module/zfs/vdev_queue.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 /*
  27  * Copyright (c) 2012, 2018 by Delphix. All rights reserved.
  28  */
  29
  30 #include <sys/zfs_context.h>
  31 #include <sys/vdev_impl.h>
  32 #include <sys/spa_impl.h>
  33 #include <sys/zio.h>
  34 #include <sys/avl.h>
  35 #include <sys/dsl_pool.h>
  36 #include <sys/metaslab_impl.h>
  37 #include <sys/spa.h>
  38 #include <sys/spa_impl.h>
  39 #include <sys/kstat.h>
  40 #include <sys/abd.h>
  41
  42 /*
  43  * ZFS I/O Scheduler
  44  * ---------------
  45  *
  46  * ZFS issues I/O operations to leaf vdevs to satisfy and complete zios.  The
  47  * I/O scheduler determines when and in what order those operations are
  48  * issued.  The I/O scheduler divides operations into five I/O classes
  49  * prioritized in the following order: sync read, sync write, async read,
  50  * async write, and scrub/resilver.  Each queue defines the minimum and
  51  * maximum number of concurrent operations that may be issued to the device.
  52  * In addition, the device has an aggregate maximum. Note that the sum of the
  53  * per-queue minimums must not exceed the aggregate maximum. If the
  54  * sum of the per-queue maximums exceeds the aggregate maximum, then the
  55  * number of active i/os may reach zfs_vdev_max_active, in which case no
  56  * further i/os will be issued regardless of whether all per-queue
  57  * minimums have been met.
  58  *
  59  * For many physical devices, throughput increases with the number of
  60  * concurrent operations, but latency typically suffers. Further, physical
  61  * devices typically have a limit at which more concurrent operations have no
  62  * effect on throughput or can actually cause it to decrease.
  63  *
  64  * The scheduler selects the next operation to issue by first looking for an
  65  * I/O class whose minimum has not been satisfied. Once all are satisfied and
  66  * the aggregate maximum has not been hit, the scheduler looks for classes
  67  * whose maximum has not been satisfied. Iteration through the I/O classes is
  68  * done in the order specified above. No further operations are issued if the
  69  * aggregate maximum number of concurrent operations has been hit or if there
  70  * are no operations queued for an I/O class that has not hit its maximum.
  71  * Every time an i/o is queued or an operation completes, the I/O scheduler
  72  * looks for new operations to issue.
  73  *
  74  * All I/O classes have a fixed maximum number of outstanding operations
  75  * except for the async write class. Asynchronous writes represent the data
  76  * that is committed to stable storage during the syncing stage for
  77  * transaction groups (see txg.c). Transaction groups enter the syncing state
  78  * periodically so the number of queued async writes will quickly burst up and
  79  * then bleed down to zero. Rather than servicing them as quickly as possible,
  80  * the I/O scheduler changes the maximum number of active async write i/os
  81  * according to the amount of dirty data in the pool (see dsl_pool.c). Since
  82  * both throughput and latency typically increase with the number of
  83  * concurrent operations issued to physical devices, reducing the burstiness
  84  * in the number of concurrent operations also stabilizes the response time of
  85  * operations from other -- and in particular synchronous -- queues. In broad
  86  * strokes, the I/O scheduler will issue more concurrent operations from the
  87  * async write queue as there's more dirty data in the pool.
  88  *
  89  * Async Writes
  90  *
  91  * The number of concurrent operations issued for the async write I/O class
  92  * follows a piece-wise linear function defined by a few adjustable points.
  93  *
  94  *        |                   o---------| <-- zfs_vdev_async_write_max_active
  95  *   ^    |                  /^         |
  96  *   |    |                 / |         |
  97  * active |                /  |         |
  98  *  I/O   |               /   |         |
  99  * count  |              /    |         |
 100  *        |             /     |         |
 101  *        |------------o      |         | <-- zfs_vdev_async_write_min_active
 102  *       0|____________^______|_________|
 103  *        0%           |      |       100% of zfs_dirty_data_max
 104  *                     |      |
 105  *                     |      `-- zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent
 106  *                     `--------- zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent
 107  *
 108  * Until the amount of dirty data exceeds a minimum percentage of the dirty
 109  * data allowed in the pool, the I/O scheduler will limit the number of
 110  * concurrent operations to the minimum. As that threshold is crossed, the
 111  * number of concurrent operations issued increases linearly to the maximum at
 112  * the specified maximum percentage of the dirty data allowed in the pool.
 113  *
 114  * Ideally, the amount of dirty data on a busy pool will stay in the sloped
 115  * part of the function between zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent
 116  * and zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent. If it exceeds the
 117  * maximum percentage, this indicates that the rate of incoming data is
 118  * greater than the rate that the backend storage can handle. In this case, we
 119  * must further throttle incoming writes (see dmu_tx_delay() for details).
 120  */
 121
 122 /*
 123  * The maximum number of i/os active to each device.  Ideally, this will be >=
 124  * the sum of each queue's max_active.  It must be at least the sum of each
 125  * queue's min_active.
 126  */
 127 uint32_t zfs_vdev_max_active = 1000;
 128
 129 /*
 130  * Per-queue limits on the number of i/os active to each device.  If the
 131  * number of active i/os is < zfs_vdev_max_active, then the min_active comes
 132  * into play. We will send min_active from each queue, and then select from
 133  * queues in the order defined by zio_priority_t.
 134  *
 135  * In general, smaller max_active's will lead to lower latency of synchronous
 136  * operations.  Larger max_active's may lead to higher overall throughput,
 137  * depending on underlying storage.
 138  *
 139  * The ratio of the queues' max_actives determines the balance of performance
 140  * between reads, writes, and scrubs.  E.g., increasing
 141  * zfs_vdev_scrub_max_active will cause the scrub or resilver to complete
 142  * more quickly, but reads and writes to have higher latency and lower
 143  * throughput.
 144  */
 145 uint32_t zfs_vdev_sync_read_min_active = 10;
 146 uint32_t zfs_vdev_sync_read_max_active = 10;
 147 uint32_t zfs_vdev_sync_write_min_active = 10;
 148 uint32_t zfs_vdev_sync_write_max_active = 10;
 149 uint32_t zfs_vdev_async_read_min_active = 1;
 150 uint32_t zfs_vdev_async_read_max_active = 3;
 151 uint32_t zfs_vdev_async_write_min_active = 2;
 152 uint32_t zfs_vdev_async_write_max_active = 10;
 153 uint32_t zfs_vdev_scrub_min_active = 1;
 154 uint32_t zfs_vdev_scrub_max_active = 2;
 155 uint32_t zfs_vdev_removal_min_active = 1;
 156 uint32_t zfs_vdev_removal_max_active = 2;
 157 uint32_t zfs_vdev_initializing_min_active = 1;
 158 uint32_t zfs_vdev_initializing_max_active = 1;
 159 uint32_t zfs_vdev_trim_min_active = 1;
 160 uint32_t zfs_vdev_trim_max_active = 2;
 161
 162 /*
 163  * When the pool has less than zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent
 164  * dirty data, use zfs_vdev_async_write_min_active.  When it has more than
 165  * zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent, use
 166  * zfs_vdev_async_write_max_active. The value is linearly interpolated
 167  * between min and max.
 168  */
 169 int zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent = 30;
 170 int zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent = 60;
 171
 172 /*
 173  * To reduce IOPs, we aggregate small adjacent I/Os into one large I/O.
 174  * For read I/Os, we also aggregate across small adjacency gaps; for writes
 175  * we include spans of optional I/Os to aid aggregation at the disk even when
 176  * they aren't able to help us aggregate at this level.
 177  */
 178 int zfs_vdev_aggregation_limit = 1 << 20;
 179 int zfs_vdev_aggregation_limit_non_rotating = SPA_OLD_MAXBLOCKSIZE;
 180 int zfs_vdev_read_gap_limit = 32 << 10;
 181 int zfs_vdev_write_gap_limit = 4 << 10;
 182
 183 /*
 184  * Define the queue depth percentage for each top-level. This percentage is
 185  * used in conjunction with zfs_vdev_async_max_active to determine how many
 186  * allocations a specific top-level vdev should handle. Once the queue depth
 187  * reaches zfs_vdev_queue_depth_pct * zfs_vdev_async_write_max_active / 100
 188  * then allocator will stop allocating blocks on that top-level device.
 189  * The default kernel setting is 1000% which will yield 100 allocations per
 190  * device. For userland testing, the default setting is 300% which equates
 191  * to 30 allocations per device.
 192  */
 193 #ifdef _KERNEL
 194 int zfs_vdev_queue_depth_pct = 1000;
 195 #else
 196 int zfs_vdev_queue_depth_pct = 300;
 197 #endif
 198
 199 /*
 200  * When performing allocations for a given metaslab, we want to make sure that
 201  * there are enough IOs to aggregate together to improve throughput. We want to
 202  * ensure that there are at least 128k worth of IOs that can be aggregated, and
 203  * we assume that the average allocation size is 4k, so we need the queue depth
 204  * to be 32 per allocator to get good aggregation of sequential writes.
 205  */
 206 int zfs_vdev_def_queue_depth = 32;
 207
 208 /*
 209  * Allow TRIM I/Os to be aggregated.  This should normally not be needed since
 210  * TRIM I/O for extents up to zfs_trim_extent_bytes_max (128M) can be submitted
 211  * by the TRIM code in zfs_trim.c.
 212  */
 213 int zfs_vdev_aggregate_trim = 0;
 214
 215 int
 216 vdev_queue_offset_compare(const void *x1, const void *x2)
 217 {
 218         const zio_t *z1 = (const zio_t *)x1;
 219         const zio_t *z2 = (const zio_t *)x2;
 220
 221         int cmp = AVL_CMP(z1->io_offset, z2->io_offset);
 222
 223         if (likely(cmp))
 224                 return (cmp);
 225
 226         return (AVL_PCMP(z1, z2));
 227 }
 228
 229 static inline avl_tree_t *
 230 vdev_queue_class_tree(vdev_queue_t *vq, zio_priority_t p)
 231 {
 232         return (&vq->vq_class[p].vqc_queued_tree);
 233 }
 234
 235 static inline avl_tree_t *
 236 vdev_queue_type_tree(vdev_queue_t *vq, zio_type_t t)
 237 {
 238         ASSERT(t == ZIO_TYPE_READ || t == ZIO_TYPE_WRITE || t == ZIO_TYPE_TRIM);
 239         if (t == ZIO_TYPE_READ)
 240                 return (&vq->vq_read_offset_tree);
 241         else if (t == ZIO_TYPE_WRITE)
 242                 return (&vq->vq_write_offset_tree);
 243         else
 244                 return (&vq->vq_trim_offset_tree);
 245 }
 246
 247 int
 248 vdev_queue_timestamp_compare(const void *x1, const void *x2)
 249 {
 250         const zio_t *z1 = (const zio_t *)x1;
 251         const zio_t *z2 = (const zio_t *)x2;
 252
 253         int cmp = AVL_CMP(z1->io_timestamp, z2->io_timestamp);
 254
 255         if (likely(cmp))
 256                 return (cmp);
 257
 258         return (AVL_PCMP(z1, z2));
 259 }
 260
 261 static int
 262 vdev_queue_class_min_active(zio_priority_t p)
 263 {
 264         switch (p) {
 265         case ZIO_PRIORITY_SYNC_READ:
 266                 return (zfs_vdev_sync_read_min_active);
 267         case ZIO_PRIORITY_SYNC_WRITE:
 268                 return (zfs_vdev_sync_write_min_active);
 269         case ZIO_PRIORITY_ASYNC_READ:
 270                 return (zfs_vdev_async_read_min_active);
 271         case ZIO_PRIORITY_ASYNC_WRITE:
 272                 return (zfs_vdev_async_write_min_active);
 273         case ZIO_PRIORITY_SCRUB:
 274                 return (zfs_vdev_scrub_min_active);
 275         case ZIO_PRIORITY_REMOVAL:
 276                 return (zfs_vdev_removal_min_active);
 277         case ZIO_PRIORITY_INITIALIZING:
 278                 return (zfs_vdev_initializing_min_active);
 279         case ZIO_PRIORITY_TRIM:
 280                 return (zfs_vdev_trim_min_active);
 281         default:
 282                 panic("invalid priority %u", p);
 283                 return (0);
 284         }
 285 }
 286
 287 static int
 288 vdev_queue_max_async_writes(spa_t *spa)
 289 {
 290         int writes;
 291         uint64_t dirty = 0;
 292         dsl_pool_t *dp = spa_get_dsl(spa);
 293         uint64_t min_bytes = zfs_dirty_data_max *
 294             zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent / 100;
 295         uint64_t max_bytes = zfs_dirty_data_max *
 296             zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent / 100;
 297
 298         /*
 299          * Async writes may occur before the assignment of the spa's
 300          * dsl_pool_t if a self-healing zio is issued prior to the
 301          * completion of dmu_objset_open_impl().
 302          */
 303         if (dp == NULL)
 304                 return (zfs_vdev_async_write_max_active);
 305
 306         /*
 307          * Sync tasks correspond to interactive user actions. To reduce the
 308          * execution time of those actions we push data out as fast as possible.
 309          */
 310         if (spa_has_pending_synctask(spa))
 311                 return (zfs_vdev_async_write_max_active);
 312
 313         dirty = dp->dp_dirty_total;
 314         if (dirty < min_bytes)
 315                 return (zfs_vdev_async_write_min_active);
 316         if (dirty > max_bytes)
 317                 return (zfs_vdev_async_write_max_active);
 318
 319         /*
 320          * linear interpolation:
 321          * slope = (max_writes - min_writes) / (max_bytes - min_bytes)
 322          * move right by min_bytes
 323          * move up by min_writes
 324          */
 325         writes = (dirty - min_bytes) *
 326             (zfs_vdev_async_write_max_active -
 327             zfs_vdev_async_write_min_active) /
 328             (max_bytes - min_bytes) +
 329             zfs_vdev_async_write_min_active;
 330         ASSERT3U(writes, >=, zfs_vdev_async_write_min_active);
 331         ASSERT3U(writes, <=, zfs_vdev_async_write_max_active);
 332         return (writes);
 333 }
 334
 335 static int
 336 vdev_queue_class_max_active(spa_t *spa, zio_priority_t p)
 337 {
 338         switch (p) {
 339         case ZIO_PRIORITY_SYNC_READ:
 340                 return (zfs_vdev_sync_read_max_active);
 341         case ZIO_PRIORITY_SYNC_WRITE:
 342                 return (zfs_vdev_sync_write_max_active);
 343         case ZIO_PRIORITY_ASYNC_READ:
 344                 return (zfs_vdev_async_read_max_active);
 345         case ZIO_PRIORITY_ASYNC_WRITE:
 346                 return (vdev_queue_max_async_writes(spa));
 347         case ZIO_PRIORITY_SCRUB:
 348                 return (zfs_vdev_scrub_max_active);
 349         case ZIO_PRIORITY_REMOVAL:
 350                 return (zfs_vdev_removal_max_active);
 351         case ZIO_PRIORITY_INITIALIZING:
 352                 return (zfs_vdev_initializing_max_active);
 353         case ZIO_PRIORITY_TRIM:
 354                 return (zfs_vdev_trim_max_active);
 355         default:
 356                 panic("invalid priority %u", p);
 357                 return (0);
 358         }
 359 }
 360
 361 /*
 362  * Return the i/o class to issue from, or ZIO_PRIORITY_MAX_QUEUEABLE if
 363  * there is no eligible class.
 364  */
 365 static zio_priority_t
 366 vdev_queue_class_to_issue(vdev_queue_t *vq)
 367 {
 368         spa_t *spa = vq->vq_vdev->vdev_spa;
 369         zio_priority_t p;
 370
 371         if (avl_numnodes(&vq->vq_active_tree) >= zfs_vdev_max_active)
 372                 return (ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 373
 374         /* find a queue that has not reached its minimum # outstanding i/os */
 375         for (p = 0; p < ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE; p++) {
 376                 if (avl_numnodes(vdev_queue_class_tree(vq, p)) > 0 &&
 377                     vq->vq_class[p].vqc_active <
 378                     vdev_queue_class_min_active(p))
 379                         return (p);
 380         }
 381
 382         /*
 383          * If we haven't found a queue, look for one that hasn't reached its
 384          * maximum # outstanding i/os.
 385          */
 386         for (p = 0; p < ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE; p++) {
 387                 if (avl_numnodes(vdev_queue_class_tree(vq, p)) > 0 &&
 388                     vq->vq_class[p].vqc_active <
 389                     vdev_queue_class_max_active(spa, p))
 390                         return (p);
 391         }
 392
 393         /* No eligible queued i/os */
 394         return (ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 395 }
 396
 397 void
 398 vdev_queue_init(vdev_t *vd)
 399 {
 400         vdev_queue_t *vq = &vd->vdev_queue;
 401         zio_priority_t p;
 402
 403         mutex_init(&vq->vq_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
 404         vq->vq_vdev = vd;
 405         taskq_init_ent(&vd->vdev_queue.vq_io_search.io_tqent);
 406
 407         avl_create(&vq->vq_active_tree, vdev_queue_offset_compare,
 408             sizeof (zio_t), offsetof(struct zio, io_queue_node));
 409         avl_create(vdev_queue_type_tree(vq, ZIO_TYPE_READ),
 410             vdev_queue_offset_compare, sizeof (zio_t),
 411             offsetof(struct zio, io_offset_node));
 412         avl_create(vdev_queue_type_tree(vq, ZIO_TYPE_WRITE),
 413             vdev_queue_offset_compare, sizeof (zio_t),
 414             offsetof(struct zio, io_offset_node));
 415         avl_create(vdev_queue_type_tree(vq, ZIO_TYPE_TRIM),
 416             vdev_queue_offset_compare, sizeof (zio_t),
 417             offsetof(struct zio, io_offset_node));
 418
 419         for (p = 0; p < ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE; p++) {
 420                 int (*compfn) (const void *, const void *);
 421
 422                 /*
 423                  * The synchronous/trim i/o queues are dispatched in FIFO rather
 424                  * than LBA order. This provides more consistent latency for
 425                  * these i/os.
 426                  */
 427                 if (p == ZIO_PRIORITY_SYNC_READ ||
 428                     p == ZIO_PRIORITY_SYNC_WRITE ||
 429                     p == ZIO_PRIORITY_TRIM) {
 430                         compfn = vdev_queue_timestamp_compare;
 431                 } else {
 432                         compfn = vdev_queue_offset_compare;
 433                 }
 434                 avl_create(vdev_queue_class_tree(vq, p), compfn,
 435                     sizeof (zio_t), offsetof(struct zio, io_queue_node));
 436         }
 437
 438         vq->vq_last_offset = 0;
 439 }
 440
 441 void
 442 vdev_queue_fini(vdev_t *vd)
 443 {
 444         vdev_queue_t *vq = &vd->vdev_queue;
 445
 446         for (zio_priority_t p = 0; p < ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE; p++)
 447                 avl_destroy(vdev_queue_class_tree(vq, p));
 448         avl_destroy(&vq->vq_active_tree);
 449         avl_destroy(vdev_queue_type_tree(vq, ZIO_TYPE_READ));
 450         avl_destroy(vdev_queue_type_tree(vq, ZIO_TYPE_WRITE));
 451         avl_destroy(vdev_queue_type_tree(vq, ZIO_TYPE_TRIM));
 452
 453         mutex_destroy(&vq->vq_lock);
 454 }
 455
 456 static void
 457 vdev_queue_io_add(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 458 {
 459         spa_t *spa = zio->io_spa;
 460         spa_history_kstat_t *shk = &spa->spa_stats.io_history;
 461
 462         ASSERT3U(zio->io_priority, <, ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 463         avl_add(vdev_queue_class_tree(vq, zio->io_priority), zio);
 464         avl_add(vdev_queue_type_tree(vq, zio->io_type), zio);
 465
 466         if (shk->kstat != NULL) {
 467                 mutex_enter(&shk->lock);
 468                 kstat_waitq_enter(shk->kstat->ks_data);
 469                 mutex_exit(&shk->lock);
 470         }
 471 }
 472
 473 static void
 474 vdev_queue_io_remove(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 475 {
 476         spa_t *spa = zio->io_spa;
 477         spa_history_kstat_t *shk = &spa->spa_stats.io_history;
 478
 479         ASSERT3U(zio->io_priority, <, ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 480         avl_remove(vdev_queue_class_tree(vq, zio->io_priority), zio);
 481         avl_remove(vdev_queue_type_tree(vq, zio->io_type), zio);
 482
 483         if (shk->kstat != NULL) {
 484                 mutex_enter(&shk->lock);
 485                 kstat_waitq_exit(shk->kstat->ks_data);
 486                 mutex_exit(&shk->lock);
 487         }
 488 }
 489
 490 static void
 491 vdev_queue_pending_add(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 492 {
 493         spa_t *spa = zio->io_spa;
 494         spa_history_kstat_t *shk = &spa->spa_stats.io_history;
 495
 496         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 497         ASSERT3U(zio->io_priority, <, ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 498         vq->vq_class[zio->io_priority].vqc_active++;
 499         avl_add(&vq->vq_active_tree, zio);
 500
 501         if (shk->kstat != NULL) {
 502                 mutex_enter(&shk->lock);
 503                 kstat_runq_enter(shk->kstat->ks_data);
 504                 mutex_exit(&shk->lock);
 505         }
 506 }
 507
 508 static void
 509 vdev_queue_pending_remove(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 510 {
 511         spa_t *spa = zio->io_spa;
 512         spa_history_kstat_t *shk = &spa->spa_stats.io_history;
 513
 514         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 515         ASSERT3U(zio->io_priority, <, ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 516         vq->vq_class[zio->io_priority].vqc_active--;
 517         avl_remove(&vq->vq_active_tree, zio);
 518
 519         if (shk->kstat != NULL) {
 520                 kstat_io_t *ksio = shk->kstat->ks_data;
 521
 522                 mutex_enter(&shk->lock);
 523                 kstat_runq_exit(ksio);
 524                 if (zio->io_type == ZIO_TYPE_READ) {
 525                         ksio->reads++;
 526                         ksio->nread += zio->io_size;
 527                 } else if (zio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE) {
 528                         ksio->writes++;
 529                         ksio->nwritten += zio->io_size;
 530                 }
 531                 mutex_exit(&shk->lock);
 532         }
 533 }
 534
 535 static void
 536 vdev_queue_agg_io_done(zio_t *aio)
 537 {
 538         if (aio->io_type == ZIO_TYPE_READ) {
 539                 zio_t *pio;
 540                 zio_link_t *zl = NULL;
 541                 while ((pio = zio_walk_parents(aio, &zl)) != NULL) {
 542                         abd_copy_off(pio->io_abd, aio->io_abd,
 543                             0, pio->io_offset - aio->io_offset, pio->io_size);
 544                 }
 545         }
 546
 547         abd_free(aio->io_abd);
 548 }
 549
 550 /*
 551  * Compute the range spanned by two i/os, which is the endpoint of the last
 552  * (lio->io_offset + lio->io_size) minus start of the first (fio->io_offset).
 553  * Conveniently, the gap between fio and lio is given by -IO_SPAN(lio, fio);
 554  * thus fio and lio are adjacent if and only if IO_SPAN(lio, fio) == 0.
 555  */
 556 #define IO_SPAN(fio, lio) ((lio)->io_offset + (lio)->io_size - (fio)->io_offset)
 557 #define IO_GAP(fio, lio) (-IO_SPAN(lio, fio))
 558
 559 static zio_t *
 560 vdev_queue_aggregate(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 561 {
 562         zio_t *first, *last, *aio, *dio, *mandatory, *nio;
 563         zio_link_t *zl = NULL;
 564         uint64_t maxgap = 0;
 565         uint64_t size;
 566         uint64_t limit;
 567         int maxblocksize;
 568         boolean_t stretch = B_FALSE;
 569         avl_tree_t *t = vdev_queue_type_tree(vq, zio->io_type);
 570         enum zio_flag flags = zio->io_flags & ZIO_FLAG_AGG_INHERIT;
 571         abd_t *abd;
 572
 573         maxblocksize = spa_maxblocksize(vq->vq_vdev->vdev_spa);
 574         if (vq->vq_vdev->vdev_nonrot)
 575                 limit = zfs_vdev_aggregation_limit_non_rotating;
 576         else
 577                 limit = zfs_vdev_aggregation_limit;
 578         limit = MAX(MIN(limit, maxblocksize), 0);
 579
 580         if (zio->io_flags & ZIO_FLAG_DONT_AGGREGATE || limit == 0)
 581                 return (NULL);
 582
 583         /*
 584          * While TRIM commands could be aggregated based on offset this
 585          * behavior is disabled until it's determined to be beneficial.
 586          */
 587         if (zio->io_type == ZIO_TYPE_TRIM && !zfs_vdev_aggregate_trim)
 588                 return (NULL);
 589
 590         first = last = zio;
 591
 592         if (zio->io_type == ZIO_TYPE_READ)
 593                 maxgap = zfs_vdev_read_gap_limit;
 594
 595         /*
 596          * We can aggregate I/Os that are sufficiently adjacent and of
 597          * the same flavor, as expressed by the AGG_INHERIT flags.
 598          * The latter requirement is necessary so that certain
 599          * attributes of the I/O, such as whether it's a normal I/O
 600          * or a scrub/resilver, can be preserved in the aggregate.
 601          * We can include optional I/Os, but don't allow them
 602          * to begin a range as they add no benefit in that situation.
 603          */
 604
 605         /*
 606          * We keep track of the last non-optional I/O.
 607          */
 608         mandatory = (first->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL) ? NULL : first;
 609
 610         /*
 611          * Walk backwards through sufficiently contiguous I/Os
 612          * recording the last non-optional I/O.
 613          */
 614         while ((dio = AVL_PREV(t, first)) != NULL &&
 615             (dio->io_flags & ZIO_FLAG_AGG_INHERIT) == flags &&
 616             IO_SPAN(dio, last) <= limit &&
 617             IO_GAP(dio, first) <= maxgap &&
 618             dio->io_type == zio->io_type) {
 619                 first = dio;
 620                 if (mandatory == NULL && !(first->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL))
 621                         mandatory = first;
 622         }
 623
 624         /*
 625          * Skip any initial optional I/Os.
 626          */
 627         while ((first->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL) && first != last) {
 628                 first = AVL_NEXT(t, first);
 629                 ASSERT(first != NULL);
 630         }
 631
 632
 633         /*
 634          * Walk forward through sufficiently contiguous I/Os.
 635          * The aggregation limit does not apply to optional i/os, so that
 636          * we can issue contiguous writes even if they are larger than the
 637          * aggregation limit.
 638          */
 639         while ((dio = AVL_NEXT(t, last)) != NULL &&
 640             (dio->io_flags & ZIO_FLAG_AGG_INHERIT) == flags &&
 641             (IO_SPAN(first, dio) <= limit ||
 642             (dio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL)) &&
 643             IO_SPAN(first, dio) <= maxblocksize &&
 644             IO_GAP(last, dio) <= maxgap &&
 645             dio->io_type == zio->io_type) {
 646                 last = dio;
 647                 if (!(last->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL))
 648                         mandatory = last;
 649         }
 650
 651         /*
 652          * Now that we've established the range of the I/O aggregation
 653          * we must decide what to do with trailing optional I/Os.
 654          * For reads, there's nothing to do. While we are unable to
 655          * aggregate further, it's possible that a trailing optional
 656          * I/O would allow the underlying device to aggregate with
 657          * subsequent I/Os. We must therefore determine if the next
 658          * non-optional I/O is close enough to make aggregation
 659          * worthwhile.
 660          */
 661         if (zio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE && mandatory != NULL) {
 662                 zio_t *nio = last;
 663                 while ((dio = AVL_NEXT(t, nio)) != NULL &&
 664                     IO_GAP(nio, dio) == 0 &&
 665                     IO_GAP(mandatory, dio) <= zfs_vdev_write_gap_limit) {
 666                         nio = dio;
 667                         if (!(nio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL)) {
 668                                 stretch = B_TRUE;
 669                                 break;
 670                         }
 671                 }
 672         }
 673
 674         if (stretch) {
 675                 /*
 676                  * We are going to include an optional io in our aggregated
 677                  * span, thus closing the write gap.  Only mandatory i/os can
 678                  * start aggregated spans, so make sure that the next i/o
 679                  * after our span is mandatory.
 680                  */
 681                 dio = AVL_NEXT(t, last);
 682                 dio->io_flags &= ~ZIO_FLAG_OPTIONAL;
 683         } else {
 684                 /* do not include the optional i/o */
 685                 while (last != mandatory && last != first) {
 686                         ASSERT(last->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL);
 687                         last = AVL_PREV(t, last);
 688                         ASSERT(last != NULL);
 689                 }
 690         }
 691
 692         if (first == last)
 693                 return (NULL);
 694
 695         size = IO_SPAN(first, last);
 696         ASSERT3U(size, <=, maxblocksize);
 697
 698         abd = abd_alloc_for_io(size, B_TRUE);
 699         if (abd == NULL)
 700                 return (NULL);
 701
 702         aio = zio_vdev_delegated_io(first->io_vd, first->io_offset,
 703             abd, size, first->io_type, zio->io_priority,
 704             flags | ZIO_FLAG_DONT_CACHE | ZIO_FLAG_DONT_QUEUE,
 705             vdev_queue_agg_io_done, NULL);
 706         aio->io_timestamp = first->io_timestamp;
 707
 708         nio = first;
 709         do {
 710                 dio = nio;
 711                 nio = AVL_NEXT(t, dio);
 712                 zio_add_child(dio, aio);
 713                 vdev_queue_io_remove(vq, dio);
 714         } while (dio != last);
 715
 716         /*
 717          * We need to drop the vdev queue's lock during zio_execute() to
 718          * avoid a deadlock that we could encounter due to lock order
 719          * reversal between vq_lock and io_lock in zio_change_priority().
 720          * Use the dropped lock to do memory copy without congestion.
 721          */
 722         mutex_exit(&vq->vq_lock);
 723         while ((dio = zio_walk_parents(aio, &zl)) != NULL) {
 724                 ASSERT3U(dio->io_type, ==, aio->io_type);
 725
 726                 if (dio->io_flags & ZIO_FLAG_NODATA) {
 727                         ASSERT3U(dio->io_type, ==, ZIO_TYPE_WRITE);
 728                         abd_zero_off(aio->io_abd,
 729                             dio->io_offset - aio->io_offset, dio->io_size);
 730                 } else if (dio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE) {
 731                         abd_copy_off(aio->io_abd, dio->io_abd,
 732                             dio->io_offset - aio->io_offset, 0, dio->io_size);
 733                 }
 734
 735                 zio_vdev_io_bypass(dio);
 736                 zio_execute(dio);
 737         }
 738         mutex_enter(&vq->vq_lock);
 739
 740         return (aio);
 741 }
 742
 743 static zio_t *
 744 vdev_queue_io_to_issue(vdev_queue_t *vq)
 745 {
 746         zio_t *zio, *aio;
 747         zio_priority_t p;
 748         avl_index_t idx;
 749         avl_tree_t *tree;
 750
 751 again:
 752         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 753
 754         p = vdev_queue_class_to_issue(vq);
 755
 756         if (p == ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE) {
 757                 /* No eligible queued i/os */
 758                 return (NULL);
 759         }
 760
 761         /*
 762          * For LBA-ordered queues (async / scrub / initializing), issue the
 763          * i/o which follows the most recently issued i/o in LBA (offset) order.
 764          *
 765          * For FIFO queues (sync/trim), issue the i/o with the lowest timestamp.
 766          */
 767         tree = vdev_queue_class_tree(vq, p);
 768         vq->vq_io_search.io_timestamp = 0;
 769         vq->vq_io_search.io_offset = vq->vq_last_offset - 1;
 770         VERIFY3P(avl_find(tree, &vq->vq_io_search, &idx), ==, NULL);
 771         zio = avl_nearest(tree, idx, AVL_AFTER);
 772         if (zio == NULL)
 773                 zio = avl_first(tree);
 774         ASSERT3U(zio->io_priority, ==, p);
 775
 776         aio = vdev_queue_aggregate(vq, zio);
 777         if (aio != NULL)
 778                 zio = aio;
 779         else
 780                 vdev_queue_io_remove(vq, zio);
 781
 782         /*
 783          * If the I/O is or was optional and therefore has no data, we need to
 784          * simply discard it. We need to drop the vdev queue's lock to avoid a
 785          * deadlock that we could encounter since this I/O will complete
 786          * immediately.
 787          */
 788         if (zio->io_flags & ZIO_FLAG_NODATA) {
 789                 mutex_exit(&vq->vq_lock);
 790                 zio_vdev_io_bypass(zio);
 791                 zio_execute(zio);
 792                 mutex_enter(&vq->vq_lock);
 793                 goto again;
 794         }
 795
 796         vdev_queue_pending_add(vq, zio);
 797         vq->vq_last_offset = zio->io_offset + zio->io_size;
 798
 799         return (zio);
 800 }
 801
 802 zio_t *
 803 vdev_queue_io(zio_t *zio)
 804 {
 805         vdev_queue_t *vq = &zio->io_vd->vdev_queue;
 806         zio_t *nio;
 807
 808         if (zio->io_flags & ZIO_FLAG_DONT_QUEUE)
 809                 return (zio);
 810
 811         /*
 812          * Children i/os inherent their parent's priority, which might
 813          * not match the child's i/o type.  Fix it up here.
 814          */
 815         if (zio->io_type == ZIO_TYPE_READ) {
 816                 ASSERT(zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_TRIM);
 817
 818                 if (zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_SYNC_READ &&
 819                     zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_ASYNC_READ &&
 820                     zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_SCRUB &&
 821                     zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_REMOVAL &&
 822                     zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_INITIALIZING) {
 823                         zio->io_priority = ZIO_PRIORITY_ASYNC_READ;
 824                 }
 825         } else if (zio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE) {
 826                 ASSERT(zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_TRIM);
 827
 828                 if (zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_SYNC_WRITE &&
 829                     zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_ASYNC_WRITE &&
 830                     zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_REMOVAL &&
 831                     zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_INITIALIZING) {
 832                         zio->io_priority = ZIO_PRIORITY_ASYNC_WRITE;
 833                 }
 834         } else {
 835                 ASSERT(zio->io_type == ZIO_TYPE_TRIM);
 836                 ASSERT(zio->io_priority == ZIO_PRIORITY_TRIM);
 837         }
 838
 839         zio->io_flags |= ZIO_FLAG_DONT_CACHE | ZIO_FLAG_DONT_QUEUE;
 840
 841         mutex_enter(&vq->vq_lock);
 842         zio->io_timestamp = gethrtime();
 843         vdev_queue_io_add(vq, zio);
 844         nio = vdev_queue_io_to_issue(vq);
 845         mutex_exit(&vq->vq_lock);
 846
 847         if (nio == NULL)
 848                 return (NULL);
 849
 850         if (nio->io_done == vdev_queue_agg_io_done) {
 851                 zio_nowait(nio);
 852                 return (NULL);
 853         }
 854
 855         return (nio);
 856 }
 857
 858 void
 859 vdev_queue_io_done(zio_t *zio)
 860 {
 861         vdev_queue_t *vq = &zio->io_vd->vdev_queue;
 862         zio_t *nio;
 863
 864         mutex_enter(&vq->vq_lock);
 865
 866         vdev_queue_pending_remove(vq, zio);
 867
 868         zio->io_delta = gethrtime() - zio->io_timestamp;
 869         vq->vq_io_complete_ts = gethrtime();
 870         vq->vq_io_delta_ts = vq->vq_io_complete_ts - zio->io_timestamp;
 871
 872         while ((nio = vdev_queue_io_to_issue(vq)) != NULL) {
 873                 mutex_exit(&vq->vq_lock);
 874                 if (nio->io_done == vdev_queue_agg_io_done) {
 875                         zio_nowait(nio);
 876                 } else {
 877                         zio_vdev_io_reissue(nio);
 878                         zio_execute(nio);
 879                 }
 880                 mutex_enter(&vq->vq_lock);
 881         }
 882
 883         mutex_exit(&vq->vq_lock);
 884 }
 885
 886 void
 887 vdev_queue_change_io_priority(zio_t *zio, zio_priority_t priority)
 888 {
 889         vdev_queue_t *vq = &zio->io_vd->vdev_queue;
 890         avl_tree_t *tree;
 891
 892         /*
 893          * ZIO_PRIORITY_NOW is used by the vdev cache code and the aggregate zio
 894          * code to issue IOs without adding them to the vdev queue. In this
 895          * case, the zio is already going to be issued as quickly as possible
 896          * and so it doesn't need any reprioitization to help.
 897          */
 898         if (zio->io_priority == ZIO_PRIORITY_NOW)
 899                 return;
 900
 901         ASSERT3U(zio->io_priority, <, ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 902         ASSERT3U(priority, <, ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 903
 904         if (zio->io_type == ZIO_TYPE_READ) {
 905                 if (priority != ZIO_PRIORITY_SYNC_READ &&
 906                     priority != ZIO_PRIORITY_ASYNC_READ &&
 907                     priority != ZIO_PRIORITY_SCRUB)
 908                         priority = ZIO_PRIORITY_ASYNC_READ;
 909         } else {
 910                 ASSERT(zio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE);
 911                 if (priority != ZIO_PRIORITY_SYNC_WRITE &&
 912                     priority != ZIO_PRIORITY_ASYNC_WRITE)
 913                         priority = ZIO_PRIORITY_ASYNC_WRITE;
 914         }
 915
 916         mutex_enter(&vq->vq_lock);
 917
 918         /*
 919          * If the zio is in none of the queues we can simply change
 920          * the priority. If the zio is waiting to be submitted we must
 921          * remove it from the queue and re-insert it with the new priority.
 922          * Otherwise, the zio is currently active and we cannot change its
 923          * priority.
 924          */
 925         tree = vdev_queue_class_tree(vq, zio->io_priority);
 926         if (avl_find(tree, zio, NULL) == zio) {
 927                 avl_remove(vdev_queue_class_tree(vq, zio->io_priority), zio);
 928                 zio->io_priority = priority;
 929                 avl_add(vdev_queue_class_tree(vq, zio->io_priority), zio);
 930         } else if (avl_find(&vq->vq_active_tree, zio, NULL) != zio) {
 931                 zio->io_priority = priority;
 932         }
 933
 934         mutex_exit(&vq->vq_lock);
 935 }
 936
 937 /*
 938  * As these two methods are only used for load calculations we're not
 939  * concerned if we get an incorrect value on 32bit platforms due to lack of
 940  * vq_lock mutex use here, instead we prefer to keep it lock free for
 941  * performance.
 942  */
 943 int
 944 vdev_queue_length(vdev_t *vd)
 945 {
 946         return (avl_numnodes(&vd->vdev_queue.vq_active_tree));
 947 }
 948
 949 uint64_t
 950 vdev_queue_last_offset(vdev_t *vd)
 951 {
 952         return (vd->vdev_queue.vq_last_offset);
 953 }
 954
 955 #if defined(_KERNEL)
 956 module_param(zfs_vdev_aggregation_limit, int, 0644);
 957 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_aggregation_limit, "Max vdev I/O aggregation size");
 958
 959 module_param(zfs_vdev_aggregation_limit_non_rotating, int, 0644);
 960 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_aggregation_limit_non_rotating,
 961         "Max vdev I/O aggregation size for non-rotating media");
 962
 963 module_param(zfs_vdev_aggregate_trim, int, 0644);
 964 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_aggregate_trim, "Allow TRIM I/O to be aggregated");
 965
 966 module_param(zfs_vdev_read_gap_limit, int, 0644);
 967 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_read_gap_limit, "Aggregate read I/O over gap");
 968
 969 module_param(zfs_vdev_write_gap_limit, int, 0644);
 970 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_write_gap_limit, "Aggregate write I/O over gap");
 971
 972 module_param(zfs_vdev_max_active, int, 0644);
 973 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_max_active, "Maximum number of active I/Os per vdev");
 974
 975 module_param(zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent, int, 0644);
 976 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent,
 977         "Async write concurrency max threshold");
 978
 979 module_param(zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent, int, 0644);
 980 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent,
 981         "Async write concurrency min threshold");
 982
 983 module_param(zfs_vdev_async_read_max_active, int, 0644);
 984 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_async_read_max_active,
 985         "Max active async read I/Os per vdev");
 986
 987 module_param(zfs_vdev_async_read_min_active, int, 0644);
 988 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_async_read_min_active,
 989         "Min active async read I/Os per vdev");
 990
 991 module_param(zfs_vdev_async_write_max_active, int, 0644);
 992 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_async_write_max_active,
 993         "Max active async write I/Os per vdev");
 994
 995 module_param(zfs_vdev_async_write_min_active, int, 0644);
 996 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_async_write_min_active,
 997         "Min active async write I/Os per vdev");
 998
 999 module_param(zfs_vdev_initializing_max_active, int, 0644);
1000 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_initializing_max_active,
1001         "Max active initializing I/Os per vdev");
1002
1003 module_param(zfs_vdev_initializing_min_active, int, 0644);
1004 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_initializing_min_active,
1005         "Min active initializing I/Os per vdev");
1006
1007 module_param(zfs_vdev_removal_max_active, int, 0644);
1008 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_removal_max_active,
1009         "Max active removal I/Os per vdev");
1010
1011 module_param(zfs_vdev_removal_min_active, int, 0644);
1012 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_removal_min_active,
1013         "Min active removal I/Os per vdev");
1014
1015 module_param(zfs_vdev_scrub_max_active, int, 0644);
1016 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_scrub_max_active,
1017         "Max active scrub I/Os per vdev");
1018
1019 module_param(zfs_vdev_scrub_min_active, int, 0644);
1020 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_scrub_min_active,
1021         "Min active scrub I/Os per vdev");
1022
1023 module_param(zfs_vdev_sync_read_max_active, int, 0644);
1024 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_sync_read_max_active,
1025         "Max active sync read I/Os per vdev");
1026
1027 module_param(zfs_vdev_sync_read_min_active, int, 0644);
1028 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_sync_read_min_active,
1029         "Min active sync read I/Os per vdev");
1030
1031 module_param(zfs_vdev_sync_write_max_active, int, 0644);
1032 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_sync_write_max_active,
1033         "Max active sync write I/Os per vdev");
1034
1035 module_param(zfs_vdev_sync_write_min_active, int, 0644);
1036 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_sync_write_min_active,
1037         "Min active sync write I/Os per vdev");
1038
1039 module_param(zfs_vdev_trim_max_active, int, 0644);
1040 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_trim_max_active,
1041         "Max active trim/discard I/Os per vdev");
1042
1043 module_param(zfs_vdev_trim_min_active, int, 0644);
1044 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_trim_min_active,
1045         "Min active trim/discard I/Os per vdev");
1046
1047 module_param(zfs_vdev_queue_depth_pct, int, 0644);
1048 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_queue_depth_pct,
1049         "Queue depth percentage for each top-level vdev");
1050 #endif