]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - module/zfs/space_map.c
Don't directly cast unsigned long to void*
[FreeBSD/FreeBSD.git] / module / zfs / space_map.c
1 /*
2  * CDDL HEADER START
3  *
4  * The contents of this file are subject to the terms of the
5  * Common Development and Distribution License (the "License").
6  * You may not use this file except in compliance with the License.
7  *
8  * You can obtain a copy of the license at usr/src/OPENSOLARIS.LICENSE
9  * or http://www.opensolaris.org/os/licensing.
10  * See the License for the specific language governing permissions
11  * and limitations under the License.
12  *
13  * When distributing Covered Code, include this CDDL HEADER in each
14  * file and include the License file at usr/src/OPENSOLARIS.LICENSE.
15  * If applicable, add the following below this CDDL HEADER, with the
16  * fields enclosed by brackets "[]" replaced with your own identifying
17  * information: Portions Copyright [yyyy] [name of copyright owner]
18  *
19  * CDDL HEADER END
20  */
21 /*
22  * Copyright 2009 Sun Microsystems, Inc.  All rights reserved.
23  * Use is subject to license terms.
24  */
25 /*
26  * Copyright (c) 2012, 2019 by Delphix. All rights reserved.
27  */
28
29 #include <sys/zfs_context.h>
30 #include <sys/spa.h>
31 #include <sys/dmu.h>
32 #include <sys/dmu_tx.h>
33 #include <sys/dnode.h>
34 #include <sys/dsl_pool.h>
35 #include <sys/zio.h>
36 #include <sys/space_map.h>
37 #include <sys/refcount.h>
38 #include <sys/zfeature.h>
39
40 /*
41  * Note on space map block size:
42  *
43  * The data for a given space map can be kept on blocks of any size.
44  * Larger blocks entail fewer I/O operations, but they also cause the
45  * DMU to keep more data in-core, and also to waste more I/O bandwidth
46  * when only a few blocks have changed since the last transaction group.
47  */
48
49 /*
50  * Enabled whenever we want to stress test the use of double-word
51  * space map entries.
52  */
53 boolean_t zfs_force_some_double_word_sm_entries = B_FALSE;
54
55 /*
56  * Override the default indirect block size of 128K, instead use 16K for
57  * spacemaps (2^14 bytes).  This dramatically reduces write inflation since
58  * appending to a spacemap typically has to write one data block (4KB) and one
59  * or two indirect blocks (16K-32K, rather than 128K).
60  */
61 int space_map_ibs = 14;
62
63 boolean_t
64 sm_entry_is_debug(uint64_t e)
65 {
66         return (SM_PREFIX_DECODE(e) == SM_DEBUG_PREFIX);
67 }
68
69 boolean_t
70 sm_entry_is_single_word(uint64_t e)
71 {
72         uint8_t prefix = SM_PREFIX_DECODE(e);
73         return (prefix != SM_DEBUG_PREFIX && prefix != SM2_PREFIX);
74 }
75
76 boolean_t
77 sm_entry_is_double_word(uint64_t e)
78 {
79         return (SM_PREFIX_DECODE(e) == SM2_PREFIX);
80 }
81
82 /*
83  * Iterate through the space map, invoking the callback on each (non-debug)
84  * space map entry. Stop after reading 'end' bytes of the space map.
85  */
86 int
87 space_map_iterate(space_map_t *sm, uint64_t end, sm_cb_t callback, void *arg)
88 {
89         uint64_t blksz = sm->sm_blksz;
90
91         ASSERT3U(blksz, !=, 0);
92         ASSERT3U(end, <=, space_map_length(sm));
93         ASSERT0(P2PHASE(end, sizeof (uint64_t)));
94
95         dmu_prefetch(sm->sm_os, space_map_object(sm), 0, 0, end,
96             ZIO_PRIORITY_SYNC_READ);
97
98         int error = 0;
99         for (uint64_t block_base = 0; block_base < end && error == 0;
100             block_base += blksz) {
101                 dmu_buf_t *db;
102                 error = dmu_buf_hold(sm->sm_os, space_map_object(sm),
103                     block_base, FTAG, &db, DMU_READ_PREFETCH);
104                 if (error != 0)
105                         return (error);
106
107                 uint64_t *block_start = db->db_data;
108                 uint64_t block_length = MIN(end - block_base, blksz);
109                 uint64_t *block_end = block_start +
110                     (block_length / sizeof (uint64_t));
111
112                 VERIFY0(P2PHASE(block_length, sizeof (uint64_t)));
113                 VERIFY3U(block_length, !=, 0);
114                 ASSERT3U(blksz, ==, db->db_size);
115
116                 for (uint64_t *block_cursor = block_start;
117                     block_cursor < block_end && error == 0; block_cursor++) {
118                         uint64_t e = *block_cursor;
119
120                         if (sm_entry_is_debug(e)) /* Skip debug entries */
121                                 continue;
122
123                         uint64_t raw_offset, raw_run, vdev_id;
124                         maptype_t type;
125                         if (sm_entry_is_single_word(e)) {
126                                 type = SM_TYPE_DECODE(e);
127                                 vdev_id = SM_NO_VDEVID;
128                                 raw_offset = SM_OFFSET_DECODE(e);
129                                 raw_run = SM_RUN_DECODE(e);
130                         } else {
131                                 /* it is a two-word entry */
132                                 ASSERT(sm_entry_is_double_word(e));
133                                 raw_run = SM2_RUN_DECODE(e);
134                                 vdev_id = SM2_VDEV_DECODE(e);
135
136                                 /* move on to the second word */
137                                 block_cursor++;
138                                 e = *block_cursor;
139                                 VERIFY3P(block_cursor, <=, block_end);
140
141                                 type = SM2_TYPE_DECODE(e);
142                                 raw_offset = SM2_OFFSET_DECODE(e);
143                         }
144
145                         uint64_t entry_offset = (raw_offset << sm->sm_shift) +
146                             sm->sm_start;
147                         uint64_t entry_run = raw_run << sm->sm_shift;
148
149                         VERIFY0(P2PHASE(entry_offset, 1ULL << sm->sm_shift));
150                         VERIFY0(P2PHASE(entry_run, 1ULL << sm->sm_shift));
151                         ASSERT3U(entry_offset, >=, sm->sm_start);
152                         ASSERT3U(entry_offset, <, sm->sm_start + sm->sm_size);
153                         ASSERT3U(entry_run, <=, sm->sm_size);
154                         ASSERT3U(entry_offset + entry_run, <=,
155                             sm->sm_start + sm->sm_size);
156
157                         space_map_entry_t sme = {
158                             .sme_type = type,
159                             .sme_vdev = vdev_id,
160                             .sme_offset = entry_offset,
161                             .sme_run = entry_run
162                         };
163                         error = callback(&sme, arg);
164                 }
165                 dmu_buf_rele(db, FTAG);
166         }
167         return (error);
168 }
169
170 /*
171  * Reads the entries from the last block of the space map into
172  * buf in reverse order. Populates nwords with number of words
173  * in the last block.
174  *
175  * Refer to block comment within space_map_incremental_destroy()
176  * to understand why this function is needed.
177  */
178 static int
179 space_map_reversed_last_block_entries(space_map_t *sm, uint64_t *buf,
180     uint64_t bufsz, uint64_t *nwords)
181 {
182         int error = 0;
183         dmu_buf_t *db;
184
185         /*
186          * Find the offset of the last word in the space map and use
187          * that to read the last block of the space map with
188          * dmu_buf_hold().
189          */
190         uint64_t last_word_offset =
191             sm->sm_phys->smp_length - sizeof (uint64_t);
192         error = dmu_buf_hold(sm->sm_os, space_map_object(sm), last_word_offset,
193             FTAG, &db, DMU_READ_NO_PREFETCH);
194         if (error != 0)
195                 return (error);
196
197         ASSERT3U(sm->sm_object, ==, db->db_object);
198         ASSERT3U(sm->sm_blksz, ==, db->db_size);
199         ASSERT3U(bufsz, >=, db->db_size);
200         ASSERT(nwords != NULL);
201
202         uint64_t *words = db->db_data;
203         *nwords =
204             (sm->sm_phys->smp_length - db->db_offset) / sizeof (uint64_t);
205
206         ASSERT3U(*nwords, <=, bufsz / sizeof (uint64_t));
207
208         uint64_t n = *nwords;
209         uint64_t j = n - 1;
210         for (uint64_t i = 0; i < n; i++) {
211                 uint64_t entry = words[i];
212                 if (sm_entry_is_double_word(entry)) {
213                         /*
214                          * Since we are populating the buffer backwards
215                          * we have to be extra careful and add the two
216                          * words of the double-word entry in the right
217                          * order.
218                          */
219                         ASSERT3U(j, >, 0);
220                         buf[j - 1] = entry;
221
222                         i++;
223                         ASSERT3U(i, <, n);
224                         entry = words[i];
225                         buf[j] = entry;
226                         j -= 2;
227                 } else {
228                         ASSERT(sm_entry_is_debug(entry) ||
229                             sm_entry_is_single_word(entry));
230                         buf[j] = entry;
231                         j--;
232                 }
233         }
234
235         /*
236          * Assert that we wrote backwards all the
237          * way to the beginning of the buffer.
238          */
239         ASSERT3S(j, ==, -1);
240
241         dmu_buf_rele(db, FTAG);
242         return (error);
243 }
244
245 /*
246  * Note: This function performs destructive actions - specifically
247  * it deletes entries from the end of the space map. Thus, callers
248  * should ensure that they are holding the appropriate locks for
249  * the space map that they provide.
250  */
251 int
252 space_map_incremental_destroy(space_map_t *sm, sm_cb_t callback, void *arg,
253     dmu_tx_t *tx)
254 {
255         uint64_t bufsz = MAX(sm->sm_blksz, SPA_MINBLOCKSIZE);
256         uint64_t *buf = zio_buf_alloc(bufsz);
257
258         dmu_buf_will_dirty(sm->sm_dbuf, tx);
259
260         /*
261          * Ideally we would want to iterate from the beginning of the
262          * space map to the end in incremental steps. The issue with this
263          * approach is that we don't have any field on-disk that points
264          * us where to start between each step. We could try zeroing out
265          * entries that we've destroyed, but this doesn't work either as
266          * an entry that is 0 is a valid one (ALLOC for range [0x0:0x200]).
267          *
268          * As a result, we destroy its entries incrementally starting from
269          * the end after applying the callback to each of them.
270          *
271          * The problem with this approach is that we cannot literally
272          * iterate through the words in the space map backwards as we
273          * can't distinguish two-word space map entries from their second
274          * word. Thus we do the following:
275          *
276          * 1] We get all the entries from the last block of the space map
277          *    and put them into a buffer in reverse order. This way the
278          *    last entry comes first in the buffer, the second to last is
279          *    second, etc.
280          * 2] We iterate through the entries in the buffer and we apply
281          *    the callback to each one. As we move from entry to entry we
282          *    we decrease the size of the space map, deleting effectively
283          *    each entry.
284          * 3] If there are no more entries in the space map or the callback
285          *    returns a value other than 0, we stop iterating over the
286          *    space map. If there are entries remaining and the callback
287          *    returned 0, we go back to step [1].
288          */
289         int error = 0;
290         while (space_map_length(sm) > 0 && error == 0) {
291                 uint64_t nwords = 0;
292                 error = space_map_reversed_last_block_entries(sm, buf, bufsz,
293                     &nwords);
294                 if (error != 0)
295                         break;
296
297                 ASSERT3U(nwords, <=, bufsz / sizeof (uint64_t));
298
299                 for (uint64_t i = 0; i < nwords; i++) {
300                         uint64_t e = buf[i];
301
302                         if (sm_entry_is_debug(e)) {
303                                 sm->sm_phys->smp_length -= sizeof (uint64_t);
304                                 continue;
305                         }
306
307                         int words = 1;
308                         uint64_t raw_offset, raw_run, vdev_id;
309                         maptype_t type;
310                         if (sm_entry_is_single_word(e)) {
311                                 type = SM_TYPE_DECODE(e);
312                                 vdev_id = SM_NO_VDEVID;
313                                 raw_offset = SM_OFFSET_DECODE(e);
314                                 raw_run = SM_RUN_DECODE(e);
315                         } else {
316                                 ASSERT(sm_entry_is_double_word(e));
317                                 words = 2;
318
319                                 raw_run = SM2_RUN_DECODE(e);
320                                 vdev_id = SM2_VDEV_DECODE(e);
321
322                                 /* move to the second word */
323                                 i++;
324                                 e = buf[i];
325
326                                 ASSERT3P(i, <=, nwords);
327
328                                 type = SM2_TYPE_DECODE(e);
329                                 raw_offset = SM2_OFFSET_DECODE(e);
330                         }
331
332                         uint64_t entry_offset =
333                             (raw_offset << sm->sm_shift) + sm->sm_start;
334                         uint64_t entry_run = raw_run << sm->sm_shift;
335
336                         VERIFY0(P2PHASE(entry_offset, 1ULL << sm->sm_shift));
337                         VERIFY0(P2PHASE(entry_run, 1ULL << sm->sm_shift));
338                         VERIFY3U(entry_offset, >=, sm->sm_start);
339                         VERIFY3U(entry_offset, <, sm->sm_start + sm->sm_size);
340                         VERIFY3U(entry_run, <=, sm->sm_size);
341                         VERIFY3U(entry_offset + entry_run, <=,
342                             sm->sm_start + sm->sm_size);
343
344                         space_map_entry_t sme = {
345                             .sme_type = type,
346                             .sme_vdev = vdev_id,
347                             .sme_offset = entry_offset,
348                             .sme_run = entry_run
349                         };
350                         error = callback(&sme, arg);
351                         if (error != 0)
352                                 break;
353
354                         if (type == SM_ALLOC)
355                                 sm->sm_phys->smp_alloc -= entry_run;
356                         else
357                                 sm->sm_phys->smp_alloc += entry_run;
358                         sm->sm_phys->smp_length -= words * sizeof (uint64_t);
359                 }
360         }
361
362         if (space_map_length(sm) == 0) {
363                 ASSERT0(error);
364                 ASSERT0(space_map_allocated(sm));
365         }
366
367         zio_buf_free(buf, bufsz);
368         return (error);
369 }
370
371 typedef struct space_map_load_arg {
372         space_map_t     *smla_sm;
373         range_tree_t    *smla_rt;
374         maptype_t       smla_type;
375 } space_map_load_arg_t;
376
377 static int
378 space_map_load_callback(space_map_entry_t *sme, void *arg)
379 {
380         space_map_load_arg_t *smla = arg;
381         if (sme->sme_type == smla->smla_type) {
382                 VERIFY3U(range_tree_space(smla->smla_rt) + sme->sme_run, <=,
383                     smla->smla_sm->sm_size);
384                 range_tree_add(smla->smla_rt, sme->sme_offset, sme->sme_run);
385         } else {
386                 range_tree_remove(smla->smla_rt, sme->sme_offset, sme->sme_run);
387         }
388
389         return (0);
390 }
391
392 /*
393  * Load the spacemap into the rangetree, like space_map_load. But only
394  * read the first 'length' bytes of the spacemap.
395  */
396 int
397 space_map_load_length(space_map_t *sm, range_tree_t *rt, maptype_t maptype,
398     uint64_t length)
399 {
400         space_map_load_arg_t smla;
401
402         VERIFY0(range_tree_space(rt));
403
404         if (maptype == SM_FREE)
405                 range_tree_add(rt, sm->sm_start, sm->sm_size);
406
407         smla.smla_rt = rt;
408         smla.smla_sm = sm;
409         smla.smla_type = maptype;
410         int err = space_map_iterate(sm, length,
411             space_map_load_callback, &smla);
412
413         if (err != 0)
414                 range_tree_vacate(rt, NULL, NULL);
415
416         return (err);
417 }
418
419 /*
420  * Load the space map disk into the specified range tree. Segments of maptype
421  * are added to the range tree, other segment types are removed.
422  */
423 int
424 space_map_load(space_map_t *sm, range_tree_t *rt, maptype_t maptype)
425 {
426         return (space_map_load_length(sm, rt, maptype, space_map_length(sm)));
427 }
428
429 void
430 space_map_histogram_clear(space_map_t *sm)
431 {
432         if (sm->sm_dbuf->db_size != sizeof (space_map_phys_t))
433                 return;
434
435         bzero(sm->sm_phys->smp_histogram, sizeof (sm->sm_phys->smp_histogram));
436 }
437
438 boolean_t
439 space_map_histogram_verify(space_map_t *sm, range_tree_t *rt)
440 {
441         /*
442          * Verify that the in-core range tree does not have any
443          * ranges smaller than our sm_shift size.
444          */
445         for (int i = 0; i < sm->sm_shift; i++) {
446                 if (rt->rt_histogram[i] != 0)
447                         return (B_FALSE);
448         }
449         return (B_TRUE);
450 }
451
452 void
453 space_map_histogram_add(space_map_t *sm, range_tree_t *rt, dmu_tx_t *tx)
454 {
455         int idx = 0;
456
457         ASSERT(dmu_tx_is_syncing(tx));
458         VERIFY3U(space_map_object(sm), !=, 0);
459
460         if (sm->sm_dbuf->db_size != sizeof (space_map_phys_t))
461                 return;
462
463         dmu_buf_will_dirty(sm->sm_dbuf, tx);
464
465         ASSERT(space_map_histogram_verify(sm, rt));
466         /*
467          * Transfer the content of the range tree histogram to the space
468          * map histogram. The space map histogram contains 32 buckets ranging
469          * between 2^sm_shift to 2^(32+sm_shift-1). The range tree,
470          * however, can represent ranges from 2^0 to 2^63. Since the space
471          * map only cares about allocatable blocks (minimum of sm_shift) we
472          * can safely ignore all ranges in the range tree smaller than sm_shift.
473          */
474         for (int i = sm->sm_shift; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
475
476                 /*
477                  * Since the largest histogram bucket in the space map is
478                  * 2^(32+sm_shift-1), we need to normalize the values in
479                  * the range tree for any bucket larger than that size. For
480                  * example given an sm_shift of 9, ranges larger than 2^40
481                  * would get normalized as if they were 1TB ranges. Assume
482                  * the range tree had a count of 5 in the 2^44 (16TB) bucket,
483                  * the calculation below would normalize this to 5 * 2^4 (16).
484                  */
485                 ASSERT3U(i, >=, idx + sm->sm_shift);
486                 sm->sm_phys->smp_histogram[idx] +=
487                     rt->rt_histogram[i] << (i - idx - sm->sm_shift);
488
489                 /*
490                  * Increment the space map's index as long as we haven't
491                  * reached the maximum bucket size. Accumulate all ranges
492                  * larger than the max bucket size into the last bucket.
493                  */
494                 if (idx < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE - 1) {
495                         ASSERT3U(idx + sm->sm_shift, ==, i);
496                         idx++;
497                         ASSERT3U(idx, <, SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE);
498                 }
499         }
500 }
501
502 static void
503 space_map_write_intro_debug(space_map_t *sm, maptype_t maptype, dmu_tx_t *tx)
504 {
505         dmu_buf_will_dirty(sm->sm_dbuf, tx);
506
507         uint64_t dentry = SM_PREFIX_ENCODE(SM_DEBUG_PREFIX) |
508             SM_DEBUG_ACTION_ENCODE(maptype) |
509             SM_DEBUG_SYNCPASS_ENCODE(spa_sync_pass(tx->tx_pool->dp_spa)) |
510             SM_DEBUG_TXG_ENCODE(dmu_tx_get_txg(tx));
511
512         dmu_write(sm->sm_os, space_map_object(sm), sm->sm_phys->smp_length,
513             sizeof (dentry), &dentry, tx);
514
515         sm->sm_phys->smp_length += sizeof (dentry);
516 }
517
518 /*
519  * Writes one or more entries given a segment.
520  *
521  * Note: The function may release the dbuf from the pointer initially
522  * passed to it, and return a different dbuf. Also, the space map's
523  * dbuf must be dirty for the changes in sm_phys to take effect.
524  */
525 static void
526 space_map_write_seg(space_map_t *sm, range_seg_t *rs, maptype_t maptype,
527     uint64_t vdev_id, uint8_t words, dmu_buf_t **dbp, void *tag, dmu_tx_t *tx)
528 {
529         ASSERT3U(words, !=, 0);
530         ASSERT3U(words, <=, 2);
531
532         /* ensure the vdev_id can be represented by the space map */
533         ASSERT3U(vdev_id, <=, SM_NO_VDEVID);
534
535         /*
536          * if this is a single word entry, ensure that no vdev was
537          * specified.
538          */
539         IMPLY(words == 1, vdev_id == SM_NO_VDEVID);
540
541         dmu_buf_t *db = *dbp;
542         ASSERT3U(db->db_size, ==, sm->sm_blksz);
543
544         uint64_t *block_base = db->db_data;
545         uint64_t *block_end = block_base + (sm->sm_blksz / sizeof (uint64_t));
546         uint64_t *block_cursor = block_base +
547             (sm->sm_phys->smp_length - db->db_offset) / sizeof (uint64_t);
548
549         ASSERT3P(block_cursor, <=, block_end);
550
551         uint64_t size = (rs->rs_end - rs->rs_start) >> sm->sm_shift;
552         uint64_t start = (rs->rs_start - sm->sm_start) >> sm->sm_shift;
553         uint64_t run_max = (words == 2) ? SM2_RUN_MAX : SM_RUN_MAX;
554
555         ASSERT3U(rs->rs_start, >=, sm->sm_start);
556         ASSERT3U(rs->rs_start, <, sm->sm_start + sm->sm_size);
557         ASSERT3U(rs->rs_end - rs->rs_start, <=, sm->sm_size);
558         ASSERT3U(rs->rs_end, <=, sm->sm_start + sm->sm_size);
559
560         while (size != 0) {
561                 ASSERT3P(block_cursor, <=, block_end);
562
563                 /*
564                  * If we are at the end of this block, flush it and start
565                  * writing again from the beginning.
566                  */
567                 if (block_cursor == block_end) {
568                         dmu_buf_rele(db, tag);
569
570                         uint64_t next_word_offset = sm->sm_phys->smp_length;
571                         VERIFY0(dmu_buf_hold(sm->sm_os,
572                             space_map_object(sm), next_word_offset,
573                             tag, &db, DMU_READ_PREFETCH));
574                         dmu_buf_will_dirty(db, tx);
575
576                         /* update caller's dbuf */
577                         *dbp = db;
578
579                         ASSERT3U(db->db_size, ==, sm->sm_blksz);
580
581                         block_base = db->db_data;
582                         block_cursor = block_base;
583                         block_end = block_base +
584                             (db->db_size / sizeof (uint64_t));
585                 }
586
587                 /*
588                  * If we are writing a two-word entry and we only have one
589                  * word left on this block, just pad it with an empty debug
590                  * entry and write the two-word entry in the next block.
591                  */
592                 uint64_t *next_entry = block_cursor + 1;
593                 if (next_entry == block_end && words > 1) {
594                         ASSERT3U(words, ==, 2);
595                         *block_cursor = SM_PREFIX_ENCODE(SM_DEBUG_PREFIX) |
596                             SM_DEBUG_ACTION_ENCODE(0) |
597                             SM_DEBUG_SYNCPASS_ENCODE(0) |
598                             SM_DEBUG_TXG_ENCODE(0);
599                         block_cursor++;
600                         sm->sm_phys->smp_length += sizeof (uint64_t);
601                         ASSERT3P(block_cursor, ==, block_end);
602                         continue;
603                 }
604
605                 uint64_t run_len = MIN(size, run_max);
606                 switch (words) {
607                 case 1:
608                         *block_cursor = SM_OFFSET_ENCODE(start) |
609                             SM_TYPE_ENCODE(maptype) |
610                             SM_RUN_ENCODE(run_len);
611                         block_cursor++;
612                         break;
613                 case 2:
614                         /* write the first word of the entry */
615                         *block_cursor = SM_PREFIX_ENCODE(SM2_PREFIX) |
616                             SM2_RUN_ENCODE(run_len) |
617                             SM2_VDEV_ENCODE(vdev_id);
618                         block_cursor++;
619
620                         /* move on to the second word of the entry */
621                         ASSERT3P(block_cursor, <, block_end);
622                         *block_cursor = SM2_TYPE_ENCODE(maptype) |
623                             SM2_OFFSET_ENCODE(start);
624                         block_cursor++;
625                         break;
626                 default:
627                         panic("%d-word space map entries are not supported",
628                             words);
629                         break;
630                 }
631                 sm->sm_phys->smp_length += words * sizeof (uint64_t);
632
633                 start += run_len;
634                 size -= run_len;
635         }
636         ASSERT0(size);
637
638 }
639
640 /*
641  * Note: The space map's dbuf must be dirty for the changes in sm_phys to
642  * take effect.
643  */
644 static void
645 space_map_write_impl(space_map_t *sm, range_tree_t *rt, maptype_t maptype,
646     uint64_t vdev_id, dmu_tx_t *tx)
647 {
648         spa_t *spa = tx->tx_pool->dp_spa;
649         dmu_buf_t *db;
650
651         space_map_write_intro_debug(sm, maptype, tx);
652
653 #ifdef DEBUG
654         /*
655          * We do this right after we write the intro debug entry
656          * because the estimate does not take it into account.
657          */
658         uint64_t initial_objsize = sm->sm_phys->smp_length;
659         uint64_t estimated_growth =
660             space_map_estimate_optimal_size(sm, rt, SM_NO_VDEVID);
661         uint64_t estimated_final_objsize = initial_objsize + estimated_growth;
662 #endif
663
664         /*
665          * Find the offset right after the last word in the space map
666          * and use that to get a hold of the last block, so we can
667          * start appending to it.
668          */
669         uint64_t next_word_offset = sm->sm_phys->smp_length;
670         VERIFY0(dmu_buf_hold(sm->sm_os, space_map_object(sm),
671             next_word_offset, FTAG, &db, DMU_READ_PREFETCH));
672         ASSERT3U(db->db_size, ==, sm->sm_blksz);
673
674         dmu_buf_will_dirty(db, tx);
675
676         avl_tree_t *t = &rt->rt_root;
677         for (range_seg_t *rs = avl_first(t); rs != NULL; rs = AVL_NEXT(t, rs)) {
678                 uint64_t offset = (rs->rs_start - sm->sm_start) >> sm->sm_shift;
679                 uint64_t length = (rs->rs_end - rs->rs_start) >> sm->sm_shift;
680                 uint8_t words = 1;
681
682                 /*
683                  * We only write two-word entries when both of the following
684                  * are true:
685                  *
686                  * [1] The feature is enabled.
687                  * [2] The offset or run is too big for a single-word entry,
688                  *      or the vdev_id is set (meaning not equal to
689                  *      SM_NO_VDEVID).
690                  *
691                  * Note that for purposes of testing we've added the case that
692                  * we write two-word entries occasionally when the feature is
693                  * enabled and zfs_force_some_double_word_sm_entries has been
694                  * set.
695                  */
696                 if (spa_feature_is_active(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_V2) &&
697                     (offset >= (1ULL << SM_OFFSET_BITS) ||
698                     length > SM_RUN_MAX ||
699                     vdev_id != SM_NO_VDEVID ||
700                     (zfs_force_some_double_word_sm_entries &&
701                     spa_get_random(100) == 0)))
702                         words = 2;
703
704                 space_map_write_seg(sm, rs, maptype, vdev_id, words,
705                     &db, FTAG, tx);
706         }
707
708         dmu_buf_rele(db, FTAG);
709
710 #ifdef DEBUG
711         /*
712          * We expect our estimation to be based on the worst case
713          * scenario [see comment in space_map_estimate_optimal_size()].
714          * Therefore we expect the actual objsize to be equal or less
715          * than whatever we estimated it to be.
716          */
717         ASSERT3U(estimated_final_objsize, >=, sm->sm_phys->smp_length);
718 #endif
719 }
720
721 /*
722  * Note: This function manipulates the state of the given space map but
723  * does not hold any locks implicitly. Thus the caller is responsible
724  * for synchronizing writes to the space map.
725  */
726 void
727 space_map_write(space_map_t *sm, range_tree_t *rt, maptype_t maptype,
728     uint64_t vdev_id, dmu_tx_t *tx)
729 {
730         ASSERT(dsl_pool_sync_context(dmu_objset_pool(sm->sm_os)));
731         VERIFY3U(space_map_object(sm), !=, 0);
732
733         dmu_buf_will_dirty(sm->sm_dbuf, tx);
734
735         /*
736          * This field is no longer necessary since the in-core space map
737          * now contains the object number but is maintained for backwards
738          * compatibility.
739          */
740         sm->sm_phys->smp_object = sm->sm_object;
741
742         if (range_tree_is_empty(rt)) {
743                 VERIFY3U(sm->sm_object, ==, sm->sm_phys->smp_object);
744                 return;
745         }
746
747         if (maptype == SM_ALLOC)
748                 sm->sm_phys->smp_alloc += range_tree_space(rt);
749         else
750                 sm->sm_phys->smp_alloc -= range_tree_space(rt);
751
752         uint64_t nodes = avl_numnodes(&rt->rt_root);
753         uint64_t rt_space = range_tree_space(rt);
754
755         space_map_write_impl(sm, rt, maptype, vdev_id, tx);
756
757         /*
758          * Ensure that the space_map's accounting wasn't changed
759          * while we were in the middle of writing it out.
760          */
761         VERIFY3U(nodes, ==, avl_numnodes(&rt->rt_root));
762         VERIFY3U(range_tree_space(rt), ==, rt_space);
763 }
764
765 static int
766 space_map_open_impl(space_map_t *sm)
767 {
768         int error;
769         u_longlong_t blocks;
770
771         error = dmu_bonus_hold(sm->sm_os, sm->sm_object, sm, &sm->sm_dbuf);
772         if (error)
773                 return (error);
774
775         dmu_object_size_from_db(sm->sm_dbuf, &sm->sm_blksz, &blocks);
776         sm->sm_phys = sm->sm_dbuf->db_data;
777         return (0);
778 }
779
780 int
781 space_map_open(space_map_t **smp, objset_t *os, uint64_t object,
782     uint64_t start, uint64_t size, uint8_t shift)
783 {
784         space_map_t *sm;
785         int error;
786
787         ASSERT(*smp == NULL);
788         ASSERT(os != NULL);
789         ASSERT(object != 0);
790
791         sm = kmem_alloc(sizeof (space_map_t), KM_SLEEP);
792
793         sm->sm_start = start;
794         sm->sm_size = size;
795         sm->sm_shift = shift;
796         sm->sm_os = os;
797         sm->sm_object = object;
798         sm->sm_blksz = 0;
799         sm->sm_dbuf = NULL;
800         sm->sm_phys = NULL;
801
802         error = space_map_open_impl(sm);
803         if (error != 0) {
804                 space_map_close(sm);
805                 return (error);
806         }
807         *smp = sm;
808
809         return (0);
810 }
811
812 void
813 space_map_close(space_map_t *sm)
814 {
815         if (sm == NULL)
816                 return;
817
818         if (sm->sm_dbuf != NULL)
819                 dmu_buf_rele(sm->sm_dbuf, sm);
820         sm->sm_dbuf = NULL;
821         sm->sm_phys = NULL;
822
823         kmem_free(sm, sizeof (*sm));
824 }
825
826 void
827 space_map_truncate(space_map_t *sm, int blocksize, dmu_tx_t *tx)
828 {
829         objset_t *os = sm->sm_os;
830         spa_t *spa = dmu_objset_spa(os);
831         dmu_object_info_t doi;
832
833         ASSERT(dsl_pool_sync_context(dmu_objset_pool(os)));
834         ASSERT(dmu_tx_is_syncing(tx));
835         VERIFY3U(dmu_tx_get_txg(tx), <=, spa_final_dirty_txg(spa));
836
837         dmu_object_info_from_db(sm->sm_dbuf, &doi);
838
839         /*
840          * If the space map has the wrong bonus size (because
841          * SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM has recently been enabled), or
842          * the wrong block size (because space_map_blksz has changed),
843          * free and re-allocate its object with the updated sizes.
844          *
845          * Otherwise, just truncate the current object.
846          */
847         if ((spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM) &&
848             doi.doi_bonus_size != sizeof (space_map_phys_t)) ||
849             doi.doi_data_block_size != blocksize ||
850             doi.doi_metadata_block_size != 1 << space_map_ibs) {
851                 zfs_dbgmsg("txg %llu, spa %s, sm %px, reallocating "
852                     "object[%llu]: old bonus %u, old blocksz %u",
853                     dmu_tx_get_txg(tx), spa_name(spa), sm, sm->sm_object,
854                     doi.doi_bonus_size, doi.doi_data_block_size);
855
856                 space_map_free(sm, tx);
857                 dmu_buf_rele(sm->sm_dbuf, sm);
858
859                 sm->sm_object = space_map_alloc(sm->sm_os, blocksize, tx);
860                 VERIFY0(space_map_open_impl(sm));
861         } else {
862                 VERIFY0(dmu_free_range(os, space_map_object(sm), 0, -1ULL, tx));
863
864                 /*
865                  * If the spacemap is reallocated, its histogram
866                  * will be reset.  Do the same in the common case so that
867                  * bugs related to the uncommon case do not go unnoticed.
868                  */
869                 bzero(sm->sm_phys->smp_histogram,
870                     sizeof (sm->sm_phys->smp_histogram));
871         }
872
873         dmu_buf_will_dirty(sm->sm_dbuf, tx);
874         sm->sm_phys->smp_length = 0;
875         sm->sm_phys->smp_alloc = 0;
876 }
877
878 uint64_t
879 space_map_alloc(objset_t *os, int blocksize, dmu_tx_t *tx)
880 {
881         spa_t *spa = dmu_objset_spa(os);
882         uint64_t object;
883         int bonuslen;
884
885         if (spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM)) {
886                 spa_feature_incr(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM, tx);
887                 bonuslen = sizeof (space_map_phys_t);
888                 ASSERT3U(bonuslen, <=, dmu_bonus_max());
889         } else {
890                 bonuslen = SPACE_MAP_SIZE_V0;
891         }
892
893         object = dmu_object_alloc_ibs(os, DMU_OT_SPACE_MAP, blocksize,
894             space_map_ibs, DMU_OT_SPACE_MAP_HEADER, bonuslen, tx);
895
896         return (object);
897 }
898
899 void
900 space_map_free_obj(objset_t *os, uint64_t smobj, dmu_tx_t *tx)
901 {
902         spa_t *spa = dmu_objset_spa(os);
903         if (spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM)) {
904                 dmu_object_info_t doi;
905
906                 VERIFY0(dmu_object_info(os, smobj, &doi));
907                 if (doi.doi_bonus_size != SPACE_MAP_SIZE_V0) {
908                         spa_feature_decr(spa,
909                             SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM, tx);
910                 }
911         }
912
913         VERIFY0(dmu_object_free(os, smobj, tx));
914 }
915
916 void
917 space_map_free(space_map_t *sm, dmu_tx_t *tx)
918 {
919         if (sm == NULL)
920                 return;
921
922         space_map_free_obj(sm->sm_os, space_map_object(sm), tx);
923         sm->sm_object = 0;
924 }
925
926 /*
927  * Given a range tree, it makes a worst-case estimate of how much
928  * space would the tree's segments take if they were written to
929  * the given space map.
930  */
931 uint64_t
932 space_map_estimate_optimal_size(space_map_t *sm, range_tree_t *rt,
933     uint64_t vdev_id)
934 {
935         spa_t *spa = dmu_objset_spa(sm->sm_os);
936         uint64_t shift = sm->sm_shift;
937         uint64_t *histogram = rt->rt_histogram;
938         uint64_t entries_for_seg = 0;
939
940         /*
941          * In order to get a quick estimate of the optimal size that this
942          * range tree would have on-disk as a space map, we iterate through
943          * its histogram buckets instead of iterating through its nodes.
944          *
945          * Note that this is a highest-bound/worst-case estimate for the
946          * following reasons:
947          *
948          * 1] We assume that we always add a debug padding for each block
949          *    we write and we also assume that we start at the last word
950          *    of a block attempting to write a two-word entry.
951          * 2] Rounding up errors due to the way segments are distributed
952          *    in the buckets of the range tree's histogram.
953          * 3] The activation of zfs_force_some_double_word_sm_entries
954          *    (tunable) when testing.
955          *
956          * = Math and Rounding Errors =
957          *
958          * rt_histogram[i] bucket of a range tree represents the number
959          * of entries in [2^i, (2^(i+1))-1] of that range_tree. Given
960          * that, we want to divide the buckets into groups: Buckets that
961          * can be represented using a single-word entry, ones that can
962          * be represented with a double-word entry, and ones that can
963          * only be represented with multiple two-word entries.
964          *
965          * [Note that if the new encoding feature is not enabled there
966          * are only two groups: single-word entry buckets and multiple
967          * single-word entry buckets. The information below assumes
968          * two-word entries enabled, but it can easily applied when
969          * the feature is not enabled]
970          *
971          * To find the highest bucket that can be represented with a
972          * single-word entry we look at the maximum run that such entry
973          * can have, which is 2^(SM_RUN_BITS + sm_shift) [remember that
974          * the run of a space map entry is shifted by sm_shift, thus we
975          * add it to the exponent]. This way, excluding the value of the
976          * maximum run that can be represented by a single-word entry,
977          * all runs that are smaller exist in buckets 0 to
978          * SM_RUN_BITS + shift - 1.
979          *
980          * To find the highest bucket that can be represented with a
981          * double-word entry, we follow the same approach. Finally, any
982          * bucket higher than that are represented with multiple two-word
983          * entries. To be more specific, if the highest bucket whose
984          * segments can be represented with a single two-word entry is X,
985          * then bucket X+1 will need 2 two-word entries for each of its
986          * segments, X+2 will need 4, X+3 will need 8, ...etc.
987          *
988          * With all of the above we make our estimation based on bucket
989          * groups. There is a rounding error though. As we mentioned in
990          * the example with the one-word entry, the maximum run that can
991          * be represented in a one-word entry 2^(SM_RUN_BITS + shift) is
992          * not part of bucket SM_RUN_BITS + shift - 1. Thus, segments of
993          * that length fall into the next bucket (and bucket group) where
994          * we start counting two-word entries and this is one more reason
995          * why the estimated size may end up being bigger than the actual
996          * size written.
997          */
998         uint64_t size = 0;
999         uint64_t idx = 0;
1000
1001         if (!spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_V2) ||
1002             (vdev_id == SM_NO_VDEVID && sm->sm_size < SM_OFFSET_MAX)) {
1003
1004                 /*
1005                  * If we are trying to force some double word entries just
1006                  * assume the worst-case of every single word entry being
1007                  * written as a double word entry.
1008                  */
1009                 uint64_t entry_size =
1010                     (spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_V2) &&
1011                     zfs_force_some_double_word_sm_entries) ?
1012                     (2 * sizeof (uint64_t)) : sizeof (uint64_t);
1013
1014                 uint64_t single_entry_max_bucket = SM_RUN_BITS + shift - 1;
1015                 for (; idx <= single_entry_max_bucket; idx++)
1016                         size += histogram[idx] * entry_size;
1017
1018                 if (!spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_V2)) {
1019                         for (; idx < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; idx++) {
1020                                 ASSERT3U(idx, >=, single_entry_max_bucket);
1021                                 entries_for_seg =
1022                                     1ULL << (idx - single_entry_max_bucket);
1023                                 size += histogram[idx] *
1024                                     entries_for_seg * entry_size;
1025                         }
1026                         return (size);
1027                 }
1028         }
1029
1030         ASSERT(spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_V2));
1031
1032         uint64_t double_entry_max_bucket = SM2_RUN_BITS + shift - 1;
1033         for (; idx <= double_entry_max_bucket; idx++)
1034                 size += histogram[idx] * 2 * sizeof (uint64_t);
1035
1036         for (; idx < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; idx++) {
1037                 ASSERT3U(idx, >=, double_entry_max_bucket);
1038                 entries_for_seg = 1ULL << (idx - double_entry_max_bucket);
1039                 size += histogram[idx] *
1040                     entries_for_seg * 2 * sizeof (uint64_t);
1041         }
1042
1043         /*
1044          * Assume the worst case where we start with the padding at the end
1045          * of the current block and we add an extra padding entry at the end
1046          * of all subsequent blocks.
1047          */
1048         size += ((size / sm->sm_blksz) + 1) * sizeof (uint64_t);
1049
1050         return (size);
1051 }
1052
1053 uint64_t
1054 space_map_object(space_map_t *sm)
1055 {
1056         return (sm != NULL ? sm->sm_object : 0);
1057 }
1058
1059 int64_t
1060 space_map_allocated(space_map_t *sm)
1061 {
1062         return (sm != NULL ? sm->sm_phys->smp_alloc : 0);
1063 }
1064
1065 uint64_t
1066 space_map_length(space_map_t *sm)
1067 {
1068         return (sm != NULL ? sm->sm_phys->smp_length : 0);
1069 }
1070
1071 uint64_t
1072 space_map_nblocks(space_map_t *sm)
1073 {
1074         if (sm == NULL)
1075                 return (0);
1076         return (DIV_ROUND_UP(space_map_length(sm), sm->sm_blksz));
1077 }