5982         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_ZIO_FREE) == 0)
5983                 return;
5984
5985         if (vd->vdev_ops->vdev_op_remap != NULL) {
5986                 vd->vdev_ops->vdev_op_remap(vd, offset, size,
5987                     metaslab_check_free_impl_cb, NULL);
5988                 return;
5989         }
5990
5991         ASSERT(vdev_is_concrete(vd));
5992         ASSERT3U(offset >> vd->vdev_ms_shift, <, vd->vdev_ms_count);
5993         ASSERT3U(spa_config_held(spa, SCL_ALL, RW_READER), !=, 0);
5994
5995         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
5996
5997         mutex_enter(&msp->ms_lock);
5998         if (msp->ms_loaded) {
5999                 range_tree_verify_not_present(msp->ms_allocatable,
6000                     offset, size);
6001         }
6002
6003         /*
6004          * Check all segments that currently exist in the freeing pipeline.
6005          *
6006          * It would intuitively make sense to also check the current allocating
6007          * tree since metaslab_unalloc_dva() exists for extents that are
6008          * allocated and freed in the same sync pass within the same txg.
6009          * Unfortunately there are places (e.g. the ZIL) where we allocate a
6010          * segment but then we free part of it within the same txg
6011          * [see zil_sync()]. Thus, we don't call range_tree_verify() in the
6012          * current allocating tree.
6013          */
6014         range_tree_verify_not_present(msp->ms_freeing, offset, size);
6015         range_tree_verify_not_present(msp->ms_checkpointing, offset, size);
6016         range_tree_verify_not_present(msp->ms_freed, offset, size);
6017         for (int j = 0; j < TXG_DEFER_SIZE; j++)
6018                 range_tree_verify_not_present(msp->ms_defer[j], offset, size);
6019         range_tree_verify_not_present(msp->ms_trim, offset, size);
6020         mutex_exit(&msp->ms_lock);
6021 }
6022
6023 void
6024 metaslab_check_free(spa_t *spa, const blkptr_t *bp)
6025 {
6026         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_ZIO_FREE) == 0)
6027                 return;
6028
6029         spa_config_enter(spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
6030         for (int i = 0; i < BP_GET_NDVAS(bp); i++) {
6031                 uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(&bp->blk_dva[i]);
6032                 vdev_t *vd = vdev_lookup_top(spa, vdev);
6033                 uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(&bp->blk_dva[i]);
6034                 uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(&bp->blk_dva[i]);
6035
6036                 if (DVA_GET_GANG(&bp->blk_dva[i]))
6037                         size = vdev_psize_to_asize(vd, SPA_GANGBLOCKSIZE);
6038
6039                 ASSERT3P(vd, !=, NULL);
6040
6041                 metaslab_check_free_impl(vd, offset, size);
6042         }
6043         spa_config_exit(spa, SCL_VDEV, FTAG);
6044 }
6045
6046 static void
6047 metaslab_group_disable_wait(metaslab_group_t *mg)
6048 {
6049         ASSERT(MUTEX_HELD(&mg->mg_ms_disabled_lock));
6050         while (mg->mg_disabled_updating) {
6051                 cv_wait(&mg->mg_ms_disabled_cv, &mg->mg_ms_disabled_lock);
6052         }
6053 }
6054
6055 static void
6056 metaslab_group_disabled_increment(metaslab_group_t *mg)
6057 {
6058         ASSERT(MUTEX_HELD(&mg->mg_ms_disabled_lock));
6059         ASSERT(mg->mg_disabled_updating);
6060
6061         while (mg->mg_ms_disabled >= max_disabled_ms) {
6062                 cv_wait(&mg->mg_ms_disabled_cv, &mg->mg_ms_disabled_lock);
6063         }
6064         mg->mg_ms_disabled++;
6065         ASSERT3U(mg->mg_ms_disabled, <=, max_disabled_ms);
6066 }
6067
6068 /*
6069  * Mark the metaslab as disabled to prevent any allocations on this metaslab.
6070  * We must also track how many metaslabs are currently disabled within a
6071  * metaslab group and limit them to prevent allocation failures from
6072  * occurring because all metaslabs are disabled.
6073  */
6074 void
6075 metaslab_disable(metaslab_t *msp)
6076 {
6077         ASSERT(!MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
6078         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
6079
6080         mutex_enter(&mg->mg_ms_disabled_lock);
6081
6082         /*
6083          * To keep an accurate count of how many threads have disabled
6084          * a specific metaslab group, we only allow one thread to mark
6085          * the metaslab group at a time. This ensures that the value of
6086          * ms_disabled will be accurate when we decide to mark a metaslab
6087          * group as disabled. To do this we force all other threads
6088          * to wait till the metaslab's mg_disabled_updating flag is no
6089          * longer set.
6090          */
6091         metaslab_group_disable_wait(mg);
6092         mg->mg_disabled_updating = B_TRUE;
6093         if (msp->ms_disabled == 0) {
6094                 metaslab_group_disabled_increment(mg);
6095         }
6096         mutex_enter(&msp->ms_lock);
6097         msp->ms_disabled++;
6098         mutex_exit(&msp->ms_lock);
6099
6100         mg->mg_disabled_updating = B_FALSE;
6101         cv_broadcast(&mg->mg_ms_disabled_cv);
6102         mutex_exit(&mg->mg_ms_disabled_lock);
6103 }
6104
6105 void
6106 metaslab_enable(metaslab_t *msp, boolean_t sync, boolean_t unload)
6107 {
6108         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
6109         spa_t *spa = mg->mg_vd->vdev_spa;
6110
6111         /*
6112          * Wait for the outstanding IO to be synced to prevent newly
6113          * allocated blocks from being overwritten.  This used by
6114          * initialize and TRIM which are modifying unallocated space.
6115          */
6116         if (sync)
6117                 txg_wait_synced(spa_get_dsl(spa), 0);
6118
6119         mutex_enter(&mg->mg_ms_disabled_lock);
6120         mutex_enter(&msp->ms_lock);
6121         if (--msp->ms_disabled == 0) {
6122                 mg->mg_ms_disabled--;
6123                 cv_broadcast(&mg->mg_ms_disabled_cv);
6124                 if (unload)
6125                         metaslab_unload(msp);
6126         }
6127         mutex_exit(&msp->ms_lock);
6128         mutex_exit(&mg->mg_ms_disabled_lock);
6129 }
6130
6131 static void
6132 metaslab_update_ondisk_flush_data(metaslab_t *ms, dmu_tx_t *tx)
6133 {
6134         vdev_t *vd = ms->ms_group->mg_vd;
6135         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
6136         objset_t *mos = spa_meta_objset(spa);
6137
6138         ASSERT(spa_feature_is_active(spa, SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP));
6139
6140         metaslab_unflushed_phys_t entry = {
6141                 .msp_unflushed_txg = metaslab_unflushed_txg(ms),
6142         };
6143         uint64_t entry_size = sizeof (entry);
6144         uint64_t entry_offset = ms->ms_id * entry_size;
6145
6146         uint64_t object = 0;
6147         int err = zap_lookup(mos, vd->vdev_top_zap,
6148             VDEV_TOP_ZAP_MS_UNFLUSHED_PHYS_TXGS, sizeof (uint64_t), 1,
6149             &object);
6150         if (err == ENOENT) {
6151                 object = dmu_object_alloc(mos, DMU_OTN_UINT64_METADATA,
6152                     SPA_OLD_MAXBLOCKSIZE, DMU_OT_NONE, 0, tx);
6153                 VERIFY0(zap_add(mos, vd->vdev_top_zap,
6154                     VDEV_TOP_ZAP_MS_UNFLUSHED_PHYS_TXGS, sizeof (uint64_t), 1,
6155                     &object, tx));
6156         } else {
6157                 VERIFY0(err);
6158         }
6159
6160         dmu_write(spa_meta_objset(spa), object, entry_offset, entry_size,
6161             &entry, tx);
6162 }
6163
6164 void
6165 metaslab_set_unflushed_txg(metaslab_t *ms, uint64_t txg, dmu_tx_t *tx)
6166 {
6167         spa_t *spa = ms->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
6168
6169         if (!spa_feature_is_active(spa, SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP))
6170                 return;
6171
6172         ms->ms_unflushed_txg = txg;
6173         metaslab_update_ondisk_flush_data(ms, tx);
6174 }
6175
6176 uint64_t
6177 metaslab_unflushed_txg(metaslab_t *ms)
6178 {
6179         return (ms->ms_unflushed_txg);
6180 }
6181
6182 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, aliquot, ULONG, ZMOD_RW,
6183         "Allocation granularity (a.k.a. stripe size)");
6184
6185 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, debug_load, INT, ZMOD_RW,
6186         "Load all metaslabs when pool is first opened");
6187
6188 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, debug_unload, INT, ZMOD_RW,
6189         "Prevent metaslabs from being unloaded");
6190
6191 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, preload_enabled, INT, ZMOD_RW,
6192         "Preload potential metaslabs during reassessment");
6193
6194 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, unload_delay, INT, ZMOD_RW,
6195         "Delay in txgs after metaslab was last used before unloading");
6196
6197 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, unload_delay_ms, INT, ZMOD_RW,
6198         "Delay in milliseconds after metaslab was last used before unloading");
6199
6200 /* BEGIN CSTYLED */
6201 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_mg, zfs_mg_, noalloc_threshold, INT, ZMOD_RW,
6202         "Percentage of metaslab group size that should be free to make it "
6203         "eligible for allocation");
6204
6205 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_mg, zfs_mg_, fragmentation_threshold, INT, ZMOD_RW,
6206         "Percentage of metaslab group size that should be considered eligible "
6207         "for allocations unless all metaslab groups within the metaslab class "
6208         "have also crossed this threshold");
6209
6210 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, zfs_metaslab_, fragmentation_threshold, INT,
6211          ZMOD_RW, "Fragmentation for metaslab to allow allocation");
6212
6213 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, fragmentation_factor_enabled, INT, ZMOD_RW,
6214         "Use the fragmentation metric to prefer less fragmented metaslabs");
6215 /* END CSTYLED */
6216
6217 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, lba_weighting_enabled, INT, ZMOD_RW,
6218         "Prefer metaslabs with lower LBAs");
6219
6220 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, bias_enabled, INT, ZMOD_RW,
6221         "Enable metaslab group biasing");
6222
6223 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, zfs_metaslab_, segment_weight_enabled, INT,
6224         ZMOD_RW, "Enable segment-based metaslab selection");
6225
6226 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, zfs_metaslab_, switch_threshold, INT, ZMOD_RW,
6227         "Segment-based metaslab selection maximum buckets before switching");
6228
6229 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, force_ganging, ULONG, ZMOD_RW,
6230         "Blocks larger than this size are forced to be gang blocks");
6231
6232 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, df_max_search, INT, ZMOD_RW,
6233         "Max distance (bytes) to search forward before using size tree");
6234
6235 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, df_use_largest_segment, INT, ZMOD_RW,
6236         "When looking in size tree, use largest segment instead of exact fit");
6237
6238 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, zfs_metaslab_, max_size_cache_sec, ULONG,
6239         ZMOD_RW, "How long to trust the cached max chunk size of a metaslab");
6240
6241 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, zfs_metaslab_, mem_limit, INT, ZMOD_RW,
6242         "Percentage of memory that can be used to store metaslab range trees");
6243
6244 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, zfs_metaslab_, try_hard_before_gang, INT,
6245         ZMOD_RW, "Try hard to allocate before ganging");
6246
6247 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, zfs_metaslab_, find_max_tries, INT, ZMOD_RW,
6248         "Normally only consider this many of the best metaslabs in each vdev");