]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - module/zfs/metaslab.c
Add TASKQID_INVALID
[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, 2015 by Delphix. All rights reserved.
24  * Copyright (c) 2013 by Saso Kiselkov. All rights reserved.
25  */
26
27 #include <sys/zfs_context.h>
28 #include <sys/dmu.h>
29 #include <sys/dmu_tx.h>
30 #include <sys/space_map.h>
31 #include <sys/metaslab_impl.h>
32 #include <sys/vdev_impl.h>
33 #include <sys/zio.h>
34 #include <sys/spa_impl.h>
35 #include <sys/zfeature.h>
36
37 #define WITH_DF_BLOCK_ALLOCATOR
38
39 #define GANG_ALLOCATION(flags) \
40         ((flags) & (METASLAB_GANG_CHILD | METASLAB_GANG_HEADER))
41
42 #define METASLAB_WEIGHT_PRIMARY         (1ULL << 63)
43 #define METASLAB_WEIGHT_SECONDARY       (1ULL << 62)
44 #define METASLAB_ACTIVE_MASK            \
45         (METASLAB_WEIGHT_PRIMARY | METASLAB_WEIGHT_SECONDARY)
46
47 /*
48  * Metaslab granularity, in bytes. This is roughly similar to what would be
49  * referred to as the "stripe size" in traditional RAID arrays. In normal
50  * operation, we will try to write this amount of data to a top-level vdev
51  * before moving on to the next one.
52  */
53 unsigned long metaslab_aliquot = 512 << 10;
54
55 uint64_t metaslab_gang_bang = SPA_MAXBLOCKSIZE + 1;     /* force gang blocks */
56
57 /*
58  * The in-core space map representation is more compact than its on-disk form.
59  * The zfs_condense_pct determines how much more compact the in-core
60  * space_map representation must be before we compact it on-disk.
61  * Values should be greater than or equal to 100.
62  */
63 int zfs_condense_pct = 200;
64
65 /*
66  * Condensing a metaslab is not guaranteed to actually reduce the amount of
67  * space used on disk. In particular, a space map uses data in increments of
68  * MAX(1 << ashift, space_map_blksz), so a metaslab might use the
69  * same number of blocks after condensing. Since the goal of condensing is to
70  * reduce the number of IOPs required to read the space map, we only want to
71  * condense when we can be sure we will reduce the number of blocks used by the
72  * space map. Unfortunately, we cannot precisely compute whether or not this is
73  * the case in metaslab_should_condense since we are holding ms_lock. Instead,
74  * we apply the following heuristic: do not condense a spacemap unless the
75  * uncondensed size consumes greater than zfs_metaslab_condense_block_threshold
76  * blocks.
77  */
78 int zfs_metaslab_condense_block_threshold = 4;
79
80 /*
81  * The zfs_mg_noalloc_threshold defines which metaslab groups should
82  * be eligible for allocation. The value is defined as a percentage of
83  * free space. Metaslab groups that have more free space than
84  * zfs_mg_noalloc_threshold are always eligible for allocations. Once
85  * a metaslab group's free space is less than or equal to the
86  * zfs_mg_noalloc_threshold the allocator will avoid allocating to that
87  * group unless all groups in the pool have reached zfs_mg_noalloc_threshold.
88  * Once all groups in the pool reach zfs_mg_noalloc_threshold then all
89  * groups are allowed to accept allocations. Gang blocks are always
90  * eligible to allocate on any metaslab group. The default value of 0 means
91  * no metaslab group will be excluded based on this criterion.
92  */
93 int zfs_mg_noalloc_threshold = 0;
94
95 /*
96  * Metaslab groups are considered eligible for allocations if their
97  * fragmenation metric (measured as a percentage) is less than or equal to
98  * zfs_mg_fragmentation_threshold. If a metaslab group exceeds this threshold
99  * then it will be skipped unless all metaslab groups within the metaslab
100  * class have also crossed this threshold.
101  */
102 int zfs_mg_fragmentation_threshold = 85;
103
104 /*
105  * Allow metaslabs to keep their active state as long as their fragmentation
106  * percentage is less than or equal to zfs_metaslab_fragmentation_threshold. An
107  * active metaslab that exceeds this threshold will no longer keep its active
108  * status allowing better metaslabs to be selected.
109  */
110 int zfs_metaslab_fragmentation_threshold = 70;
111
112 /*
113  * When set will load all metaslabs when pool is first opened.
114  */
115 int metaslab_debug_load = 0;
116
117 /*
118  * When set will prevent metaslabs from being unloaded.
119  */
120 int metaslab_debug_unload = 0;
121
122 /*
123  * Minimum size which forces the dynamic allocator to change
124  * it's allocation strategy.  Once the space map cannot satisfy
125  * an allocation of this size then it switches to using more
126  * aggressive strategy (i.e search by size rather than offset).
127  */
128 uint64_t metaslab_df_alloc_threshold = SPA_MAXBLOCKSIZE;
129
130 /*
131  * The minimum free space, in percent, which must be available
132  * in a space map to continue allocations in a first-fit fashion.
133  * Once the space_map's free space drops below this level we dynamically
134  * switch to using best-fit allocations.
135  */
136 int metaslab_df_free_pct = 4;
137
138 /*
139  * Percentage of all cpus that can be used by the metaslab taskq.
140  */
141 int metaslab_load_pct = 50;
142
143 /*
144  * Determines how many txgs a metaslab may remain loaded without having any
145  * allocations from it. As long as a metaslab continues to be used we will
146  * keep it loaded.
147  */
148 int metaslab_unload_delay = TXG_SIZE * 2;
149
150 /*
151  * Max number of metaslabs per group to preload.
152  */
153 int metaslab_preload_limit = SPA_DVAS_PER_BP;
154
155 /*
156  * Enable/disable preloading of metaslab.
157  */
158 int metaslab_preload_enabled = B_TRUE;
159
160 /*
161  * Enable/disable fragmentation weighting on metaslabs.
162  */
163 int metaslab_fragmentation_factor_enabled = B_TRUE;
164
165 /*
166  * Enable/disable lba weighting (i.e. outer tracks are given preference).
167  */
168 int metaslab_lba_weighting_enabled = B_TRUE;
169
170 /*
171  * Enable/disable metaslab group biasing.
172  */
173 int metaslab_bias_enabled = B_TRUE;
174
175 static uint64_t metaslab_fragmentation(metaslab_t *);
176
177 /*
178  * ==========================================================================
179  * Metaslab classes
180  * ==========================================================================
181  */
182 metaslab_class_t *
183 metaslab_class_create(spa_t *spa, metaslab_ops_t *ops)
184 {
185         metaslab_class_t *mc;
186
187         mc = kmem_zalloc(sizeof (metaslab_class_t), KM_SLEEP);
188
189         mc->mc_spa = spa;
190         mc->mc_rotor = NULL;
191         mc->mc_ops = ops;
192         mutex_init(&mc->mc_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
193         refcount_create_tracked(&mc->mc_alloc_slots);
194
195         return (mc);
196 }
197
198 void
199 metaslab_class_destroy(metaslab_class_t *mc)
200 {
201         ASSERT(mc->mc_rotor == NULL);
202         ASSERT(mc->mc_alloc == 0);
203         ASSERT(mc->mc_deferred == 0);
204         ASSERT(mc->mc_space == 0);
205         ASSERT(mc->mc_dspace == 0);
206
207         refcount_destroy(&mc->mc_alloc_slots);
208         mutex_destroy(&mc->mc_lock);
209         kmem_free(mc, sizeof (metaslab_class_t));
210 }
211
212 int
213 metaslab_class_validate(metaslab_class_t *mc)
214 {
215         metaslab_group_t *mg;
216         vdev_t *vd;
217
218         /*
219          * Must hold one of the spa_config locks.
220          */
221         ASSERT(spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALL, RW_READER) ||
222             spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALL, RW_WRITER));
223
224         if ((mg = mc->mc_rotor) == NULL)
225                 return (0);
226
227         do {
228                 vd = mg->mg_vd;
229                 ASSERT(vd->vdev_mg != NULL);
230                 ASSERT3P(vd->vdev_top, ==, vd);
231                 ASSERT3P(mg->mg_class, ==, mc);
232                 ASSERT3P(vd->vdev_ops, !=, &vdev_hole_ops);
233         } while ((mg = mg->mg_next) != mc->mc_rotor);
234
235         return (0);
236 }
237
238 void
239 metaslab_class_space_update(metaslab_class_t *mc, int64_t alloc_delta,
240     int64_t defer_delta, int64_t space_delta, int64_t dspace_delta)
241 {
242         atomic_add_64(&mc->mc_alloc, alloc_delta);
243         atomic_add_64(&mc->mc_deferred, defer_delta);
244         atomic_add_64(&mc->mc_space, space_delta);
245         atomic_add_64(&mc->mc_dspace, dspace_delta);
246 }
247
248 uint64_t
249 metaslab_class_get_alloc(metaslab_class_t *mc)
250 {
251         return (mc->mc_alloc);
252 }
253
254 uint64_t
255 metaslab_class_get_deferred(metaslab_class_t *mc)
256 {
257         return (mc->mc_deferred);
258 }
259
260 uint64_t
261 metaslab_class_get_space(metaslab_class_t *mc)
262 {
263         return (mc->mc_space);
264 }
265
266 uint64_t
267 metaslab_class_get_dspace(metaslab_class_t *mc)
268 {
269         return (spa_deflate(mc->mc_spa) ? mc->mc_dspace : mc->mc_space);
270 }
271
272 void
273 metaslab_class_histogram_verify(metaslab_class_t *mc)
274 {
275         vdev_t *rvd = mc->mc_spa->spa_root_vdev;
276         uint64_t *mc_hist;
277         int i, c;
278
279         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_HISTOGRAM_VERIFY) == 0)
280                 return;
281
282         mc_hist = kmem_zalloc(sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE,
283             KM_SLEEP);
284
285         for (c = 0; c < rvd->vdev_children; c++) {
286                 vdev_t *tvd = rvd->vdev_child[c];
287                 metaslab_group_t *mg = tvd->vdev_mg;
288
289                 /*
290                  * Skip any holes, uninitialized top-levels, or
291                  * vdevs that are not in this metalab class.
292                  */
293                 if (tvd->vdev_ishole || tvd->vdev_ms_shift == 0 ||
294                     mg->mg_class != mc) {
295                         continue;
296                 }
297
298                 for (i = 0; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i++)
299                         mc_hist[i] += mg->mg_histogram[i];
300         }
301
302         for (i = 0; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i++)
303                 VERIFY3U(mc_hist[i], ==, mc->mc_histogram[i]);
304
305         kmem_free(mc_hist, sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE);
306 }
307
308 /*
309  * Calculate the metaslab class's fragmentation metric. The metric
310  * is weighted based on the space contribution of each metaslab group.
311  * The return value will be a number between 0 and 100 (inclusive), or
312  * ZFS_FRAG_INVALID if the metric has not been set. See comment above the
313  * zfs_frag_table for more information about the metric.
314  */
315 uint64_t
316 metaslab_class_fragmentation(metaslab_class_t *mc)
317 {
318         vdev_t *rvd = mc->mc_spa->spa_root_vdev;
319         uint64_t fragmentation = 0;
320         int c;
321
322         spa_config_enter(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
323
324         for (c = 0; c < rvd->vdev_children; c++) {
325                 vdev_t *tvd = rvd->vdev_child[c];
326                 metaslab_group_t *mg = tvd->vdev_mg;
327
328                 /*
329                  * Skip any holes, uninitialized top-levels, or
330                  * vdevs that are not in this metalab class.
331                  */
332                 if (tvd->vdev_ishole || tvd->vdev_ms_shift == 0 ||
333                     mg->mg_class != mc) {
334                         continue;
335                 }
336
337                 /*
338                  * If a metaslab group does not contain a fragmentation
339                  * metric then just bail out.
340                  */
341                 if (mg->mg_fragmentation == ZFS_FRAG_INVALID) {
342                         spa_config_exit(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG);
343                         return (ZFS_FRAG_INVALID);
344                 }
345
346                 /*
347                  * Determine how much this metaslab_group is contributing
348                  * to the overall pool fragmentation metric.
349                  */
350                 fragmentation += mg->mg_fragmentation *
351                     metaslab_group_get_space(mg);
352         }
353         fragmentation /= metaslab_class_get_space(mc);
354
355         ASSERT3U(fragmentation, <=, 100);
356         spa_config_exit(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG);
357         return (fragmentation);
358 }
359
360 /*
361  * Calculate the amount of expandable space that is available in
362  * this metaslab class. If a device is expanded then its expandable
363  * space will be the amount of allocatable space that is currently not
364  * part of this metaslab class.
365  */
366 uint64_t
367 metaslab_class_expandable_space(metaslab_class_t *mc)
368 {
369         vdev_t *rvd = mc->mc_spa->spa_root_vdev;
370         uint64_t space = 0;
371         int c;
372
373         spa_config_enter(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
374         for (c = 0; c < rvd->vdev_children; c++) {
375                 vdev_t *tvd = rvd->vdev_child[c];
376                 metaslab_group_t *mg = tvd->vdev_mg;
377
378                 if (tvd->vdev_ishole || tvd->vdev_ms_shift == 0 ||
379                     mg->mg_class != mc) {
380                         continue;
381                 }
382
383                 space += tvd->vdev_max_asize - tvd->vdev_asize;
384         }
385         spa_config_exit(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG);
386         return (space);
387 }
388
389 /*
390  * ==========================================================================
391  * Metaslab groups
392  * ==========================================================================
393  */
394 static int
395 metaslab_compare(const void *x1, const void *x2)
396 {
397         const metaslab_t *m1 = (const metaslab_t *)x1;
398         const metaslab_t *m2 = (const metaslab_t *)x2;
399
400         int cmp = AVL_CMP(m2->ms_weight, m1->ms_weight);
401         if (likely(cmp))
402                 return (cmp);
403
404         IMPLY(AVL_CMP(m1->ms_start, m2->ms_start) == 0, m1 == m2);
405
406         return (AVL_CMP(m1->ms_start, m2->ms_start));
407 }
408
409 /*
410  * Update the allocatable flag and the metaslab group's capacity.
411  * The allocatable flag is set to true if the capacity is below
412  * the zfs_mg_noalloc_threshold or has a fragmentation value that is
413  * greater than zfs_mg_fragmentation_threshold. If a metaslab group
414  * transitions from allocatable to non-allocatable or vice versa then the
415  * metaslab group's class is updated to reflect the transition.
416  */
417 static void
418 metaslab_group_alloc_update(metaslab_group_t *mg)
419 {
420         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
421         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
422         vdev_stat_t *vs = &vd->vdev_stat;
423         boolean_t was_allocatable;
424         boolean_t was_initialized;
425
426         ASSERT(vd == vd->vdev_top);
427
428         mutex_enter(&mg->mg_lock);
429         was_allocatable = mg->mg_allocatable;
430         was_initialized = mg->mg_initialized;
431
432         mg->mg_free_capacity = ((vs->vs_space - vs->vs_alloc) * 100) /
433             (vs->vs_space + 1);
434
435         mutex_enter(&mc->mc_lock);
436
437         /*
438          * If the metaslab group was just added then it won't
439          * have any space until we finish syncing out this txg.
440          * At that point we will consider it initialized and available
441          * for allocations.  We also don't consider non-activated
442          * metaslab groups (e.g. vdevs that are in the middle of being removed)
443          * to be initialized, because they can't be used for allocation.
444          */
445         mg->mg_initialized = metaslab_group_initialized(mg);
446         if (!was_initialized && mg->mg_initialized) {
447                 mc->mc_groups++;
448         } else if (was_initialized && !mg->mg_initialized) {
449                 ASSERT3U(mc->mc_groups, >, 0);
450                 mc->mc_groups--;
451         }
452         if (mg->mg_initialized)
453                 mg->mg_no_free_space = B_FALSE;
454
455         /*
456          * A metaslab group is considered allocatable if it has plenty
457          * of free space or is not heavily fragmented. We only take
458          * fragmentation into account if the metaslab group has a valid
459          * fragmentation metric (i.e. a value between 0 and 100).
460          */
461         mg->mg_allocatable = (mg->mg_activation_count > 0 &&
462             mg->mg_free_capacity > zfs_mg_noalloc_threshold &&
463             (mg->mg_fragmentation == ZFS_FRAG_INVALID ||
464             mg->mg_fragmentation <= zfs_mg_fragmentation_threshold));
465
466         /*
467          * The mc_alloc_groups maintains a count of the number of
468          * groups in this metaslab class that are still above the
469          * zfs_mg_noalloc_threshold. This is used by the allocating
470          * threads to determine if they should avoid allocations to
471          * a given group. The allocator will avoid allocations to a group
472          * if that group has reached or is below the zfs_mg_noalloc_threshold
473          * and there are still other groups that are above the threshold.
474          * When a group transitions from allocatable to non-allocatable or
475          * vice versa we update the metaslab class to reflect that change.
476          * When the mc_alloc_groups value drops to 0 that means that all
477          * groups have reached the zfs_mg_noalloc_threshold making all groups
478          * eligible for allocations. This effectively means that all devices
479          * are balanced again.
480          */
481         if (was_allocatable && !mg->mg_allocatable)
482                 mc->mc_alloc_groups--;
483         else if (!was_allocatable && mg->mg_allocatable)
484                 mc->mc_alloc_groups++;
485         mutex_exit(&mc->mc_lock);
486
487         mutex_exit(&mg->mg_lock);
488 }
489
490 metaslab_group_t *
491 metaslab_group_create(metaslab_class_t *mc, vdev_t *vd)
492 {
493         metaslab_group_t *mg;
494
495         mg = kmem_zalloc(sizeof (metaslab_group_t), KM_SLEEP);
496         mutex_init(&mg->mg_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
497         avl_create(&mg->mg_metaslab_tree, metaslab_compare,
498             sizeof (metaslab_t), offsetof(struct metaslab, ms_group_node));
499         mg->mg_vd = vd;
500         mg->mg_class = mc;
501         mg->mg_activation_count = 0;
502         mg->mg_initialized = B_FALSE;
503         mg->mg_no_free_space = B_TRUE;
504         refcount_create_tracked(&mg->mg_alloc_queue_depth);
505
506         mg->mg_taskq = taskq_create("metaslab_group_taskq", metaslab_load_pct,
507             maxclsyspri, 10, INT_MAX, TASKQ_THREADS_CPU_PCT | TASKQ_DYNAMIC);
508
509         return (mg);
510 }
511
512 void
513 metaslab_group_destroy(metaslab_group_t *mg)
514 {
515         ASSERT(mg->mg_prev == NULL);
516         ASSERT(mg->mg_next == NULL);
517         /*
518          * We may have gone below zero with the activation count
519          * either because we never activated in the first place or
520          * because we're done, and possibly removing the vdev.
521          */
522         ASSERT(mg->mg_activation_count <= 0);
523
524         taskq_destroy(mg->mg_taskq);
525         avl_destroy(&mg->mg_metaslab_tree);
526         mutex_destroy(&mg->mg_lock);
527         refcount_destroy(&mg->mg_alloc_queue_depth);
528         kmem_free(mg, sizeof (metaslab_group_t));
529 }
530
531 void
532 metaslab_group_activate(metaslab_group_t *mg)
533 {
534         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
535         metaslab_group_t *mgprev, *mgnext;
536
537         ASSERT(spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALLOC, RW_WRITER));
538
539         ASSERT(mc->mc_rotor != mg);
540         ASSERT(mg->mg_prev == NULL);
541         ASSERT(mg->mg_next == NULL);
542         ASSERT(mg->mg_activation_count <= 0);
543
544         if (++mg->mg_activation_count <= 0)
545                 return;
546
547         mg->mg_aliquot = metaslab_aliquot * MAX(1, mg->mg_vd->vdev_children);
548         metaslab_group_alloc_update(mg);
549
550         if ((mgprev = mc->mc_rotor) == NULL) {
551                 mg->mg_prev = mg;
552                 mg->mg_next = mg;
553         } else {
554                 mgnext = mgprev->mg_next;
555                 mg->mg_prev = mgprev;
556                 mg->mg_next = mgnext;
557                 mgprev->mg_next = mg;
558                 mgnext->mg_prev = mg;
559         }
560         mc->mc_rotor = mg;
561 }
562
563 void
564 metaslab_group_passivate(metaslab_group_t *mg)
565 {
566         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
567         metaslab_group_t *mgprev, *mgnext;
568
569         ASSERT(spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALLOC, RW_WRITER));
570
571         if (--mg->mg_activation_count != 0) {
572                 ASSERT(mc->mc_rotor != mg);
573                 ASSERT(mg->mg_prev == NULL);
574                 ASSERT(mg->mg_next == NULL);
575                 ASSERT(mg->mg_activation_count < 0);
576                 return;
577         }
578
579         taskq_wait_outstanding(mg->mg_taskq, 0);
580         metaslab_group_alloc_update(mg);
581
582         mgprev = mg->mg_prev;
583         mgnext = mg->mg_next;
584
585         if (mg == mgnext) {
586                 mc->mc_rotor = NULL;
587         } else {
588                 mc->mc_rotor = mgnext;
589                 mgprev->mg_next = mgnext;
590                 mgnext->mg_prev = mgprev;
591         }
592
593         mg->mg_prev = NULL;
594         mg->mg_next = NULL;
595 }
596
597 boolean_t
598 metaslab_group_initialized(metaslab_group_t *mg)
599 {
600         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
601         vdev_stat_t *vs = &vd->vdev_stat;
602
603         return (vs->vs_space != 0 && mg->mg_activation_count > 0);
604 }
605
606 uint64_t
607 metaslab_group_get_space(metaslab_group_t *mg)
608 {
609         return ((1ULL << mg->mg_vd->vdev_ms_shift) * mg->mg_vd->vdev_ms_count);
610 }
611
612 void
613 metaslab_group_histogram_verify(metaslab_group_t *mg)
614 {
615         uint64_t *mg_hist;
616         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
617         uint64_t ashift = vd->vdev_ashift;
618         int i, m;
619
620         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_HISTOGRAM_VERIFY) == 0)
621                 return;
622
623         mg_hist = kmem_zalloc(sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE,
624             KM_SLEEP);
625
626         ASSERT3U(RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE, >=,
627             SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE + ashift);
628
629         for (m = 0; m < vd->vdev_ms_count; m++) {
630                 metaslab_t *msp = vd->vdev_ms[m];
631
632                 if (msp->ms_sm == NULL)
633                         continue;
634
635                 for (i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++)
636                         mg_hist[i + ashift] +=
637                             msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
638         }
639
640         for (i = 0; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i ++)
641                 VERIFY3U(mg_hist[i], ==, mg->mg_histogram[i]);
642
643         kmem_free(mg_hist, sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE);
644 }
645
646 static void
647 metaslab_group_histogram_add(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
648 {
649         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
650         uint64_t ashift = mg->mg_vd->vdev_ashift;
651         int i;
652
653         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
654         if (msp->ms_sm == NULL)
655                 return;
656
657         mutex_enter(&mg->mg_lock);
658         for (i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
659                 mg->mg_histogram[i + ashift] +=
660                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
661                 mc->mc_histogram[i + ashift] +=
662                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
663         }
664         mutex_exit(&mg->mg_lock);
665 }
666
667 void
668 metaslab_group_histogram_remove(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
669 {
670         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
671         uint64_t ashift = mg->mg_vd->vdev_ashift;
672         int i;
673
674         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
675         if (msp->ms_sm == NULL)
676                 return;
677
678         mutex_enter(&mg->mg_lock);
679         for (i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
680                 ASSERT3U(mg->mg_histogram[i + ashift], >=,
681                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i]);
682                 ASSERT3U(mc->mc_histogram[i + ashift], >=,
683                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i]);
684
685                 mg->mg_histogram[i + ashift] -=
686                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
687                 mc->mc_histogram[i + ashift] -=
688                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
689         }
690         mutex_exit(&mg->mg_lock);
691 }
692
693 static void
694 metaslab_group_add(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
695 {
696         ASSERT(msp->ms_group == NULL);
697         mutex_enter(&mg->mg_lock);
698         msp->ms_group = mg;
699         msp->ms_weight = 0;
700         avl_add(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
701         mutex_exit(&mg->mg_lock);
702
703         mutex_enter(&msp->ms_lock);
704         metaslab_group_histogram_add(mg, msp);
705         mutex_exit(&msp->ms_lock);
706 }
707
708 static void
709 metaslab_group_remove(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
710 {
711         mutex_enter(&msp->ms_lock);
712         metaslab_group_histogram_remove(mg, msp);
713         mutex_exit(&msp->ms_lock);
714
715         mutex_enter(&mg->mg_lock);
716         ASSERT(msp->ms_group == mg);
717         avl_remove(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
718         msp->ms_group = NULL;
719         mutex_exit(&mg->mg_lock);
720 }
721
722 static void
723 metaslab_group_sort(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp, uint64_t weight)
724 {
725         /*
726          * Although in principle the weight can be any value, in
727          * practice we do not use values in the range [1, 511].
728          */
729         ASSERT(weight >= SPA_MINBLOCKSIZE || weight == 0);
730         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
731
732         mutex_enter(&mg->mg_lock);
733         ASSERT(msp->ms_group == mg);
734         avl_remove(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
735         msp->ms_weight = weight;
736         avl_add(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
737         mutex_exit(&mg->mg_lock);
738 }
739
740 /*
741  * Calculate the fragmentation for a given metaslab group. We can use
742  * a simple average here since all metaslabs within the group must have
743  * the same size. The return value will be a value between 0 and 100
744  * (inclusive), or ZFS_FRAG_INVALID if less than half of the metaslab in this
745  * group have a fragmentation metric.
746  */
747 uint64_t
748 metaslab_group_fragmentation(metaslab_group_t *mg)
749 {
750         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
751         uint64_t fragmentation = 0;
752         uint64_t valid_ms = 0;
753         int m;
754
755         for (m = 0; m < vd->vdev_ms_count; m++) {
756                 metaslab_t *msp = vd->vdev_ms[m];
757
758                 if (msp->ms_fragmentation == ZFS_FRAG_INVALID)
759                         continue;
760
761                 valid_ms++;
762                 fragmentation += msp->ms_fragmentation;
763         }
764
765         if (valid_ms <= vd->vdev_ms_count / 2)
766                 return (ZFS_FRAG_INVALID);
767
768         fragmentation /= valid_ms;
769         ASSERT3U(fragmentation, <=, 100);
770         return (fragmentation);
771 }
772
773 /*
774  * Determine if a given metaslab group should skip allocations. A metaslab
775  * group should avoid allocations if its free capacity is less than the
776  * zfs_mg_noalloc_threshold or its fragmentation metric is greater than
777  * zfs_mg_fragmentation_threshold and there is at least one metaslab group
778  * that can still handle allocations. If the allocation throttle is enabled
779  * then we skip allocations to devices that have reached their maximum
780  * allocation queue depth unless the selected metaslab group is the only
781  * eligible group remaining.
782  */
783 static boolean_t
784 metaslab_group_allocatable(metaslab_group_t *mg, metaslab_group_t *rotor,
785     uint64_t psize)
786 {
787         spa_t *spa = mg->mg_vd->vdev_spa;
788         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
789
790         /*
791          * We can only consider skipping this metaslab group if it's
792          * in the normal metaslab class and there are other metaslab
793          * groups to select from. Otherwise, we always consider it eligible
794          * for allocations.
795          */
796         if (mc != spa_normal_class(spa) || mc->mc_groups <= 1)
797                 return (B_TRUE);
798
799         /*
800          * If the metaslab group's mg_allocatable flag is set (see comments
801          * in metaslab_group_alloc_update() for more information) and
802          * the allocation throttle is disabled then allow allocations to this
803          * device. However, if the allocation throttle is enabled then
804          * check if we have reached our allocation limit (mg_alloc_queue_depth)
805          * to determine if we should allow allocations to this metaslab group.
806          * If all metaslab groups are no longer considered allocatable
807          * (mc_alloc_groups == 0) or we're trying to allocate the smallest
808          * gang block size then we allow allocations on this metaslab group
809          * regardless of the mg_allocatable or throttle settings.
810          */
811         if (mg->mg_allocatable) {
812                 metaslab_group_t *mgp;
813                 int64_t qdepth;
814                 uint64_t qmax = mg->mg_max_alloc_queue_depth;
815
816                 if (!mc->mc_alloc_throttle_enabled)
817                         return (B_TRUE);
818
819                 /*
820                  * If this metaslab group does not have any free space, then
821                  * there is no point in looking further.
822                  */
823                 if (mg->mg_no_free_space)
824                         return (B_FALSE);
825
826                 qdepth = refcount_count(&mg->mg_alloc_queue_depth);
827
828                 /*
829                  * If this metaslab group is below its qmax or it's
830                  * the only allocatable metasable group, then attempt
831                  * to allocate from it.
832                  */
833                 if (qdepth < qmax || mc->mc_alloc_groups == 1)
834                         return (B_TRUE);
835                 ASSERT3U(mc->mc_alloc_groups, >, 1);
836
837                 /*
838                  * Since this metaslab group is at or over its qmax, we
839                  * need to determine if there are metaslab groups after this
840                  * one that might be able to handle this allocation. This is
841                  * racy since we can't hold the locks for all metaslab
842                  * groups at the same time when we make this check.
843                  */
844                 for (mgp = mg->mg_next; mgp != rotor; mgp = mgp->mg_next) {
845                         qmax = mgp->mg_max_alloc_queue_depth;
846
847                         qdepth = refcount_count(&mgp->mg_alloc_queue_depth);
848
849                         /*
850                          * If there is another metaslab group that
851                          * might be able to handle the allocation, then
852                          * we return false so that we skip this group.
853                          */
854                         if (qdepth < qmax && !mgp->mg_no_free_space)
855                                 return (B_FALSE);
856                 }
857
858                 /*
859                  * We didn't find another group to handle the allocation
860                  * so we can't skip this metaslab group even though
861                  * we are at or over our qmax.
862                  */
863                 return (B_TRUE);
864
865         } else if (mc->mc_alloc_groups == 0 || psize == SPA_MINBLOCKSIZE) {
866                 return (B_TRUE);
867         }
868         return (B_FALSE);
869 }
870
871 /*
872  * ==========================================================================
873  * Range tree callbacks
874  * ==========================================================================
875  */
876
877 /*
878  * Comparison function for the private size-ordered tree. Tree is sorted
879  * by size, larger sizes at the end of the tree.
880  */
881 static int
882 metaslab_rangesize_compare(const void *x1, const void *x2)
883 {
884         const range_seg_t *r1 = x1;
885         const range_seg_t *r2 = x2;
886         uint64_t rs_size1 = r1->rs_end - r1->rs_start;
887         uint64_t rs_size2 = r2->rs_end - r2->rs_start;
888
889         int cmp = AVL_CMP(rs_size1, rs_size2);
890         if (likely(cmp))
891                 return (cmp);
892
893         return (AVL_CMP(r1->rs_start, r2->rs_start));
894 }
895
896 /*
897  * Create any block allocator specific components. The current allocators
898  * rely on using both a size-ordered range_tree_t and an array of uint64_t's.
899  */
900 static void
901 metaslab_rt_create(range_tree_t *rt, void *arg)
902 {
903         metaslab_t *msp = arg;
904
905         ASSERT3P(rt->rt_arg, ==, msp);
906         ASSERT(msp->ms_tree == NULL);
907
908         avl_create(&msp->ms_size_tree, metaslab_rangesize_compare,
909             sizeof (range_seg_t), offsetof(range_seg_t, rs_pp_node));
910 }
911
912 /*
913  * Destroy the block allocator specific components.
914  */
915 static void
916 metaslab_rt_destroy(range_tree_t *rt, void *arg)
917 {
918         metaslab_t *msp = arg;
919
920         ASSERT3P(rt->rt_arg, ==, msp);
921         ASSERT3P(msp->ms_tree, ==, rt);
922         ASSERT0(avl_numnodes(&msp->ms_size_tree));
923
924         avl_destroy(&msp->ms_size_tree);
925 }
926
927 static void
928 metaslab_rt_add(range_tree_t *rt, range_seg_t *rs, void *arg)
929 {
930         metaslab_t *msp = arg;
931
932         ASSERT3P(rt->rt_arg, ==, msp);
933         ASSERT3P(msp->ms_tree, ==, rt);
934         VERIFY(!msp->ms_condensing);
935         avl_add(&msp->ms_size_tree, rs);
936 }
937
938 static void
939 metaslab_rt_remove(range_tree_t *rt, range_seg_t *rs, void *arg)
940 {
941         metaslab_t *msp = arg;
942
943         ASSERT3P(rt->rt_arg, ==, msp);
944         ASSERT3P(msp->ms_tree, ==, rt);
945         VERIFY(!msp->ms_condensing);
946         avl_remove(&msp->ms_size_tree, rs);
947 }
948
949 static void
950 metaslab_rt_vacate(range_tree_t *rt, void *arg)
951 {
952         metaslab_t *msp = arg;
953
954         ASSERT3P(rt->rt_arg, ==, msp);
955         ASSERT3P(msp->ms_tree, ==, rt);
956
957         /*
958          * Normally one would walk the tree freeing nodes along the way.
959          * Since the nodes are shared with the range trees we can avoid
960          * walking all nodes and just reinitialize the avl tree. The nodes
961          * will be freed by the range tree, so we don't want to free them here.
962          */
963         avl_create(&msp->ms_size_tree, metaslab_rangesize_compare,
964             sizeof (range_seg_t), offsetof(range_seg_t, rs_pp_node));
965 }
966
967 static range_tree_ops_t metaslab_rt_ops = {
968         metaslab_rt_create,
969         metaslab_rt_destroy,
970         metaslab_rt_add,
971         metaslab_rt_remove,
972         metaslab_rt_vacate
973 };
974
975 /*
976  * ==========================================================================
977  * Metaslab block operations
978  * ==========================================================================
979  */
980
981 /*
982  * Return the maximum contiguous segment within the metaslab.
983  */
984 uint64_t
985 metaslab_block_maxsize(metaslab_t *msp)
986 {
987         avl_tree_t *t = &msp->ms_size_tree;
988         range_seg_t *rs;
989
990         if (t == NULL || (rs = avl_last(t)) == NULL)
991                 return (0ULL);
992
993         return (rs->rs_end - rs->rs_start);
994 }
995
996 uint64_t
997 metaslab_block_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
998 {
999         uint64_t start;
1000         range_tree_t *rt = msp->ms_tree;
1001
1002         VERIFY(!msp->ms_condensing);
1003
1004         start = msp->ms_ops->msop_alloc(msp, size);
1005         if (start != -1ULL) {
1006                 vdev_t *vd = msp->ms_group->mg_vd;
1007
1008                 VERIFY0(P2PHASE(start, 1ULL << vd->vdev_ashift));
1009                 VERIFY0(P2PHASE(size, 1ULL << vd->vdev_ashift));
1010                 VERIFY3U(range_tree_space(rt) - size, <=, msp->ms_size);
1011                 range_tree_remove(rt, start, size);
1012         }
1013         return (start);
1014 }
1015
1016 /*
1017  * ==========================================================================
1018  * Common allocator routines
1019  * ==========================================================================
1020  */
1021
1022 #if defined(WITH_FF_BLOCK_ALLOCATOR) || \
1023     defined(WITH_DF_BLOCK_ALLOCATOR) || \
1024     defined(WITH_CF_BLOCK_ALLOCATOR)
1025 /*
1026  * This is a helper function that can be used by the allocator to find
1027  * a suitable block to allocate. This will search the specified AVL
1028  * tree looking for a block that matches the specified criteria.
1029  */
1030 static uint64_t
1031 metaslab_block_picker(avl_tree_t *t, uint64_t *cursor, uint64_t size,
1032     uint64_t align)
1033 {
1034         range_seg_t *rs, rsearch;
1035         avl_index_t where;
1036
1037         rsearch.rs_start = *cursor;
1038         rsearch.rs_end = *cursor + size;
1039
1040         rs = avl_find(t, &rsearch, &where);
1041         if (rs == NULL)
1042                 rs = avl_nearest(t, where, AVL_AFTER);
1043
1044         while (rs != NULL) {
1045                 uint64_t offset = P2ROUNDUP(rs->rs_start, align);
1046
1047                 if (offset + size <= rs->rs_end) {
1048                         *cursor = offset + size;
1049                         return (offset);
1050                 }
1051                 rs = AVL_NEXT(t, rs);
1052         }
1053
1054         /*
1055          * If we know we've searched the whole map (*cursor == 0), give up.
1056          * Otherwise, reset the cursor to the beginning and try again.
1057          */
1058         if (*cursor == 0)
1059                 return (-1ULL);
1060
1061         *cursor = 0;
1062         return (metaslab_block_picker(t, cursor, size, align));
1063 }
1064 #endif /* WITH_FF/DF/CF_BLOCK_ALLOCATOR */
1065
1066 #if defined(WITH_FF_BLOCK_ALLOCATOR)
1067 /*
1068  * ==========================================================================
1069  * The first-fit block allocator
1070  * ==========================================================================
1071  */
1072 static uint64_t
1073 metaslab_ff_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1074 {
1075         /*
1076          * Find the largest power of 2 block size that evenly divides the
1077          * requested size. This is used to try to allocate blocks with similar
1078          * alignment from the same area of the metaslab (i.e. same cursor
1079          * bucket) but it does not guarantee that other allocations sizes
1080          * may exist in the same region.
1081          */
1082         uint64_t align = size & -size;
1083         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[highbit64(align) - 1];
1084         avl_tree_t *t = &msp->ms_tree->rt_root;
1085
1086         return (metaslab_block_picker(t, cursor, size, align));
1087 }
1088
1089 static metaslab_ops_t metaslab_ff_ops = {
1090         metaslab_ff_alloc
1091 };
1092
1093 metaslab_ops_t *zfs_metaslab_ops = &metaslab_ff_ops;
1094 #endif /* WITH_FF_BLOCK_ALLOCATOR */
1095
1096 #if defined(WITH_DF_BLOCK_ALLOCATOR)
1097 /*
1098  * ==========================================================================
1099  * Dynamic block allocator -
1100  * Uses the first fit allocation scheme until space get low and then
1101  * adjusts to a best fit allocation method. Uses metaslab_df_alloc_threshold
1102  * and metaslab_df_free_pct to determine when to switch the allocation scheme.
1103  * ==========================================================================
1104  */
1105 static uint64_t
1106 metaslab_df_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1107 {
1108         /*
1109          * Find the largest power of 2 block size that evenly divides the
1110          * requested size. This is used to try to allocate blocks with similar
1111          * alignment from the same area of the metaslab (i.e. same cursor
1112          * bucket) but it does not guarantee that other allocations sizes
1113          * may exist in the same region.
1114          */
1115         uint64_t align = size & -size;
1116         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[highbit64(align) - 1];
1117         range_tree_t *rt = msp->ms_tree;
1118         avl_tree_t *t = &rt->rt_root;
1119         uint64_t max_size = metaslab_block_maxsize(msp);
1120         int free_pct = range_tree_space(rt) * 100 / msp->ms_size;
1121
1122         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1123         ASSERT3U(avl_numnodes(t), ==, avl_numnodes(&msp->ms_size_tree));
1124
1125         if (max_size < size)
1126                 return (-1ULL);
1127
1128         /*
1129          * If we're running low on space switch to using the size
1130          * sorted AVL tree (best-fit).
1131          */
1132         if (max_size < metaslab_df_alloc_threshold ||
1133             free_pct < metaslab_df_free_pct) {
1134                 t = &msp->ms_size_tree;
1135                 *cursor = 0;
1136         }
1137
1138         return (metaslab_block_picker(t, cursor, size, 1ULL));
1139 }
1140
1141 static metaslab_ops_t metaslab_df_ops = {
1142         metaslab_df_alloc
1143 };
1144
1145 metaslab_ops_t *zfs_metaslab_ops = &metaslab_df_ops;
1146 #endif /* WITH_DF_BLOCK_ALLOCATOR */
1147
1148 #if defined(WITH_CF_BLOCK_ALLOCATOR)
1149 /*
1150  * ==========================================================================
1151  * Cursor fit block allocator -
1152  * Select the largest region in the metaslab, set the cursor to the beginning
1153  * of the range and the cursor_end to the end of the range. As allocations
1154  * are made advance the cursor. Continue allocating from the cursor until
1155  * the range is exhausted and then find a new range.
1156  * ==========================================================================
1157  */
1158 static uint64_t
1159 metaslab_cf_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1160 {
1161         range_tree_t *rt = msp->ms_tree;
1162         avl_tree_t *t = &msp->ms_size_tree;
1163         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[0];
1164         uint64_t *cursor_end = &msp->ms_lbas[1];
1165         uint64_t offset = 0;
1166
1167         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1168         ASSERT3U(avl_numnodes(t), ==, avl_numnodes(&rt->rt_root));
1169
1170         ASSERT3U(*cursor_end, >=, *cursor);
1171
1172         if ((*cursor + size) > *cursor_end) {
1173                 range_seg_t *rs;
1174
1175                 rs = avl_last(&msp->ms_size_tree);
1176                 if (rs == NULL || (rs->rs_end - rs->rs_start) < size)
1177                         return (-1ULL);
1178
1179                 *cursor = rs->rs_start;
1180                 *cursor_end = rs->rs_end;
1181         }
1182
1183         offset = *cursor;
1184         *cursor += size;
1185
1186         return (offset);
1187 }
1188
1189 static metaslab_ops_t metaslab_cf_ops = {
1190         metaslab_cf_alloc
1191 };
1192
1193 metaslab_ops_t *zfs_metaslab_ops = &metaslab_cf_ops;
1194 #endif /* WITH_CF_BLOCK_ALLOCATOR */
1195
1196 #if defined(WITH_NDF_BLOCK_ALLOCATOR)
1197 /*
1198  * ==========================================================================
1199  * New dynamic fit allocator -
1200  * Select a region that is large enough to allocate 2^metaslab_ndf_clump_shift
1201  * contiguous blocks. If no region is found then just use the largest segment
1202  * that remains.
1203  * ==========================================================================
1204  */
1205
1206 /*
1207  * Determines desired number of contiguous blocks (2^metaslab_ndf_clump_shift)
1208  * to request from the allocator.
1209  */
1210 uint64_t metaslab_ndf_clump_shift = 4;
1211
1212 static uint64_t
1213 metaslab_ndf_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1214 {
1215         avl_tree_t *t = &msp->ms_tree->rt_root;
1216         avl_index_t where;
1217         range_seg_t *rs, rsearch;
1218         uint64_t hbit = highbit64(size);
1219         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[hbit - 1];
1220         uint64_t max_size = metaslab_block_maxsize(msp);
1221
1222         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1223         ASSERT3U(avl_numnodes(t), ==, avl_numnodes(&msp->ms_size_tree));
1224
1225         if (max_size < size)
1226                 return (-1ULL);
1227
1228         rsearch.rs_start = *cursor;
1229         rsearch.rs_end = *cursor + size;
1230
1231         rs = avl_find(t, &rsearch, &where);
1232         if (rs == NULL || (rs->rs_end - rs->rs_start) < size) {
1233                 t = &msp->ms_size_tree;
1234
1235                 rsearch.rs_start = 0;
1236                 rsearch.rs_end = MIN(max_size,
1237                     1ULL << (hbit + metaslab_ndf_clump_shift));
1238                 rs = avl_find(t, &rsearch, &where);
1239                 if (rs == NULL)
1240                         rs = avl_nearest(t, where, AVL_AFTER);
1241                 ASSERT(rs != NULL);
1242         }
1243
1244         if ((rs->rs_end - rs->rs_start) >= size) {
1245                 *cursor = rs->rs_start + size;
1246                 return (rs->rs_start);
1247         }
1248         return (-1ULL);
1249 }
1250
1251 static metaslab_ops_t metaslab_ndf_ops = {
1252         metaslab_ndf_alloc
1253 };
1254
1255 metaslab_ops_t *zfs_metaslab_ops = &metaslab_ndf_ops;
1256 #endif /* WITH_NDF_BLOCK_ALLOCATOR */
1257
1258
1259 /*
1260  * ==========================================================================
1261  * Metaslabs
1262  * ==========================================================================
1263  */
1264
1265 /*
1266  * Wait for any in-progress metaslab loads to complete.
1267  */
1268 void
1269 metaslab_load_wait(metaslab_t *msp)
1270 {
1271         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1272
1273         while (msp->ms_loading) {
1274                 ASSERT(!msp->ms_loaded);
1275                 cv_wait(&msp->ms_load_cv, &msp->ms_lock);
1276         }
1277 }
1278
1279 int
1280 metaslab_load(metaslab_t *msp)
1281 {
1282         int error = 0;
1283         int t;
1284
1285         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1286         ASSERT(!msp->ms_loaded);
1287         ASSERT(!msp->ms_loading);
1288
1289         msp->ms_loading = B_TRUE;
1290
1291         /*
1292          * If the space map has not been allocated yet, then treat
1293          * all the space in the metaslab as free and add it to the
1294          * ms_tree.
1295          */
1296         if (msp->ms_sm != NULL)
1297                 error = space_map_load(msp->ms_sm, msp->ms_tree, SM_FREE);
1298         else
1299                 range_tree_add(msp->ms_tree, msp->ms_start, msp->ms_size);
1300
1301         msp->ms_loaded = (error == 0);
1302         msp->ms_loading = B_FALSE;
1303
1304         if (msp->ms_loaded) {
1305                 for (t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
1306                         range_tree_walk(msp->ms_defertree[t],
1307                             range_tree_remove, msp->ms_tree);
1308                 }
1309         }
1310         cv_broadcast(&msp->ms_load_cv);
1311         return (error);
1312 }
1313
1314 void
1315 metaslab_unload(metaslab_t *msp)
1316 {
1317         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1318         range_tree_vacate(msp->ms_tree, NULL, NULL);
1319         msp->ms_loaded = B_FALSE;
1320         msp->ms_weight &= ~METASLAB_ACTIVE_MASK;
1321 }
1322
1323 int
1324 metaslab_init(metaslab_group_t *mg, uint64_t id, uint64_t object, uint64_t txg,
1325     metaslab_t **msp)
1326 {
1327         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
1328         objset_t *mos = vd->vdev_spa->spa_meta_objset;
1329         metaslab_t *ms;
1330         int error;
1331
1332         ms = kmem_zalloc(sizeof (metaslab_t), KM_SLEEP);
1333         mutex_init(&ms->ms_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
1334         cv_init(&ms->ms_load_cv, NULL, CV_DEFAULT, NULL);
1335         ms->ms_id = id;
1336         ms->ms_start = id << vd->vdev_ms_shift;
1337         ms->ms_size = 1ULL << vd->vdev_ms_shift;
1338
1339         /*
1340          * We only open space map objects that already exist. All others
1341          * will be opened when we finally allocate an object for it.
1342          */
1343         if (object != 0) {
1344                 error = space_map_open(&ms->ms_sm, mos, object, ms->ms_start,
1345                     ms->ms_size, vd->vdev_ashift, &ms->ms_lock);
1346
1347                 if (error != 0) {
1348                         kmem_free(ms, sizeof (metaslab_t));
1349                         return (error);
1350                 }
1351
1352                 ASSERT(ms->ms_sm != NULL);
1353         }
1354
1355         /*
1356          * We create the main range tree here, but we don't create the
1357          * alloctree and freetree until metaslab_sync_done().  This serves
1358          * two purposes: it allows metaslab_sync_done() to detect the
1359          * addition of new space; and for debugging, it ensures that we'd
1360          * data fault on any attempt to use this metaslab before it's ready.
1361          */
1362         ms->ms_tree = range_tree_create(&metaslab_rt_ops, ms, &ms->ms_lock);
1363         metaslab_group_add(mg, ms);
1364
1365         ms->ms_fragmentation = metaslab_fragmentation(ms);
1366         ms->ms_ops = mg->mg_class->mc_ops;
1367
1368         /*
1369          * If we're opening an existing pool (txg == 0) or creating
1370          * a new one (txg == TXG_INITIAL), all space is available now.
1371          * If we're adding space to an existing pool, the new space
1372          * does not become available until after this txg has synced.
1373          */
1374         if (txg <= TXG_INITIAL)
1375                 metaslab_sync_done(ms, 0);
1376
1377         /*
1378          * If metaslab_debug_load is set and we're initializing a metaslab
1379          * that has an allocated space_map object then load the its space
1380          * map so that can verify frees.
1381          */
1382         if (metaslab_debug_load && ms->ms_sm != NULL) {
1383                 mutex_enter(&ms->ms_lock);
1384                 VERIFY0(metaslab_load(ms));
1385                 mutex_exit(&ms->ms_lock);
1386         }
1387
1388         if (txg != 0) {
1389                 vdev_dirty(vd, 0, NULL, txg);
1390                 vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, ms, txg);
1391         }
1392
1393         *msp = ms;
1394
1395         return (0);
1396 }
1397
1398 void
1399 metaslab_fini(metaslab_t *msp)
1400 {
1401         int t;
1402
1403         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
1404
1405         metaslab_group_remove(mg, msp);
1406
1407         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1408
1409         VERIFY(msp->ms_group == NULL);
1410         vdev_space_update(mg->mg_vd, -space_map_allocated(msp->ms_sm),
1411             0, -msp->ms_size);
1412         space_map_close(msp->ms_sm);
1413
1414         metaslab_unload(msp);
1415         range_tree_destroy(msp->ms_tree);
1416
1417         for (t = 0; t < TXG_SIZE; t++) {
1418                 range_tree_destroy(msp->ms_alloctree[t]);
1419                 range_tree_destroy(msp->ms_freetree[t]);
1420         }
1421
1422         for (t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
1423                 range_tree_destroy(msp->ms_defertree[t]);
1424         }
1425
1426         ASSERT0(msp->ms_deferspace);
1427
1428         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1429         cv_destroy(&msp->ms_load_cv);
1430         mutex_destroy(&msp->ms_lock);
1431
1432         kmem_free(msp, sizeof (metaslab_t));
1433 }
1434
1435 #define FRAGMENTATION_TABLE_SIZE        17
1436
1437 /*
1438  * This table defines a segment size based fragmentation metric that will
1439  * allow each metaslab to derive its own fragmentation value. This is done
1440  * by calculating the space in each bucket of the spacemap histogram and
1441  * multiplying that by the fragmetation metric in this table. Doing
1442  * this for all buckets and dividing it by the total amount of free
1443  * space in this metaslab (i.e. the total free space in all buckets) gives
1444  * us the fragmentation metric. This means that a high fragmentation metric
1445  * equates to most of the free space being comprised of small segments.
1446  * Conversely, if the metric is low, then most of the free space is in
1447  * large segments. A 10% change in fragmentation equates to approximately
1448  * double the number of segments.
1449  *
1450  * This table defines 0% fragmented space using 16MB segments. Testing has
1451  * shown that segments that are greater than or equal to 16MB do not suffer
1452  * from drastic performance problems. Using this value, we derive the rest
1453  * of the table. Since the fragmentation value is never stored on disk, it
1454  * is possible to change these calculations in the future.
1455  */
1456 int zfs_frag_table[FRAGMENTATION_TABLE_SIZE] = {
1457         100,    /* 512B */
1458         100,    /* 1K   */
1459         98,     /* 2K   */
1460         95,     /* 4K   */
1461         90,     /* 8K   */
1462         80,     /* 16K  */
1463         70,     /* 32K  */
1464         60,     /* 64K  */
1465         50,     /* 128K */
1466         40,     /* 256K */
1467         30,     /* 512K */
1468         20,     /* 1M   */
1469         15,     /* 2M   */
1470         10,     /* 4M   */
1471         5,      /* 8M   */
1472         0       /* 16M  */
1473 };
1474
1475 /*
1476  * Calclate the metaslab's fragmentation metric. A return value
1477  * of ZFS_FRAG_INVALID means that the metaslab has not been upgraded and does
1478  * not support this metric. Otherwise, the return value should be in the
1479  * range [0, 100].
1480  */
1481 static uint64_t
1482 metaslab_fragmentation(metaslab_t *msp)
1483 {
1484         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
1485         uint64_t fragmentation = 0;
1486         uint64_t total = 0;
1487         boolean_t feature_enabled = spa_feature_is_enabled(spa,
1488             SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM);
1489         int i;
1490
1491         if (!feature_enabled)
1492                 return (ZFS_FRAG_INVALID);
1493
1494         /*
1495          * A null space map means that the entire metaslab is free
1496          * and thus is not fragmented.
1497          */
1498         if (msp->ms_sm == NULL)
1499                 return (0);
1500
1501         /*
1502          * If this metaslab's space_map has not been upgraded, flag it
1503          * so that we upgrade next time we encounter it.
1504          */
1505         if (msp->ms_sm->sm_dbuf->db_size != sizeof (space_map_phys_t)) {
1506                 vdev_t *vd = msp->ms_group->mg_vd;
1507
1508                 if (spa_writeable(vd->vdev_spa)) {
1509                         uint64_t txg = spa_syncing_txg(spa);
1510
1511                         msp->ms_condense_wanted = B_TRUE;
1512                         vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg + 1);
1513                         spa_dbgmsg(spa, "txg %llu, requesting force condense: "
1514                             "msp %p, vd %p", txg, msp, vd);
1515                 }
1516                 return (ZFS_FRAG_INVALID);
1517         }
1518
1519         for (i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
1520                 uint64_t space = 0;
1521                 uint8_t shift = msp->ms_sm->sm_shift;
1522                 int idx = MIN(shift - SPA_MINBLOCKSHIFT + i,
1523                     FRAGMENTATION_TABLE_SIZE - 1);
1524
1525                 if (msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i] == 0)
1526                         continue;
1527
1528                 space = msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i] << (i + shift);
1529                 total += space;
1530
1531                 ASSERT3U(idx, <, FRAGMENTATION_TABLE_SIZE);
1532                 fragmentation += space * zfs_frag_table[idx];
1533         }
1534
1535         if (total > 0)
1536                 fragmentation /= total;
1537         ASSERT3U(fragmentation, <=, 100);
1538         return (fragmentation);
1539 }
1540
1541 /*
1542  * Compute a weight -- a selection preference value -- for the given metaslab.
1543  * This is based on the amount of free space, the level of fragmentation,
1544  * the LBA range, and whether the metaslab is loaded.
1545  */
1546 static uint64_t
1547 metaslab_weight(metaslab_t *msp)
1548 {
1549         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
1550         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
1551         uint64_t weight, space;
1552
1553         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1554
1555         /*
1556          * This vdev is in the process of being removed so there is nothing
1557          * for us to do here.
1558          */
1559         if (vd->vdev_removing) {
1560                 ASSERT0(space_map_allocated(msp->ms_sm));
1561                 ASSERT0(vd->vdev_ms_shift);
1562                 return (0);
1563         }
1564
1565         /*
1566          * The baseline weight is the metaslab's free space.
1567          */
1568         space = msp->ms_size - space_map_allocated(msp->ms_sm);
1569
1570         msp->ms_fragmentation = metaslab_fragmentation(msp);
1571         if (metaslab_fragmentation_factor_enabled &&
1572             msp->ms_fragmentation != ZFS_FRAG_INVALID) {
1573                 /*
1574                  * Use the fragmentation information to inversely scale
1575                  * down the baseline weight. We need to ensure that we
1576                  * don't exclude this metaslab completely when it's 100%
1577                  * fragmented. To avoid this we reduce the fragmented value
1578                  * by 1.
1579                  */
1580                 space = (space * (100 - (msp->ms_fragmentation - 1))) / 100;
1581
1582                 /*
1583                  * If space < SPA_MINBLOCKSIZE, then we will not allocate from
1584                  * this metaslab again. The fragmentation metric may have
1585                  * decreased the space to something smaller than
1586                  * SPA_MINBLOCKSIZE, so reset the space to SPA_MINBLOCKSIZE
1587                  * so that we can consume any remaining space.
1588                  */
1589                 if (space > 0 && space < SPA_MINBLOCKSIZE)
1590                         space = SPA_MINBLOCKSIZE;
1591         }
1592         weight = space;
1593
1594         /*
1595          * Modern disks have uniform bit density and constant angular velocity.
1596          * Therefore, the outer recording zones are faster (higher bandwidth)
1597          * than the inner zones by the ratio of outer to inner track diameter,
1598          * which is typically around 2:1.  We account for this by assigning
1599          * higher weight to lower metaslabs (multiplier ranging from 2x to 1x).
1600          * In effect, this means that we'll select the metaslab with the most
1601          * free bandwidth rather than simply the one with the most free space.
1602          */
1603         if (!vd->vdev_nonrot && metaslab_lba_weighting_enabled) {
1604                 weight = 2 * weight - (msp->ms_id * weight) / vd->vdev_ms_count;
1605                 ASSERT(weight >= space && weight <= 2 * space);
1606         }
1607
1608         /*
1609          * If this metaslab is one we're actively using, adjust its
1610          * weight to make it preferable to any inactive metaslab so
1611          * we'll polish it off. If the fragmentation on this metaslab
1612          * has exceed our threshold, then don't mark it active.
1613          */
1614         if (msp->ms_loaded && msp->ms_fragmentation != ZFS_FRAG_INVALID &&
1615             msp->ms_fragmentation <= zfs_metaslab_fragmentation_threshold) {
1616                 weight |= (msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
1617         }
1618
1619         return (weight);
1620 }
1621
1622 static int
1623 metaslab_activate(metaslab_t *msp, uint64_t activation_weight)
1624 {
1625         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1626
1627         if ((msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) == 0) {
1628                 metaslab_load_wait(msp);
1629                 if (!msp->ms_loaded) {
1630                         int error = metaslab_load(msp);
1631                         if (error) {
1632                                 metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp, 0);
1633                                 return (error);
1634                         }
1635                 }
1636
1637                 metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp,
1638                     msp->ms_weight | activation_weight);
1639         }
1640         ASSERT(msp->ms_loaded);
1641         ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
1642
1643         return (0);
1644 }
1645
1646 static void
1647 metaslab_passivate(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1648 {
1649         /*
1650          * If size < SPA_MINBLOCKSIZE, then we will not allocate from
1651          * this metaslab again.  In that case, it had better be empty,
1652          * or we would be leaving space on the table.
1653          */
1654         ASSERT(size >= SPA_MINBLOCKSIZE || range_tree_space(msp->ms_tree) == 0);
1655         metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp, MIN(msp->ms_weight, size));
1656         ASSERT((msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) == 0);
1657 }
1658
1659 static void
1660 metaslab_preload(void *arg)
1661 {
1662         metaslab_t *msp = arg;
1663         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
1664         fstrans_cookie_t cookie = spl_fstrans_mark();
1665
1666         ASSERT(!MUTEX_HELD(&msp->ms_group->mg_lock));
1667
1668         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1669         metaslab_load_wait(msp);
1670         if (!msp->ms_loaded)
1671                 (void) metaslab_load(msp);
1672
1673         /*
1674          * Set the ms_access_txg value so that we don't unload it right away.
1675          */
1676         msp->ms_access_txg = spa_syncing_txg(spa) + metaslab_unload_delay + 1;
1677         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1678         spl_fstrans_unmark(cookie);
1679 }
1680
1681 static void
1682 metaslab_group_preload(metaslab_group_t *mg)
1683 {
1684         spa_t *spa = mg->mg_vd->vdev_spa;
1685         metaslab_t *msp;
1686         avl_tree_t *t = &mg->mg_metaslab_tree;
1687         int m = 0;
1688
1689         if (spa_shutting_down(spa) || !metaslab_preload_enabled) {
1690                 taskq_wait_outstanding(mg->mg_taskq, 0);
1691                 return;
1692         }
1693
1694         mutex_enter(&mg->mg_lock);
1695         /*
1696          * Load the next potential metaslabs
1697          */
1698         msp = avl_first(t);
1699         while (msp != NULL) {
1700                 metaslab_t *msp_next = AVL_NEXT(t, msp);
1701
1702                 /*
1703                  * We preload only the maximum number of metaslabs specified
1704                  * by metaslab_preload_limit. If a metaslab is being forced
1705                  * to condense then we preload it too. This will ensure
1706                  * that force condensing happens in the next txg.
1707                  */
1708                 if (++m > metaslab_preload_limit && !msp->ms_condense_wanted) {
1709                         msp = msp_next;
1710                         continue;
1711                 }
1712
1713                 /*
1714                  * We must drop the metaslab group lock here to preserve
1715                  * lock ordering with the ms_lock (when grabbing both
1716                  * the mg_lock and the ms_lock, the ms_lock must be taken
1717                  * first).  As a result, it is possible that the ordering
1718                  * of the metaslabs within the avl tree may change before
1719                  * we reacquire the lock. The metaslab cannot be removed from
1720                  * the tree while we're in syncing context so it is safe to
1721                  * drop the mg_lock here. If the metaslabs are reordered
1722                  * nothing will break -- we just may end up loading a
1723                  * less than optimal one.
1724                  */
1725                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
1726                 VERIFY(taskq_dispatch(mg->mg_taskq, metaslab_preload,
1727                     msp, TQ_SLEEP) != TASKQID_INVALID);
1728                 mutex_enter(&mg->mg_lock);
1729                 msp = msp_next;
1730         }
1731         mutex_exit(&mg->mg_lock);
1732 }
1733
1734 /*
1735  * Determine if the space map's on-disk footprint is past our tolerance
1736  * for inefficiency. We would like to use the following criteria to make
1737  * our decision:
1738  *
1739  * 1. The size of the space map object should not dramatically increase as a
1740  * result of writing out the free space range tree.
1741  *
1742  * 2. The minimal on-disk space map representation is zfs_condense_pct/100
1743  * times the size than the free space range tree representation
1744  * (i.e. zfs_condense_pct = 110 and in-core = 1MB, minimal = 1.1.MB).
1745  *
1746  * 3. The on-disk size of the space map should actually decrease.
1747  *
1748  * Checking the first condition is tricky since we don't want to walk
1749  * the entire AVL tree calculating the estimated on-disk size. Instead we
1750  * use the size-ordered range tree in the metaslab and calculate the
1751  * size required to write out the largest segment in our free tree. If the
1752  * size required to represent that segment on disk is larger than the space
1753  * map object then we avoid condensing this map.
1754  *
1755  * To determine the second criterion we use a best-case estimate and assume
1756  * each segment can be represented on-disk as a single 64-bit entry. We refer
1757  * to this best-case estimate as the space map's minimal form.
1758  *
1759  * Unfortunately, we cannot compute the on-disk size of the space map in this
1760  * context because we cannot accurately compute the effects of compression, etc.
1761  * Instead, we apply the heuristic described in the block comment for
1762  * zfs_metaslab_condense_block_threshold - we only condense if the space used
1763  * is greater than a threshold number of blocks.
1764  */
1765 static boolean_t
1766 metaslab_should_condense(metaslab_t *msp)
1767 {
1768         space_map_t *sm = msp->ms_sm;
1769         range_seg_t *rs;
1770         uint64_t size, entries, segsz, object_size, optimal_size, record_size;
1771         dmu_object_info_t doi;
1772         uint64_t vdev_blocksize = 1 << msp->ms_group->mg_vd->vdev_ashift;
1773
1774         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1775         ASSERT(msp->ms_loaded);
1776
1777         /*
1778          * Use the ms_size_tree range tree, which is ordered by size, to
1779          * obtain the largest segment in the free tree. We always condense
1780          * metaslabs that are empty and metaslabs for which a condense
1781          * request has been made.
1782          */
1783         rs = avl_last(&msp->ms_size_tree);
1784         if (rs == NULL || msp->ms_condense_wanted)
1785                 return (B_TRUE);
1786
1787         /*
1788          * Calculate the number of 64-bit entries this segment would
1789          * require when written to disk. If this single segment would be
1790          * larger on-disk than the entire current on-disk structure, then
1791          * clearly condensing will increase the on-disk structure size.
1792          */
1793         size = (rs->rs_end - rs->rs_start) >> sm->sm_shift;
1794         entries = size / (MIN(size, SM_RUN_MAX));
1795         segsz = entries * sizeof (uint64_t);
1796
1797         optimal_size = sizeof (uint64_t) * avl_numnodes(&msp->ms_tree->rt_root);
1798         object_size = space_map_length(msp->ms_sm);
1799
1800         dmu_object_info_from_db(sm->sm_dbuf, &doi);
1801         record_size = MAX(doi.doi_data_block_size, vdev_blocksize);
1802
1803         return (segsz <= object_size &&
1804             object_size >= (optimal_size * zfs_condense_pct / 100) &&
1805             object_size > zfs_metaslab_condense_block_threshold * record_size);
1806 }
1807
1808 /*
1809  * Condense the on-disk space map representation to its minimized form.
1810  * The minimized form consists of a small number of allocations followed by
1811  * the entries of the free range tree.
1812  */
1813 static void
1814 metaslab_condense(metaslab_t *msp, uint64_t txg, dmu_tx_t *tx)
1815 {
1816         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
1817         range_tree_t *freetree = msp->ms_freetree[txg & TXG_MASK];
1818         range_tree_t *condense_tree;
1819         space_map_t *sm = msp->ms_sm;
1820         int t;
1821
1822         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1823         ASSERT3U(spa_sync_pass(spa), ==, 1);
1824         ASSERT(msp->ms_loaded);
1825
1826
1827         spa_dbgmsg(spa, "condensing: txg %llu, msp[%llu] %p, vdev id %llu, "
1828             "spa %s, smp size %llu, segments %lu, forcing condense=%s", txg,
1829             msp->ms_id, msp, msp->ms_group->mg_vd->vdev_id,
1830             msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa->spa_name,
1831             space_map_length(msp->ms_sm), avl_numnodes(&msp->ms_tree->rt_root),
1832             msp->ms_condense_wanted ? "TRUE" : "FALSE");
1833
1834         msp->ms_condense_wanted = B_FALSE;
1835
1836         /*
1837          * Create an range tree that is 100% allocated. We remove segments
1838          * that have been freed in this txg, any deferred frees that exist,
1839          * and any allocation in the future. Removing segments should be
1840          * a relatively inexpensive operation since we expect these trees to
1841          * have a small number of nodes.
1842          */
1843         condense_tree = range_tree_create(NULL, NULL, &msp->ms_lock);
1844         range_tree_add(condense_tree, msp->ms_start, msp->ms_size);
1845
1846         /*
1847          * Remove what's been freed in this txg from the condense_tree.
1848          * Since we're in sync_pass 1, we know that all the frees from
1849          * this txg are in the freetree.
1850          */
1851         range_tree_walk(freetree, range_tree_remove, condense_tree);
1852
1853         for (t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
1854                 range_tree_walk(msp->ms_defertree[t],
1855                     range_tree_remove, condense_tree);
1856         }
1857
1858         for (t = 1; t < TXG_CONCURRENT_STATES; t++) {
1859                 range_tree_walk(msp->ms_alloctree[(txg + t) & TXG_MASK],
1860                     range_tree_remove, condense_tree);
1861         }
1862
1863         /*
1864          * We're about to drop the metaslab's lock thus allowing
1865          * other consumers to change it's content. Set the
1866          * metaslab's ms_condensing flag to ensure that
1867          * allocations on this metaslab do not occur while we're
1868          * in the middle of committing it to disk. This is only critical
1869          * for the ms_tree as all other range trees use per txg
1870          * views of their content.
1871          */
1872         msp->ms_condensing = B_TRUE;
1873
1874         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1875         space_map_truncate(sm, tx);
1876         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1877
1878         /*
1879          * While we would ideally like to create a space_map representation
1880          * that consists only of allocation records, doing so can be
1881          * prohibitively expensive because the in-core free tree can be
1882          * large, and therefore computationally expensive to subtract
1883          * from the condense_tree. Instead we sync out two trees, a cheap
1884          * allocation only tree followed by the in-core free tree. While not
1885          * optimal, this is typically close to optimal, and much cheaper to
1886          * compute.
1887          */
1888         space_map_write(sm, condense_tree, SM_ALLOC, tx);
1889         range_tree_vacate(condense_tree, NULL, NULL);
1890         range_tree_destroy(condense_tree);
1891
1892         space_map_write(sm, msp->ms_tree, SM_FREE, tx);
1893         msp->ms_condensing = B_FALSE;
1894 }
1895
1896 /*
1897  * Write a metaslab to disk in the context of the specified transaction group.
1898  */
1899 void
1900 metaslab_sync(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
1901 {
1902         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
1903         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
1904         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
1905         objset_t *mos = spa_meta_objset(spa);
1906         range_tree_t *alloctree = msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK];
1907         range_tree_t **freetree = &msp->ms_freetree[txg & TXG_MASK];
1908         range_tree_t **freed_tree =
1909             &msp->ms_freetree[TXG_CLEAN(txg) & TXG_MASK];
1910         dmu_tx_t *tx;
1911         uint64_t object = space_map_object(msp->ms_sm);
1912
1913         ASSERT(!vd->vdev_ishole);
1914
1915         /*
1916          * This metaslab has just been added so there's no work to do now.
1917          */
1918         if (*freetree == NULL) {
1919                 ASSERT3P(alloctree, ==, NULL);
1920                 return;
1921         }
1922
1923         ASSERT3P(alloctree, !=, NULL);
1924         ASSERT3P(*freetree, !=, NULL);
1925         ASSERT3P(*freed_tree, !=, NULL);
1926
1927         /*
1928          * Normally, we don't want to process a metaslab if there
1929          * are no allocations or frees to perform. However, if the metaslab
1930          * is being forced to condense we need to let it through.
1931          */
1932         if (range_tree_space(alloctree) == 0 &&
1933             range_tree_space(*freetree) == 0 &&
1934             !msp->ms_condense_wanted)
1935                 return;
1936
1937         /*
1938          * The only state that can actually be changing concurrently with
1939          * metaslab_sync() is the metaslab's ms_tree.  No other thread can
1940          * be modifying this txg's alloctree, freetree, freed_tree, or
1941          * space_map_phys_t. Therefore, we only hold ms_lock to satify
1942          * space_map ASSERTs. We drop it whenever we call into the DMU,
1943          * because the DMU can call down to us (e.g. via zio_free()) at
1944          * any time.
1945          */
1946
1947         tx = dmu_tx_create_assigned(spa_get_dsl(spa), txg);
1948
1949         if (msp->ms_sm == NULL) {
1950                 uint64_t new_object;
1951
1952                 new_object = space_map_alloc(mos, tx);
1953                 VERIFY3U(new_object, !=, 0);
1954
1955                 VERIFY0(space_map_open(&msp->ms_sm, mos, new_object,
1956                     msp->ms_start, msp->ms_size, vd->vdev_ashift,
1957                     &msp->ms_lock));
1958                 ASSERT(msp->ms_sm != NULL);
1959         }
1960
1961         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1962
1963         /*
1964          * Note: metaslab_condense() clears the space_map's histogram.
1965          * Therefore we muse verify and remove this histogram before
1966          * condensing.
1967          */
1968         metaslab_group_histogram_verify(mg);
1969         metaslab_class_histogram_verify(mg->mg_class);
1970         metaslab_group_histogram_remove(mg, msp);
1971
1972         if (msp->ms_loaded && spa_sync_pass(spa) == 1 &&
1973             metaslab_should_condense(msp)) {
1974                 metaslab_condense(msp, txg, tx);
1975         } else {
1976                 space_map_write(msp->ms_sm, alloctree, SM_ALLOC, tx);
1977                 space_map_write(msp->ms_sm, *freetree, SM_FREE, tx);
1978         }
1979
1980         if (msp->ms_loaded) {
1981                 /*
1982                  * When the space map is loaded, we have an accruate
1983                  * histogram in the range tree. This gives us an opportunity
1984                  * to bring the space map's histogram up-to-date so we clear
1985                  * it first before updating it.
1986                  */
1987                 space_map_histogram_clear(msp->ms_sm);
1988                 space_map_histogram_add(msp->ms_sm, msp->ms_tree, tx);
1989         } else {
1990                 /*
1991                  * Since the space map is not loaded we simply update the
1992                  * exisiting histogram with what was freed in this txg. This
1993                  * means that the on-disk histogram may not have an accurate
1994                  * view of the free space but it's close enough to allow
1995                  * us to make allocation decisions.
1996                  */
1997                 space_map_histogram_add(msp->ms_sm, *freetree, tx);
1998         }
1999         metaslab_group_histogram_add(mg, msp);
2000         metaslab_group_histogram_verify(mg);
2001         metaslab_class_histogram_verify(mg->mg_class);
2002
2003         /*
2004          * For sync pass 1, we avoid traversing this txg's free range tree
2005          * and instead will just swap the pointers for freetree and
2006          * freed_tree. We can safely do this since the freed_tree is
2007          * guaranteed to be empty on the initial pass.
2008          */
2009         if (spa_sync_pass(spa) == 1) {
2010                 range_tree_swap(freetree, freed_tree);
2011         } else {
2012                 range_tree_vacate(*freetree, range_tree_add, *freed_tree);
2013         }
2014         range_tree_vacate(alloctree, NULL, NULL);
2015
2016         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK]));
2017         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freetree[txg & TXG_MASK]));
2018
2019         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2020
2021         if (object != space_map_object(msp->ms_sm)) {
2022                 object = space_map_object(msp->ms_sm);
2023                 dmu_write(mos, vd->vdev_ms_array, sizeof (uint64_t) *
2024                     msp->ms_id, sizeof (uint64_t), &object, tx);
2025         }
2026         dmu_tx_commit(tx);
2027 }
2028
2029 /*
2030  * Called after a transaction group has completely synced to mark
2031  * all of the metaslab's free space as usable.
2032  */
2033 void
2034 metaslab_sync_done(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
2035 {
2036         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
2037         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
2038         range_tree_t **freed_tree;
2039         range_tree_t **defer_tree;
2040         int64_t alloc_delta, defer_delta;
2041         int t;
2042
2043         ASSERT(!vd->vdev_ishole);
2044
2045         mutex_enter(&msp->ms_lock);
2046
2047         /*
2048          * If this metaslab is just becoming available, initialize its
2049          * alloctrees, freetrees, and defertree and add its capacity to
2050          * the vdev.
2051          */
2052         if (msp->ms_freetree[TXG_CLEAN(txg) & TXG_MASK] == NULL) {
2053                 for (t = 0; t < TXG_SIZE; t++) {
2054                         ASSERT(msp->ms_alloctree[t] == NULL);
2055                         ASSERT(msp->ms_freetree[t] == NULL);
2056
2057                         msp->ms_alloctree[t] = range_tree_create(NULL, msp,
2058                             &msp->ms_lock);
2059                         msp->ms_freetree[t] = range_tree_create(NULL, msp,
2060                             &msp->ms_lock);
2061                 }
2062
2063                 for (t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
2064                         ASSERT(msp->ms_defertree[t] == NULL);
2065
2066                         msp->ms_defertree[t] = range_tree_create(NULL, msp,
2067                             &msp->ms_lock);
2068                 }
2069
2070                 vdev_space_update(vd, 0, 0, msp->ms_size);
2071         }
2072
2073         freed_tree = &msp->ms_freetree[TXG_CLEAN(txg) & TXG_MASK];
2074         defer_tree = &msp->ms_defertree[txg % TXG_DEFER_SIZE];
2075
2076         alloc_delta = space_map_alloc_delta(msp->ms_sm);
2077         defer_delta = range_tree_space(*freed_tree) -
2078             range_tree_space(*defer_tree);
2079
2080         vdev_space_update(vd, alloc_delta + defer_delta, defer_delta, 0);
2081
2082         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK]));
2083         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freetree[txg & TXG_MASK]));
2084
2085         /*
2086          * If there's a metaslab_load() in progress, wait for it to complete
2087          * so that we have a consistent view of the in-core space map.
2088          */
2089         metaslab_load_wait(msp);
2090
2091         /*
2092          * Move the frees from the defer_tree back to the free
2093          * range tree (if it's loaded). Swap the freed_tree and the
2094          * defer_tree -- this is safe to do because we've just emptied out
2095          * the defer_tree.
2096          */
2097         range_tree_vacate(*defer_tree,
2098             msp->ms_loaded ? range_tree_add : NULL, msp->ms_tree);
2099         range_tree_swap(freed_tree, defer_tree);
2100
2101         space_map_update(msp->ms_sm);
2102
2103         msp->ms_deferspace += defer_delta;
2104         ASSERT3S(msp->ms_deferspace, >=, 0);
2105         ASSERT3S(msp->ms_deferspace, <=, msp->ms_size);
2106         if (msp->ms_deferspace != 0) {
2107                 /*
2108                  * Keep syncing this metaslab until all deferred frees
2109                  * are back in circulation.
2110                  */
2111                 vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg + 1);
2112         }
2113
2114         if (msp->ms_loaded && msp->ms_access_txg < txg) {
2115                 for (t = 1; t < TXG_CONCURRENT_STATES; t++) {
2116                         VERIFY0(range_tree_space(
2117                             msp->ms_alloctree[(txg + t) & TXG_MASK]));
2118                 }
2119
2120                 if (!metaslab_debug_unload)
2121                         metaslab_unload(msp);
2122         }
2123
2124         metaslab_group_sort(mg, msp, metaslab_weight(msp));
2125         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2126 }
2127
2128 void
2129 metaslab_sync_reassess(metaslab_group_t *mg)
2130 {
2131         metaslab_group_alloc_update(mg);
2132         mg->mg_fragmentation = metaslab_group_fragmentation(mg);
2133
2134         /*
2135          * Preload the next potential metaslabs
2136          */
2137         metaslab_group_preload(mg);
2138 }
2139
2140 static uint64_t
2141 metaslab_distance(metaslab_t *msp, dva_t *dva)
2142 {
2143         uint64_t ms_shift = msp->ms_group->mg_vd->vdev_ms_shift;
2144         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva) >> ms_shift;
2145         uint64_t start = msp->ms_id;
2146
2147         if (msp->ms_group->mg_vd->vdev_id != DVA_GET_VDEV(dva))
2148                 return (1ULL << 63);
2149
2150         if (offset < start)
2151                 return ((start - offset) << ms_shift);
2152         if (offset > start)
2153                 return ((offset - start) << ms_shift);
2154         return (0);
2155 }
2156
2157 /*
2158  * ==========================================================================
2159  * Metaslab block operations
2160  * ==========================================================================
2161  */
2162
2163 static void
2164 metaslab_group_alloc_increment(spa_t *spa, uint64_t vdev, void *tag, int flags)
2165 {
2166         metaslab_group_t *mg;
2167
2168         if (!(flags & METASLAB_ASYNC_ALLOC) ||
2169             flags & METASLAB_DONT_THROTTLE)
2170                 return;
2171
2172         mg = vdev_lookup_top(spa, vdev)->vdev_mg;
2173         if (!mg->mg_class->mc_alloc_throttle_enabled)
2174                 return;
2175
2176         (void) refcount_add(&mg->mg_alloc_queue_depth, tag);
2177 }
2178
2179 void
2180 metaslab_group_alloc_decrement(spa_t *spa, uint64_t vdev, void *tag, int flags)
2181 {
2182         metaslab_group_t *mg;
2183
2184         if (!(flags & METASLAB_ASYNC_ALLOC) ||
2185             flags & METASLAB_DONT_THROTTLE)
2186                 return;
2187
2188         mg = vdev_lookup_top(spa, vdev)->vdev_mg;
2189         if (!mg->mg_class->mc_alloc_throttle_enabled)
2190                 return;
2191
2192         (void) refcount_remove(&mg->mg_alloc_queue_depth, tag);
2193 }
2194
2195 void
2196 metaslab_group_alloc_verify(spa_t *spa, const blkptr_t *bp, void *tag)
2197 {
2198 #ifdef ZFS_DEBUG
2199         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
2200         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
2201         int d;
2202
2203         for (d = 0; d < ndvas; d++) {
2204                 uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(&dva[d]);
2205                 metaslab_group_t *mg = vdev_lookup_top(spa, vdev)->vdev_mg;
2206                 VERIFY(refcount_not_held(&mg->mg_alloc_queue_depth, tag));
2207         }
2208 #endif
2209 }
2210
2211 static uint64_t
2212 metaslab_group_alloc(metaslab_group_t *mg, uint64_t asize,
2213     uint64_t txg, uint64_t min_distance, dva_t *dva, int d)
2214 {
2215         spa_t *spa = mg->mg_vd->vdev_spa;
2216         metaslab_t *msp = NULL;
2217         uint64_t offset = -1ULL;
2218         avl_tree_t *t = &mg->mg_metaslab_tree;
2219         uint64_t activation_weight;
2220         uint64_t target_distance;
2221         int i;
2222
2223         activation_weight = METASLAB_WEIGHT_PRIMARY;
2224         for (i = 0; i < d; i++) {
2225                 if (DVA_GET_VDEV(&dva[i]) == mg->mg_vd->vdev_id) {
2226                         activation_weight = METASLAB_WEIGHT_SECONDARY;
2227                         break;
2228                 }
2229         }
2230
2231         for (;;) {
2232                 boolean_t was_active;
2233
2234                 mutex_enter(&mg->mg_lock);
2235                 for (msp = avl_first(t); msp; msp = AVL_NEXT(t, msp)) {
2236                         if (msp->ms_weight < asize) {
2237                                 spa_dbgmsg(spa, "%s: failed to meet weight "
2238                                     "requirement: vdev %llu, txg %llu, mg %p, "
2239                                     "msp %p, asize %llu, "
2240                                     "weight %llu", spa_name(spa),
2241                                     mg->mg_vd->vdev_id, txg,
2242                                     mg, msp, asize, msp->ms_weight);
2243                                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
2244                                 return (-1ULL);
2245                         }
2246
2247                         /*
2248                          * If the selected metaslab is condensing, skip it.
2249                          */
2250                         if (msp->ms_condensing)
2251                                 continue;
2252
2253                         was_active = msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK;
2254                         if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY)
2255                                 break;
2256
2257                         target_distance = min_distance +
2258                             (space_map_allocated(msp->ms_sm) != 0 ? 0 :
2259                             min_distance >> 1);
2260
2261                         for (i = 0; i < d; i++)
2262                                 if (metaslab_distance(msp, &dva[i]) <
2263                                     target_distance)
2264                                         break;
2265                         if (i == d)
2266                                 break;
2267                 }
2268                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
2269                 if (msp == NULL)
2270                         return (-1ULL);
2271
2272                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
2273
2274                 /*
2275                  * Ensure that the metaslab we have selected is still
2276                  * capable of handling our request. It's possible that
2277                  * another thread may have changed the weight while we
2278                  * were blocked on the metaslab lock.
2279                  */
2280                 if (msp->ms_weight < asize || (was_active &&
2281                     !(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) &&
2282                     activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY)) {
2283                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2284                         continue;
2285                 }
2286
2287                 if ((msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_SECONDARY) &&
2288                     activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY) {
2289                         metaslab_passivate(msp,
2290                             msp->ms_weight & ~METASLAB_ACTIVE_MASK);
2291                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2292                         continue;
2293                 }
2294
2295                 if (metaslab_activate(msp, activation_weight) != 0) {
2296                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2297                         continue;
2298                 }
2299
2300                 /*
2301                  * If this metaslab is currently condensing then pick again as
2302                  * we can't manipulate this metaslab until it's committed
2303                  * to disk.
2304                  */
2305                 if (msp->ms_condensing) {
2306                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2307                         continue;
2308                 }
2309
2310                 if ((offset = metaslab_block_alloc(msp, asize)) != -1ULL)
2311                         break;
2312
2313                 metaslab_passivate(msp, metaslab_block_maxsize(msp));
2314                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
2315         }
2316
2317         if (range_tree_space(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK]) == 0)
2318                 vdev_dirty(mg->mg_vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
2319
2320         range_tree_add(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK], offset, asize);
2321         msp->ms_access_txg = txg + metaslab_unload_delay;
2322
2323         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2324         return (offset);
2325 }
2326
2327 /*
2328  * Allocate a block for the specified i/o.
2329  */
2330 static int
2331 metaslab_alloc_dva(spa_t *spa, metaslab_class_t *mc, uint64_t psize,
2332     dva_t *dva, int d, dva_t *hintdva, uint64_t txg, int flags)
2333 {
2334         metaslab_group_t *mg, *fast_mg, *rotor;
2335         vdev_t *vd;
2336         int dshift = 3;
2337         int all_zero;
2338         int zio_lock = B_FALSE;
2339         boolean_t allocatable;
2340         uint64_t asize;
2341         uint64_t distance;
2342
2343         ASSERT(!DVA_IS_VALID(&dva[d]));
2344
2345         /*
2346          * For testing, make some blocks above a certain size be gang blocks.
2347          */
2348         if (psize >= metaslab_gang_bang && (ddi_get_lbolt() & 3) == 0)
2349                 return (SET_ERROR(ENOSPC));
2350
2351         /*
2352          * Start at the rotor and loop through all mgs until we find something.
2353          * Note that there's no locking on mc_rotor or mc_aliquot because
2354          * nothing actually breaks if we miss a few updates -- we just won't
2355          * allocate quite as evenly.  It all balances out over time.
2356          *
2357          * If we are doing ditto or log blocks, try to spread them across
2358          * consecutive vdevs.  If we're forced to reuse a vdev before we've
2359          * allocated all of our ditto blocks, then try and spread them out on
2360          * that vdev as much as possible.  If it turns out to not be possible,
2361          * gradually lower our standards until anything becomes acceptable.
2362          * Also, allocating on consecutive vdevs (as opposed to random vdevs)
2363          * gives us hope of containing our fault domains to something we're
2364          * able to reason about.  Otherwise, any two top-level vdev failures
2365          * will guarantee the loss of data.  With consecutive allocation,
2366          * only two adjacent top-level vdev failures will result in data loss.
2367          *
2368          * If we are doing gang blocks (hintdva is non-NULL), try to keep
2369          * ourselves on the same vdev as our gang block header.  That
2370          * way, we can hope for locality in vdev_cache, plus it makes our
2371          * fault domains something tractable.
2372          */
2373         if (hintdva) {
2374                 vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&hintdva[d]));
2375
2376                 /*
2377                  * It's possible the vdev we're using as the hint no
2378                  * longer exists (i.e. removed). Consult the rotor when
2379                  * all else fails.
2380                  */
2381                 if (vd != NULL) {
2382                         mg = vd->vdev_mg;
2383
2384                         if (flags & METASLAB_HINTBP_AVOID &&
2385                             mg->mg_next != NULL)
2386                                 mg = mg->mg_next;
2387                 } else {
2388                         mg = mc->mc_rotor;
2389                 }
2390         } else if (d != 0) {
2391                 vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&dva[d - 1]));
2392                 mg = vd->vdev_mg->mg_next;
2393         } else if (flags & METASLAB_FASTWRITE) {
2394                 mg = fast_mg = mc->mc_rotor;
2395
2396                 do {
2397                         if (fast_mg->mg_vd->vdev_pending_fastwrite <
2398                             mg->mg_vd->vdev_pending_fastwrite)
2399                                 mg = fast_mg;
2400                 } while ((fast_mg = fast_mg->mg_next) != mc->mc_rotor);
2401
2402         } else {
2403                 mg = mc->mc_rotor;
2404         }
2405
2406         /*
2407          * If the hint put us into the wrong metaslab class, or into a
2408          * metaslab group that has been passivated, just follow the rotor.
2409          */
2410         if (mg->mg_class != mc || mg->mg_activation_count <= 0)
2411                 mg = mc->mc_rotor;
2412
2413         rotor = mg;
2414 top:
2415         all_zero = B_TRUE;
2416         do {
2417                 uint64_t offset;
2418
2419                 ASSERT(mg->mg_activation_count == 1);
2420                 vd = mg->mg_vd;
2421
2422                 /*
2423                  * Don't allocate from faulted devices.
2424                  */
2425                 if (zio_lock) {
2426                         spa_config_enter(spa, SCL_ZIO, FTAG, RW_READER);
2427                         allocatable = vdev_allocatable(vd);
2428                         spa_config_exit(spa, SCL_ZIO, FTAG);
2429                 } else {
2430                         allocatable = vdev_allocatable(vd);
2431                 }
2432
2433                 /*
2434                  * Determine if the selected metaslab group is eligible
2435                  * for allocations. If we're ganging then don't allow
2436                  * this metaslab group to skip allocations since that would
2437                  * inadvertently return ENOSPC and suspend the pool
2438                  * even though space is still available.
2439                  */
2440                 if (allocatable && !GANG_ALLOCATION(flags) && !zio_lock) {
2441                         allocatable = metaslab_group_allocatable(mg, rotor,
2442                             psize);
2443                 }
2444
2445                 if (!allocatable)
2446                         goto next;
2447
2448                 ASSERT(mg->mg_initialized);
2449
2450                 /*
2451                  * Avoid writing single-copy data to a failing vdev.
2452                  */
2453                 if ((vd->vdev_stat.vs_write_errors > 0 ||
2454                     vd->vdev_state < VDEV_STATE_HEALTHY) &&
2455                     d == 0 && dshift == 3 && vd->vdev_children == 0) {
2456                         all_zero = B_FALSE;
2457                         goto next;
2458                 }
2459
2460                 ASSERT(mg->mg_class == mc);
2461
2462                 distance = vd->vdev_asize >> dshift;
2463                 if (distance <= (1ULL << vd->vdev_ms_shift))
2464                         distance = 0;
2465                 else
2466                         all_zero = B_FALSE;
2467
2468                 asize = vdev_psize_to_asize(vd, psize);
2469                 ASSERT(P2PHASE(asize, 1ULL << vd->vdev_ashift) == 0);
2470
2471                 offset = metaslab_group_alloc(mg, asize, txg, distance, dva, d);
2472
2473                 mutex_enter(&mg->mg_lock);
2474                 if (offset == -1ULL) {
2475                         mg->mg_failed_allocations++;
2476                         if (asize == SPA_GANGBLOCKSIZE) {
2477                                 /*
2478                                  * This metaslab group was unable to allocate
2479                                  * the minimum gang block size so it must be
2480                                  * out of space. We must notify the allocation
2481                                  * throttle to start skipping allocation
2482                                  * attempts to this metaslab group until more
2483                                  * space becomes available.
2484                                  *
2485                                  * Note: this failure cannot be caused by the
2486                                  * allocation throttle since the allocation
2487                                  * throttle is only responsible for skipping
2488                                  * devices and not failing block allocations.
2489                                  */
2490                                 mg->mg_no_free_space = B_TRUE;
2491                         }
2492                 }
2493                 mg->mg_allocations++;
2494                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
2495
2496                 if (offset != -1ULL) {
2497                         /*
2498                          * If we've just selected this metaslab group,
2499                          * figure out whether the corresponding vdev is
2500                          * over- or under-used relative to the pool,
2501                          * and set an allocation bias to even it out.
2502                          *
2503                          * Bias is also used to compensate for unequally
2504                          * sized vdevs so that space is allocated fairly.
2505                          */
2506                         if (mc->mc_aliquot == 0 && metaslab_bias_enabled) {
2507                                 vdev_stat_t *vs = &vd->vdev_stat;
2508                                 int64_t vs_free = vs->vs_space - vs->vs_alloc;
2509                                 int64_t mc_free = mc->mc_space - mc->mc_alloc;
2510                                 int64_t ratio;
2511
2512                                 /*
2513                                  * Calculate how much more or less we should
2514                                  * try to allocate from this device during
2515                                  * this iteration around the rotor.
2516                                  *
2517                                  * This basically introduces a zero-centered
2518                                  * bias towards the devices with the most
2519                                  * free space, while compensating for vdev
2520                                  * size differences.
2521                                  *
2522                                  * Examples:
2523                                  *  vdev V1 = 16M/128M
2524                                  *  vdev V2 = 16M/128M
2525                                  *  ratio(V1) = 100% ratio(V2) = 100%
2526                                  *
2527                                  *  vdev V1 = 16M/128M
2528                                  *  vdev V2 = 64M/128M
2529                                  *  ratio(V1) = 127% ratio(V2) =  72%
2530                                  *
2531                                  *  vdev V1 = 16M/128M
2532                                  *  vdev V2 = 64M/512M
2533                                  *  ratio(V1) =  40% ratio(V2) = 160%
2534                                  */
2535                                 ratio = (vs_free * mc->mc_alloc_groups * 100) /
2536                                     (mc_free + 1);
2537                                 mg->mg_bias = ((ratio - 100) *
2538                                     (int64_t)mg->mg_aliquot) / 100;
2539                         } else if (!metaslab_bias_enabled) {
2540                                 mg->mg_bias = 0;
2541                         }
2542
2543                         if ((flags & METASLAB_FASTWRITE) ||
2544                             atomic_add_64_nv(&mc->mc_aliquot, asize) >=
2545                             mg->mg_aliquot + mg->mg_bias) {
2546                                 mc->mc_rotor = mg->mg_next;
2547                                 mc->mc_aliquot = 0;
2548                         }
2549
2550                         DVA_SET_VDEV(&dva[d], vd->vdev_id);
2551                         DVA_SET_OFFSET(&dva[d], offset);
2552                         DVA_SET_GANG(&dva[d],
2553                             ((flags & METASLAB_GANG_HEADER) ? 1 : 0));
2554                         DVA_SET_ASIZE(&dva[d], asize);
2555
2556                         if (flags & METASLAB_FASTWRITE) {
2557                                 atomic_add_64(&vd->vdev_pending_fastwrite,
2558                                     psize);
2559                         }
2560
2561                         return (0);
2562                 }
2563 next:
2564                 mc->mc_rotor = mg->mg_next;
2565                 mc->mc_aliquot = 0;
2566         } while ((mg = mg->mg_next) != rotor);
2567
2568         if (!all_zero) {
2569                 dshift++;
2570                 ASSERT(dshift < 64);
2571                 goto top;
2572         }
2573
2574         if (!allocatable && !zio_lock) {
2575                 dshift = 3;
2576                 zio_lock = B_TRUE;
2577                 goto top;
2578         }
2579
2580         bzero(&dva[d], sizeof (dva_t));
2581
2582         return (SET_ERROR(ENOSPC));
2583 }
2584
2585 /*
2586  * Free the block represented by DVA in the context of the specified
2587  * transaction group.
2588  */
2589 static void
2590 metaslab_free_dva(spa_t *spa, const dva_t *dva, uint64_t txg, boolean_t now)
2591 {
2592         uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(dva);
2593         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
2594         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
2595         vdev_t *vd;
2596         metaslab_t *msp;
2597
2598         if (txg > spa_freeze_txg(spa))
2599                 return;
2600
2601         if ((vd = vdev_lookup_top(spa, vdev)) == NULL || !DVA_IS_VALID(dva) ||
2602             (offset >> vd->vdev_ms_shift) >= vd->vdev_ms_count) {
2603                 zfs_panic_recover("metaslab_free_dva(): bad DVA %llu:%llu:%llu",
2604                     (u_longlong_t)vdev, (u_longlong_t)offset,
2605                     (u_longlong_t)size);
2606                 return;
2607         }
2608
2609         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
2610
2611         if (DVA_GET_GANG(dva))
2612                 size = vdev_psize_to_asize(vd, SPA_GANGBLOCKSIZE);
2613
2614         mutex_enter(&msp->ms_lock);
2615
2616         if (now) {
2617                 range_tree_remove(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK],
2618                     offset, size);
2619
2620                 VERIFY(!msp->ms_condensing);
2621                 VERIFY3U(offset, >=, msp->ms_start);
2622                 VERIFY3U(offset + size, <=, msp->ms_start + msp->ms_size);
2623                 VERIFY3U(range_tree_space(msp->ms_tree) + size, <=,
2624                     msp->ms_size);
2625                 VERIFY0(P2PHASE(offset, 1ULL << vd->vdev_ashift));
2626                 VERIFY0(P2PHASE(size, 1ULL << vd->vdev_ashift));
2627                 range_tree_add(msp->ms_tree, offset, size);
2628         } else {
2629                 if (range_tree_space(msp->ms_freetree[txg & TXG_MASK]) == 0)
2630                         vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
2631                 range_tree_add(msp->ms_freetree[txg & TXG_MASK],
2632                     offset, size);
2633         }
2634
2635         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2636 }
2637
2638 /*
2639  * Intent log support: upon opening the pool after a crash, notify the SPA
2640  * of blocks that the intent log has allocated for immediate write, but
2641  * which are still considered free by the SPA because the last transaction
2642  * group didn't commit yet.
2643  */
2644 static int
2645 metaslab_claim_dva(spa_t *spa, const dva_t *dva, uint64_t txg)
2646 {
2647         uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(dva);
2648         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
2649         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
2650         vdev_t *vd;
2651         metaslab_t *msp;
2652         int error = 0;
2653
2654         ASSERT(DVA_IS_VALID(dva));
2655
2656         if ((vd = vdev_lookup_top(spa, vdev)) == NULL ||
2657             (offset >> vd->vdev_ms_shift) >= vd->vdev_ms_count)
2658                 return (SET_ERROR(ENXIO));
2659
2660         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
2661
2662         if (DVA_GET_GANG(dva))
2663                 size = vdev_psize_to_asize(vd, SPA_GANGBLOCKSIZE);
2664
2665         mutex_enter(&msp->ms_lock);
2666
2667         if ((txg != 0 && spa_writeable(spa)) || !msp->ms_loaded)
2668                 error = metaslab_activate(msp, METASLAB_WEIGHT_SECONDARY);
2669
2670         if (error == 0 && !range_tree_contains(msp->ms_tree, offset, size))
2671                 error = SET_ERROR(ENOENT);
2672
2673         if (error || txg == 0) {        /* txg == 0 indicates dry run */
2674                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
2675                 return (error);
2676         }
2677
2678         VERIFY(!msp->ms_condensing);
2679         VERIFY0(P2PHASE(offset, 1ULL << vd->vdev_ashift));
2680         VERIFY0(P2PHASE(size, 1ULL << vd->vdev_ashift));
2681         VERIFY3U(range_tree_space(msp->ms_tree) - size, <=, msp->ms_size);
2682         range_tree_remove(msp->ms_tree, offset, size);
2683
2684         if (spa_writeable(spa)) {       /* don't dirty if we're zdb(1M) */
2685                 if (range_tree_space(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK]) == 0)
2686                         vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
2687                 range_tree_add(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK], offset, size);
2688         }
2689
2690         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2691
2692         return (0);
2693 }
2694
2695 /*
2696  * Reserve some allocation slots. The reservation system must be called
2697  * before we call into the allocator. If there aren't any available slots
2698  * then the I/O will be throttled until an I/O completes and its slots are
2699  * freed up. The function returns true if it was successful in placing
2700  * the reservation.
2701  */
2702 boolean_t
2703 metaslab_class_throttle_reserve(metaslab_class_t *mc, int slots, zio_t *zio,
2704     int flags)
2705 {
2706         uint64_t available_slots = 0;
2707         uint64_t reserved_slots;
2708         boolean_t slot_reserved = B_FALSE;
2709
2710         ASSERT(mc->mc_alloc_throttle_enabled);
2711         mutex_enter(&mc->mc_lock);
2712
2713         reserved_slots = refcount_count(&mc->mc_alloc_slots);
2714         if (reserved_slots < mc->mc_alloc_max_slots)
2715                 available_slots = mc->mc_alloc_max_slots - reserved_slots;
2716
2717         if (slots <= available_slots || GANG_ALLOCATION(flags)) {
2718                 int d;
2719
2720                 /*
2721                  * We reserve the slots individually so that we can unreserve
2722                  * them individually when an I/O completes.
2723                  */
2724                 for (d = 0; d < slots; d++) {
2725                         reserved_slots = refcount_add(&mc->mc_alloc_slots, zio);
2726                 }
2727                 zio->io_flags |= ZIO_FLAG_IO_ALLOCATING;
2728                 slot_reserved = B_TRUE;
2729         }
2730
2731         mutex_exit(&mc->mc_lock);
2732         return (slot_reserved);
2733 }
2734
2735 void
2736 metaslab_class_throttle_unreserve(metaslab_class_t *mc, int slots, zio_t *zio)
2737 {
2738         int d;
2739
2740         ASSERT(mc->mc_alloc_throttle_enabled);
2741         mutex_enter(&mc->mc_lock);
2742         for (d = 0; d < slots; d++) {
2743                 (void) refcount_remove(&mc->mc_alloc_slots, zio);
2744         }
2745         mutex_exit(&mc->mc_lock);
2746 }
2747
2748 int
2749 metaslab_alloc(spa_t *spa, metaslab_class_t *mc, uint64_t psize, blkptr_t *bp,
2750     int ndvas, uint64_t txg, blkptr_t *hintbp, int flags, zio_t *zio)
2751 {
2752         dva_t *dva = bp->blk_dva;
2753         dva_t *hintdva = hintbp->blk_dva;
2754         int d, error = 0;
2755
2756         ASSERT(bp->blk_birth == 0);
2757         ASSERT(BP_PHYSICAL_BIRTH(bp) == 0);
2758
2759         spa_config_enter(spa, SCL_ALLOC, FTAG, RW_READER);
2760
2761         if (mc->mc_rotor == NULL) {     /* no vdevs in this class */
2762                 spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
2763                 return (SET_ERROR(ENOSPC));
2764         }
2765
2766         ASSERT(ndvas > 0 && ndvas <= spa_max_replication(spa));
2767         ASSERT(BP_GET_NDVAS(bp) == 0);
2768         ASSERT(hintbp == NULL || ndvas <= BP_GET_NDVAS(hintbp));
2769
2770         for (d = 0; d < ndvas; d++) {
2771                 error = metaslab_alloc_dva(spa, mc, psize, dva, d, hintdva,
2772                     txg, flags);
2773                 if (error != 0) {
2774                         for (d--; d >= 0; d--) {
2775                                 metaslab_free_dva(spa, &dva[d], txg, B_TRUE);
2776                                 metaslab_group_alloc_decrement(spa,
2777                                     DVA_GET_VDEV(&dva[d]), zio, flags);
2778                                 bzero(&dva[d], sizeof (dva_t));
2779                         }
2780                         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
2781                         return (error);
2782                 } else {
2783                         /*
2784                          * Update the metaslab group's queue depth
2785                          * based on the newly allocated dva.
2786                          */
2787                         metaslab_group_alloc_increment(spa,
2788                             DVA_GET_VDEV(&dva[d]), zio, flags);
2789                 }
2790
2791         }
2792         ASSERT(error == 0);
2793         ASSERT(BP_GET_NDVAS(bp) == ndvas);
2794
2795         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
2796
2797         BP_SET_BIRTH(bp, txg, 0);
2798
2799         return (0);
2800 }
2801
2802 void
2803 metaslab_free(spa_t *spa, const blkptr_t *bp, uint64_t txg, boolean_t now)
2804 {
2805         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
2806         int d, ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
2807
2808         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
2809         ASSERT(!now || bp->blk_birth >= spa_syncing_txg(spa));
2810
2811         spa_config_enter(spa, SCL_FREE, FTAG, RW_READER);
2812
2813         for (d = 0; d < ndvas; d++)
2814                 metaslab_free_dva(spa, &dva[d], txg, now);
2815
2816         spa_config_exit(spa, SCL_FREE, FTAG);
2817 }
2818
2819 int
2820 metaslab_claim(spa_t *spa, const blkptr_t *bp, uint64_t txg)
2821 {
2822         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
2823         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
2824         int d, error = 0;
2825
2826         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
2827
2828         if (txg != 0) {
2829                 /*
2830                  * First do a dry run to make sure all DVAs are claimable,
2831                  * so we don't have to unwind from partial failures below.
2832                  */
2833                 if ((error = metaslab_claim(spa, bp, 0)) != 0)
2834                         return (error);
2835         }
2836
2837         spa_config_enter(spa, SCL_ALLOC, FTAG, RW_READER);
2838
2839         for (d = 0; d < ndvas; d++)
2840                 if ((error = metaslab_claim_dva(spa, &dva[d], txg)) != 0)
2841                         break;
2842
2843         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
2844
2845         ASSERT(error == 0 || txg == 0);
2846
2847         return (error);
2848 }
2849
2850 void
2851 metaslab_fastwrite_mark(spa_t *spa, const blkptr_t *bp)
2852 {
2853         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
2854         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
2855         uint64_t psize = BP_GET_PSIZE(bp);
2856         int d;
2857         vdev_t *vd;
2858
2859         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
2860         ASSERT(!BP_IS_EMBEDDED(bp));
2861         ASSERT(psize > 0);
2862
2863         spa_config_enter(spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
2864
2865         for (d = 0; d < ndvas; d++) {
2866                 if ((vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&dva[d]))) == NULL)
2867                         continue;
2868                 atomic_add_64(&vd->vdev_pending_fastwrite, psize);
2869         }
2870
2871         spa_config_exit(spa, SCL_VDEV, FTAG);
2872 }
2873
2874 void
2875 metaslab_fastwrite_unmark(spa_t *spa, const blkptr_t *bp)
2876 {
2877         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
2878         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
2879         uint64_t psize = BP_GET_PSIZE(bp);
2880         int d;
2881         vdev_t *vd;
2882
2883         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
2884         ASSERT(!BP_IS_EMBEDDED(bp));
2885         ASSERT(psize > 0);
2886
2887         spa_config_enter(spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
2888
2889         for (d = 0; d < ndvas; d++) {
2890                 if ((vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&dva[d]))) == NULL)
2891                         continue;
2892                 ASSERT3U(vd->vdev_pending_fastwrite, >=, psize);
2893                 atomic_sub_64(&vd->vdev_pending_fastwrite, psize);
2894         }
2895
2896         spa_config_exit(spa, SCL_VDEV, FTAG);
2897 }
2898
2899 void
2900 metaslab_check_free(spa_t *spa, const blkptr_t *bp)
2901 {
2902         int i, j;
2903
2904         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_ZIO_FREE) == 0)
2905                 return;
2906
2907         spa_config_enter(spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
2908         for (i = 0; i < BP_GET_NDVAS(bp); i++) {
2909                 uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(&bp->blk_dva[i]);
2910                 vdev_t *vd = vdev_lookup_top(spa, vdev);
2911                 uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(&bp->blk_dva[i]);
2912                 uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(&bp->blk_dva[i]);
2913                 metaslab_t *msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
2914
2915                 if (msp->ms_loaded)
2916                         range_tree_verify(msp->ms_tree, offset, size);
2917
2918                 for (j = 0; j < TXG_SIZE; j++)
2919                         range_tree_verify(msp->ms_freetree[j], offset, size);
2920                 for (j = 0; j < TXG_DEFER_SIZE; j++)
2921                         range_tree_verify(msp->ms_defertree[j], offset, size);
2922         }
2923         spa_config_exit(spa, SCL_VDEV, FTAG);
2924 }
2925
2926 #if defined(_KERNEL) && defined(HAVE_SPL)
2927 module_param(metaslab_aliquot, ulong, 0644);
2928 module_param(metaslab_debug_load, int, 0644);
2929 module_param(metaslab_debug_unload, int, 0644);
2930 module_param(metaslab_preload_enabled, int, 0644);
2931 module_param(zfs_mg_noalloc_threshold, int, 0644);
2932 module_param(zfs_mg_fragmentation_threshold, int, 0644);
2933 module_param(zfs_metaslab_fragmentation_threshold, int, 0644);
2934 module_param(metaslab_fragmentation_factor_enabled, int, 0644);
2935 module_param(metaslab_lba_weighting_enabled, int, 0644);
2936 module_param(metaslab_bias_enabled, int, 0644);
2937
2938 MODULE_PARM_DESC(metaslab_aliquot,
2939         "allocation granularity (a.k.a. stripe size)");
2940 MODULE_PARM_DESC(metaslab_debug_load,
2941         "load all metaslabs when pool is first opened");
2942 MODULE_PARM_DESC(metaslab_debug_unload,
2943         "prevent metaslabs from being unloaded");
2944 MODULE_PARM_DESC(metaslab_preload_enabled,
2945         "preload potential metaslabs during reassessment");
2946
2947 MODULE_PARM_DESC(zfs_mg_noalloc_threshold,
2948         "percentage of free space for metaslab group to allow allocation");
2949 MODULE_PARM_DESC(zfs_mg_fragmentation_threshold,
2950         "fragmentation for metaslab group to allow allocation");
2951
2952 MODULE_PARM_DESC(zfs_metaslab_fragmentation_threshold,
2953         "fragmentation for metaslab to allow allocation");
2954 MODULE_PARM_DESC(metaslab_fragmentation_factor_enabled,
2955         "use the fragmentation metric to prefer less fragmented metaslabs");
2956 MODULE_PARM_DESC(metaslab_lba_weighting_enabled,
2957         "prefer metaslabs with lower LBAs");
2958 MODULE_PARM_DESC(metaslab_bias_enabled,
2959         "enable metaslab group biasing");
2960 #endif /* _KERNEL && HAVE_SPL */