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