]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/releng/10.1.git/blob - sys/cddl/contrib/opensolaris/uts/common/fs/zfs/metaslab.c
MFS10 r273057
[FreeBSD/releng/10.1.git] / sys / cddl / contrib / opensolaris / uts / common / fs / 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 SYSCTL_DECL(_vfs_zfs);
38 SYSCTL_NODE(_vfs_zfs, OID_AUTO, metaslab, CTLFLAG_RW, 0, "ZFS metaslab");
39
40 /*
41  * Allow allocations to switch to gang blocks quickly. We do this to
42  * avoid having to load lots of space_maps in a given txg. There are,
43  * however, some cases where we want to avoid "fast" ganging and instead
44  * we want to do an exhaustive search of all metaslabs on this device.
45  * Currently we don't allow any gang, slog, or dump device related allocations
46  * to "fast" gang.
47  */
48 #define CAN_FASTGANG(flags) \
49         (!((flags) & (METASLAB_GANG_CHILD | METASLAB_GANG_HEADER | \
50         METASLAB_GANG_AVOID)))
51
52 #define METASLAB_WEIGHT_PRIMARY         (1ULL << 63)
53 #define METASLAB_WEIGHT_SECONDARY       (1ULL << 62)
54 #define METASLAB_ACTIVE_MASK            \
55         (METASLAB_WEIGHT_PRIMARY | METASLAB_WEIGHT_SECONDARY)
56
57 uint64_t metaslab_aliquot = 512ULL << 10;
58 uint64_t metaslab_gang_bang = SPA_MAXBLOCKSIZE + 1;     /* force gang blocks */
59 TUNABLE_QUAD("vfs.zfs.metaslab.gang_bang", &metaslab_gang_bang);
60 SYSCTL_QUAD(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, gang_bang, CTLFLAG_RWTUN,
61     &metaslab_gang_bang, 0,
62     "Force gang block allocation for blocks larger than or equal to this value");
63
64 /*
65  * The in-core space map representation is more compact than its on-disk form.
66  * The zfs_condense_pct determines how much more compact the in-core
67  * space_map representation must be before we compact it on-disk.
68  * Values should be greater than or equal to 100.
69  */
70 int zfs_condense_pct = 200;
71 TUNABLE_INT("vfs.zfs.condense_pct", &zfs_condense_pct);
72 SYSCTL_INT(_vfs_zfs, OID_AUTO, condense_pct, CTLFLAG_RWTUN,
73     &zfs_condense_pct, 0,
74     "Condense on-disk spacemap when it is more than this many percents"
75     " of in-memory counterpart");
76
77 /*
78  * Condensing a metaslab is not guaranteed to actually reduce the amount of
79  * space used on disk. In particular, a space map uses data in increments of
80  * MAX(1 << ashift, SPACE_MAP_INITIAL_BLOCKSIZE), so a metaslab might use the
81  * same number of blocks after condensing. Since the goal of condensing is to
82  * reduce the number of IOPs required to read the space map, we only want to
83  * condense when we can be sure we will reduce the number of blocks used by the
84  * space map. Unfortunately, we cannot precisely compute whether or not this is
85  * the case in metaslab_should_condense since we are holding ms_lock. Instead,
86  * we apply the following heuristic: do not condense a spacemap unless the
87  * uncondensed size consumes greater than zfs_metaslab_condense_block_threshold
88  * blocks.
89  */
90 int zfs_metaslab_condense_block_threshold = 4;
91
92 /*
93  * The zfs_mg_noalloc_threshold defines which metaslab groups should
94  * be eligible for allocation. The value is defined as a percentage of
95  * free space. Metaslab groups that have more free space than
96  * zfs_mg_noalloc_threshold are always eligible for allocations. Once
97  * a metaslab group's free space is less than or equal to the
98  * zfs_mg_noalloc_threshold the allocator will avoid allocating to that
99  * group unless all groups in the pool have reached zfs_mg_noalloc_threshold.
100  * Once all groups in the pool reach zfs_mg_noalloc_threshold then all
101  * groups are allowed to accept allocations. Gang blocks are always
102  * eligible to allocate on any metaslab group. The default value of 0 means
103  * no metaslab group will be excluded based on this criterion.
104  */
105 int zfs_mg_noalloc_threshold = 0;
106 TUNABLE_INT("vfs.zfs.mg_noalloc_threshold", &zfs_mg_noalloc_threshold);
107 SYSCTL_INT(_vfs_zfs, OID_AUTO, mg_noalloc_threshold, CTLFLAG_RWTUN,
108     &zfs_mg_noalloc_threshold, 0,
109     "Percentage of metaslab group size that should be free"
110     " to make it eligible for allocation");
111
112 /*
113  * Metaslab groups are considered eligible for allocations if their
114  * fragmenation metric (measured as a percentage) is less than or equal to
115  * zfs_mg_fragmentation_threshold. If a metaslab group exceeds this threshold
116  * then it will be skipped unless all metaslab groups within the metaslab
117  * class have also crossed this threshold.
118  */
119 int zfs_mg_fragmentation_threshold = 85;
120 TUNABLE_INT("vfs.zfs.mg_fragmentation_threshold", &zfs_mg_fragmentation_threshold);
121 SYSCTL_INT(_vfs_zfs, OID_AUTO, mg_fragmentation_threshold, CTLFLAG_RWTUN,
122     &zfs_mg_fragmentation_threshold, 0,
123     "Percentage of metaslab group size that should be considered "
124     "eligible for allocations unless all metaslab groups within the metaslab class "
125     "have also crossed this threshold");
126
127 /*
128  * Allow metaslabs to keep their active state as long as their fragmentation
129  * percentage is less than or equal to zfs_metaslab_fragmentation_threshold. An
130  * active metaslab that exceeds this threshold will no longer keep its active
131  * status allowing better metaslabs to be selected.
132  */
133 int zfs_metaslab_fragmentation_threshold = 70;
134 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.fragmentation_threshold",
135     &zfs_metaslab_fragmentation_threshold);
136 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, fragmentation_threshold, CTLFLAG_RWTUN,
137     &zfs_metaslab_fragmentation_threshold, 0,
138     "Maximum percentage of metaslab fragmentation level to keep their active state");
139
140 /*
141  * When set will load all metaslabs when pool is first opened.
142  */
143 int metaslab_debug_load = 0;
144 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.debug_load", &metaslab_debug_load);
145 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, debug_load, CTLFLAG_RWTUN,
146     &metaslab_debug_load, 0,
147     "Load all metaslabs when pool is first opened");
148
149 /*
150  * When set will prevent metaslabs from being unloaded.
151  */
152 int metaslab_debug_unload = 0;
153 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.debug_unload", &metaslab_debug_unload);
154 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, debug_unload, CTLFLAG_RWTUN,
155     &metaslab_debug_unload, 0,
156     "Prevent metaslabs from being unloaded");
157
158 /*
159  * Minimum size which forces the dynamic allocator to change
160  * it's allocation strategy.  Once the space map cannot satisfy
161  * an allocation of this size then it switches to using more
162  * aggressive strategy (i.e search by size rather than offset).
163  */
164 uint64_t metaslab_df_alloc_threshold = SPA_MAXBLOCKSIZE;
165 TUNABLE_QUAD("vfs.zfs.metaslab.df_alloc_threshold",
166     &metaslab_df_alloc_threshold);
167 SYSCTL_QUAD(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, df_alloc_threshold, CTLFLAG_RWTUN,
168     &metaslab_df_alloc_threshold, 0,
169     "Minimum size which forces the dynamic allocator to change it's allocation strategy");
170
171 /*
172  * The minimum free space, in percent, which must be available
173  * in a space map to continue allocations in a first-fit fashion.
174  * Once the space_map's free space drops below this level we dynamically
175  * switch to using best-fit allocations.
176  */
177 int metaslab_df_free_pct = 4;
178 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.df_free_pct", &metaslab_df_free_pct);
179 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, df_free_pct, CTLFLAG_RWTUN,
180     &metaslab_df_free_pct, 0,
181     "The minimum free space, in percent, which must be available in a space map to continue allocations in a first-fit fashion");
182
183 /*
184  * A metaslab is considered "free" if it contains a contiguous
185  * segment which is greater than metaslab_min_alloc_size.
186  */
187 uint64_t metaslab_min_alloc_size = DMU_MAX_ACCESS;
188 TUNABLE_QUAD("vfs.zfs.metaslab.min_alloc_size",
189     &metaslab_min_alloc_size);
190 SYSCTL_QUAD(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, min_alloc_size, CTLFLAG_RWTUN,
191     &metaslab_min_alloc_size, 0,
192     "A metaslab is considered \"free\" if it contains a contiguous segment which is greater than vfs.zfs.metaslab.min_alloc_size");
193
194 /*
195  * Percentage of all cpus that can be used by the metaslab taskq.
196  */
197 int metaslab_load_pct = 50;
198 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.load_pct", &metaslab_load_pct);
199 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, load_pct, CTLFLAG_RWTUN,
200     &metaslab_load_pct, 0,
201     "Percentage of cpus that can be used by the metaslab taskq");
202
203 /*
204  * Determines how many txgs a metaslab may remain loaded without having any
205  * allocations from it. As long as a metaslab continues to be used we will
206  * keep it loaded.
207  */
208 int metaslab_unload_delay = TXG_SIZE * 2;
209 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.unload_delay", &metaslab_unload_delay);
210 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, unload_delay, CTLFLAG_RWTUN,
211     &metaslab_unload_delay, 0,
212     "Number of TXGs that an unused metaslab can be kept in memory");
213
214 /*
215  * Max number of metaslabs per group to preload.
216  */
217 int metaslab_preload_limit = SPA_DVAS_PER_BP;
218 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.preload_limit", &metaslab_preload_limit);
219 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, preload_limit, CTLFLAG_RWTUN,
220     &metaslab_preload_limit, 0,
221     "Max number of metaslabs per group to preload");
222
223 /*
224  * Enable/disable preloading of metaslab.
225  */
226 boolean_t metaslab_preload_enabled = B_TRUE;
227 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.preload_enabled", &metaslab_preload_enabled);
228 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, preload_enabled, CTLFLAG_RWTUN,
229     &metaslab_preload_enabled, 0,
230     "Max number of metaslabs per group to preload");
231
232 /*
233  * Enable/disable fragmentation weighting on metaslabs.
234  */
235 boolean_t metaslab_fragmentation_factor_enabled = B_TRUE;
236 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab_fragmentation_factor_enabled",
237     &metaslab_fragmentation_factor_enabled);
238 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, fragmentation_factor_enabled, CTLFLAG_RWTUN,
239     &metaslab_fragmentation_factor_enabled, 0,
240     "Enable fragmentation weighting on metaslabs");
241
242 /*
243  * Enable/disable lba weighting (i.e. outer tracks are given preference).
244  */
245 boolean_t metaslab_lba_weighting_enabled = B_TRUE;
246 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.lba_weighting_enabled",
247     &metaslab_lba_weighting_enabled);
248 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, lba_weighting_enabled, CTLFLAG_RWTUN,
249     &metaslab_lba_weighting_enabled, 0,
250     "Enable LBA weighting (i.e. outer tracks are given preference)");
251
252 /*
253  * Enable/disable metaslab group biasing.
254  */
255 boolean_t metaslab_bias_enabled = B_TRUE;
256 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.bias_enabled",
257     &metaslab_bias_enabled);
258 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, bias_enabled, CTLFLAG_RWTUN,
259     &metaslab_bias_enabled, 0,
260     "Enable metaslab group biasing");
261
262 static uint64_t metaslab_fragmentation(metaslab_t *);
263
264 /*
265  * ==========================================================================
266  * Metaslab classes
267  * ==========================================================================
268  */
269 metaslab_class_t *
270 metaslab_class_create(spa_t *spa, metaslab_ops_t *ops)
271 {
272         metaslab_class_t *mc;
273
274         mc = kmem_zalloc(sizeof (metaslab_class_t), KM_SLEEP);
275
276         mc->mc_spa = spa;
277         mc->mc_rotor = NULL;
278         mc->mc_ops = ops;
279
280         return (mc);
281 }
282
283 void
284 metaslab_class_destroy(metaslab_class_t *mc)
285 {
286         ASSERT(mc->mc_rotor == NULL);
287         ASSERT(mc->mc_alloc == 0);
288         ASSERT(mc->mc_deferred == 0);
289         ASSERT(mc->mc_space == 0);
290         ASSERT(mc->mc_dspace == 0);
291
292         kmem_free(mc, sizeof (metaslab_class_t));
293 }
294
295 int
296 metaslab_class_validate(metaslab_class_t *mc)
297 {
298         metaslab_group_t *mg;
299         vdev_t *vd;
300
301         /*
302          * Must hold one of the spa_config locks.
303          */
304         ASSERT(spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALL, RW_READER) ||
305             spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALL, RW_WRITER));
306
307         if ((mg = mc->mc_rotor) == NULL)
308                 return (0);
309
310         do {
311                 vd = mg->mg_vd;
312                 ASSERT(vd->vdev_mg != NULL);
313                 ASSERT3P(vd->vdev_top, ==, vd);
314                 ASSERT3P(mg->mg_class, ==, mc);
315                 ASSERT3P(vd->vdev_ops, !=, &vdev_hole_ops);
316         } while ((mg = mg->mg_next) != mc->mc_rotor);
317
318         return (0);
319 }
320
321 void
322 metaslab_class_space_update(metaslab_class_t *mc, int64_t alloc_delta,
323     int64_t defer_delta, int64_t space_delta, int64_t dspace_delta)
324 {
325         atomic_add_64(&mc->mc_alloc, alloc_delta);
326         atomic_add_64(&mc->mc_deferred, defer_delta);
327         atomic_add_64(&mc->mc_space, space_delta);
328         atomic_add_64(&mc->mc_dspace, dspace_delta);
329 }
330
331 void
332 metaslab_class_minblocksize_update(metaslab_class_t *mc)
333 {
334         metaslab_group_t *mg;
335         vdev_t *vd;
336         uint64_t minashift = UINT64_MAX;
337
338         if ((mg = mc->mc_rotor) == NULL) {
339                 mc->mc_minblocksize = SPA_MINBLOCKSIZE;
340                 return;
341         }
342
343         do {
344                 vd = mg->mg_vd;
345                 if (vd->vdev_ashift < minashift)
346                         minashift = vd->vdev_ashift;
347         } while ((mg = mg->mg_next) != mc->mc_rotor);
348
349         mc->mc_minblocksize = 1ULL << minashift;
350 }
351
352 uint64_t
353 metaslab_class_get_alloc(metaslab_class_t *mc)
354 {
355         return (mc->mc_alloc);
356 }
357
358 uint64_t
359 metaslab_class_get_deferred(metaslab_class_t *mc)
360 {
361         return (mc->mc_deferred);
362 }
363
364 uint64_t
365 metaslab_class_get_space(metaslab_class_t *mc)
366 {
367         return (mc->mc_space);
368 }
369
370 uint64_t
371 metaslab_class_get_dspace(metaslab_class_t *mc)
372 {
373         return (spa_deflate(mc->mc_spa) ? mc->mc_dspace : mc->mc_space);
374 }
375
376 uint64_t
377 metaslab_class_get_minblocksize(metaslab_class_t *mc)
378 {
379         return (mc->mc_minblocksize);
380 }
381
382 void
383 metaslab_class_histogram_verify(metaslab_class_t *mc)
384 {
385         vdev_t *rvd = mc->mc_spa->spa_root_vdev;
386         uint64_t *mc_hist;
387         int i;
388
389         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_HISTOGRAM_VERIFY) == 0)
390                 return;
391
392         mc_hist = kmem_zalloc(sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE,
393             KM_SLEEP);
394
395         for (int c = 0; c < rvd->vdev_children; c++) {
396                 vdev_t *tvd = rvd->vdev_child[c];
397                 metaslab_group_t *mg = tvd->vdev_mg;
398
399                 /*
400                  * Skip any holes, uninitialized top-levels, or
401                  * vdevs that are not in this metalab class.
402                  */
403                 if (tvd->vdev_ishole || tvd->vdev_ms_shift == 0 ||
404                     mg->mg_class != mc) {
405                         continue;
406                 }
407
408                 for (i = 0; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i++)
409                         mc_hist[i] += mg->mg_histogram[i];
410         }
411
412         for (i = 0; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i++)
413                 VERIFY3U(mc_hist[i], ==, mc->mc_histogram[i]);
414
415         kmem_free(mc_hist, sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE);
416 }
417
418 /*
419  * Calculate the metaslab class's fragmentation metric. The metric
420  * is weighted based on the space contribution of each metaslab group.
421  * The return value will be a number between 0 and 100 (inclusive), or
422  * ZFS_FRAG_INVALID if the metric has not been set. See comment above the
423  * zfs_frag_table for more information about the metric.
424  */
425 uint64_t
426 metaslab_class_fragmentation(metaslab_class_t *mc)
427 {
428         vdev_t *rvd = mc->mc_spa->spa_root_vdev;
429         uint64_t fragmentation = 0;
430
431         spa_config_enter(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
432
433         for (int c = 0; c < rvd->vdev_children; c++) {
434                 vdev_t *tvd = rvd->vdev_child[c];
435                 metaslab_group_t *mg = tvd->vdev_mg;
436
437                 /*
438                  * Skip any holes, uninitialized top-levels, or
439                  * vdevs that are not in this metalab class.
440                  */
441                 if (tvd->vdev_ishole || tvd->vdev_ms_shift == 0 ||
442                     mg->mg_class != mc) {
443                         continue;
444                 }
445
446                 /*
447                  * If a metaslab group does not contain a fragmentation
448                  * metric then just bail out.
449                  */
450                 if (mg->mg_fragmentation == ZFS_FRAG_INVALID) {
451                         spa_config_exit(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG);
452                         return (ZFS_FRAG_INVALID);
453                 }
454
455                 /*
456                  * Determine how much this metaslab_group is contributing
457                  * to the overall pool fragmentation metric.
458                  */
459                 fragmentation += mg->mg_fragmentation *
460                     metaslab_group_get_space(mg);
461         }
462         fragmentation /= metaslab_class_get_space(mc);
463
464         ASSERT3U(fragmentation, <=, 100);
465         spa_config_exit(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG);
466         return (fragmentation);
467 }
468
469 /*
470  * Calculate the amount of expandable space that is available in
471  * this metaslab class. If a device is expanded then its expandable
472  * space will be the amount of allocatable space that is currently not
473  * part of this metaslab class.
474  */
475 uint64_t
476 metaslab_class_expandable_space(metaslab_class_t *mc)
477 {
478         vdev_t *rvd = mc->mc_spa->spa_root_vdev;
479         uint64_t space = 0;
480
481         spa_config_enter(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
482         for (int c = 0; c < rvd->vdev_children; c++) {
483                 vdev_t *tvd = rvd->vdev_child[c];
484                 metaslab_group_t *mg = tvd->vdev_mg;
485
486                 if (tvd->vdev_ishole || tvd->vdev_ms_shift == 0 ||
487                     mg->mg_class != mc) {
488                         continue;
489                 }
490
491                 space += tvd->vdev_max_asize - tvd->vdev_asize;
492         }
493         spa_config_exit(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG);
494         return (space);
495 }
496
497 /*
498  * ==========================================================================
499  * Metaslab groups
500  * ==========================================================================
501  */
502 static int
503 metaslab_compare(const void *x1, const void *x2)
504 {
505         const metaslab_t *m1 = x1;
506         const metaslab_t *m2 = x2;
507
508         if (m1->ms_weight < m2->ms_weight)
509                 return (1);
510         if (m1->ms_weight > m2->ms_weight)
511                 return (-1);
512
513         /*
514          * If the weights are identical, use the offset to force uniqueness.
515          */
516         if (m1->ms_start < m2->ms_start)
517                 return (-1);
518         if (m1->ms_start > m2->ms_start)
519                 return (1);
520
521         ASSERT3P(m1, ==, m2);
522
523         return (0);
524 }
525
526 /*
527  * Update the allocatable flag and the metaslab group's capacity.
528  * The allocatable flag is set to true if the capacity is below
529  * the zfs_mg_noalloc_threshold. If a metaslab group transitions
530  * from allocatable to non-allocatable or vice versa then the metaslab
531  * group's class is updated to reflect the transition.
532  */
533 static void
534 metaslab_group_alloc_update(metaslab_group_t *mg)
535 {
536         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
537         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
538         vdev_stat_t *vs = &vd->vdev_stat;
539         boolean_t was_allocatable;
540
541         ASSERT(vd == vd->vdev_top);
542
543         mutex_enter(&mg->mg_lock);
544         was_allocatable = mg->mg_allocatable;
545
546         mg->mg_free_capacity = ((vs->vs_space - vs->vs_alloc) * 100) /
547             (vs->vs_space + 1);
548
549         /*
550          * A metaslab group is considered allocatable if it has plenty
551          * of free space or is not heavily fragmented. We only take
552          * fragmentation into account if the metaslab group has a valid
553          * fragmentation metric (i.e. a value between 0 and 100).
554          */
555         mg->mg_allocatable = (mg->mg_free_capacity > zfs_mg_noalloc_threshold &&
556             (mg->mg_fragmentation == ZFS_FRAG_INVALID ||
557             mg->mg_fragmentation <= zfs_mg_fragmentation_threshold));
558
559         /*
560          * The mc_alloc_groups maintains a count of the number of
561          * groups in this metaslab class that are still above the
562          * zfs_mg_noalloc_threshold. This is used by the allocating
563          * threads to determine if they should avoid allocations to
564          * a given group. The allocator will avoid allocations to a group
565          * if that group has reached or is below the zfs_mg_noalloc_threshold
566          * and there are still other groups that are above the threshold.
567          * When a group transitions from allocatable to non-allocatable or
568          * vice versa we update the metaslab class to reflect that change.
569          * When the mc_alloc_groups value drops to 0 that means that all
570          * groups have reached the zfs_mg_noalloc_threshold making all groups
571          * eligible for allocations. This effectively means that all devices
572          * are balanced again.
573          */
574         if (was_allocatable && !mg->mg_allocatable)
575                 mc->mc_alloc_groups--;
576         else if (!was_allocatable && mg->mg_allocatable)
577                 mc->mc_alloc_groups++;
578
579         mutex_exit(&mg->mg_lock);
580 }
581
582 metaslab_group_t *
583 metaslab_group_create(metaslab_class_t *mc, vdev_t *vd)
584 {
585         metaslab_group_t *mg;
586
587         mg = kmem_zalloc(sizeof (metaslab_group_t), KM_SLEEP);
588         mutex_init(&mg->mg_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
589         avl_create(&mg->mg_metaslab_tree, metaslab_compare,
590             sizeof (metaslab_t), offsetof(struct metaslab, ms_group_node));
591         mg->mg_vd = vd;
592         mg->mg_class = mc;
593         mg->mg_activation_count = 0;
594
595         mg->mg_taskq = taskq_create("metaslab_group_taskq", metaslab_load_pct,
596             minclsyspri, 10, INT_MAX, TASKQ_THREADS_CPU_PCT);
597
598         return (mg);
599 }
600
601 void
602 metaslab_group_destroy(metaslab_group_t *mg)
603 {
604         ASSERT(mg->mg_prev == NULL);
605         ASSERT(mg->mg_next == NULL);
606         /*
607          * We may have gone below zero with the activation count
608          * either because we never activated in the first place or
609          * because we're done, and possibly removing the vdev.
610          */
611         ASSERT(mg->mg_activation_count <= 0);
612
613         taskq_destroy(mg->mg_taskq);
614         avl_destroy(&mg->mg_metaslab_tree);
615         mutex_destroy(&mg->mg_lock);
616         kmem_free(mg, sizeof (metaslab_group_t));
617 }
618
619 void
620 metaslab_group_activate(metaslab_group_t *mg)
621 {
622         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
623         metaslab_group_t *mgprev, *mgnext;
624
625         ASSERT(spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALLOC, RW_WRITER));
626
627         ASSERT(mc->mc_rotor != mg);
628         ASSERT(mg->mg_prev == NULL);
629         ASSERT(mg->mg_next == NULL);
630         ASSERT(mg->mg_activation_count <= 0);
631
632         if (++mg->mg_activation_count <= 0)
633                 return;
634
635         mg->mg_aliquot = metaslab_aliquot * MAX(1, mg->mg_vd->vdev_children);
636         metaslab_group_alloc_update(mg);
637
638         if ((mgprev = mc->mc_rotor) == NULL) {
639                 mg->mg_prev = mg;
640                 mg->mg_next = mg;
641         } else {
642                 mgnext = mgprev->mg_next;
643                 mg->mg_prev = mgprev;
644                 mg->mg_next = mgnext;
645                 mgprev->mg_next = mg;
646                 mgnext->mg_prev = mg;
647         }
648         mc->mc_rotor = mg;
649         metaslab_class_minblocksize_update(mc);
650 }
651
652 void
653 metaslab_group_passivate(metaslab_group_t *mg)
654 {
655         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
656         metaslab_group_t *mgprev, *mgnext;
657
658         ASSERT(spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALLOC, RW_WRITER));
659
660         if (--mg->mg_activation_count != 0) {
661                 ASSERT(mc->mc_rotor != mg);
662                 ASSERT(mg->mg_prev == NULL);
663                 ASSERT(mg->mg_next == NULL);
664                 ASSERT(mg->mg_activation_count < 0);
665                 return;
666         }
667
668         taskq_wait(mg->mg_taskq);
669         metaslab_group_alloc_update(mg);
670
671         mgprev = mg->mg_prev;
672         mgnext = mg->mg_next;
673
674         if (mg == mgnext) {
675                 mc->mc_rotor = NULL;
676         } else {
677                 mc->mc_rotor = mgnext;
678                 mgprev->mg_next = mgnext;
679                 mgnext->mg_prev = mgprev;
680         }
681
682         mg->mg_prev = NULL;
683         mg->mg_next = NULL;
684         metaslab_class_minblocksize_update(mc);
685 }
686
687 uint64_t
688 metaslab_group_get_space(metaslab_group_t *mg)
689 {
690         return ((1ULL << mg->mg_vd->vdev_ms_shift) * mg->mg_vd->vdev_ms_count);
691 }
692
693 void
694 metaslab_group_histogram_verify(metaslab_group_t *mg)
695 {
696         uint64_t *mg_hist;
697         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
698         uint64_t ashift = vd->vdev_ashift;
699         int i;
700
701         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_HISTOGRAM_VERIFY) == 0)
702                 return;
703
704         mg_hist = kmem_zalloc(sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE,
705             KM_SLEEP);
706
707         ASSERT3U(RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE, >=,
708             SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE + ashift);
709
710         for (int m = 0; m < vd->vdev_ms_count; m++) {
711                 metaslab_t *msp = vd->vdev_ms[m];
712
713                 if (msp->ms_sm == NULL)
714                         continue;
715
716                 for (i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++)
717                         mg_hist[i + ashift] +=
718                             msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
719         }
720
721         for (i = 0; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i ++)
722                 VERIFY3U(mg_hist[i], ==, mg->mg_histogram[i]);
723
724         kmem_free(mg_hist, sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE);
725 }
726
727 static void
728 metaslab_group_histogram_add(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
729 {
730         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
731         uint64_t ashift = mg->mg_vd->vdev_ashift;
732
733         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
734         if (msp->ms_sm == NULL)
735                 return;
736
737         mutex_enter(&mg->mg_lock);
738         for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
739                 mg->mg_histogram[i + ashift] +=
740                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
741                 mc->mc_histogram[i + ashift] +=
742                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
743         }
744         mutex_exit(&mg->mg_lock);
745 }
746
747 void
748 metaslab_group_histogram_remove(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
749 {
750         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
751         uint64_t ashift = mg->mg_vd->vdev_ashift;
752
753         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
754         if (msp->ms_sm == NULL)
755                 return;
756
757         mutex_enter(&mg->mg_lock);
758         for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
759                 ASSERT3U(mg->mg_histogram[i + ashift], >=,
760                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i]);
761                 ASSERT3U(mc->mc_histogram[i + ashift], >=,
762                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i]);
763
764                 mg->mg_histogram[i + ashift] -=
765                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
766                 mc->mc_histogram[i + ashift] -=
767                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
768         }
769         mutex_exit(&mg->mg_lock);
770 }
771
772 static void
773 metaslab_group_add(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
774 {
775         ASSERT(msp->ms_group == NULL);
776         mutex_enter(&mg->mg_lock);
777         msp->ms_group = mg;
778         msp->ms_weight = 0;
779         avl_add(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
780         mutex_exit(&mg->mg_lock);
781
782         mutex_enter(&msp->ms_lock);
783         metaslab_group_histogram_add(mg, msp);
784         mutex_exit(&msp->ms_lock);
785 }
786
787 static void
788 metaslab_group_remove(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
789 {
790         mutex_enter(&msp->ms_lock);
791         metaslab_group_histogram_remove(mg, msp);
792         mutex_exit(&msp->ms_lock);
793
794         mutex_enter(&mg->mg_lock);
795         ASSERT(msp->ms_group == mg);
796         avl_remove(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
797         msp->ms_group = NULL;
798         mutex_exit(&mg->mg_lock);
799 }
800
801 static void
802 metaslab_group_sort(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp, uint64_t weight)
803 {
804         /*
805          * Although in principle the weight can be any value, in
806          * practice we do not use values in the range [1, 511].
807          */
808         ASSERT(weight >= SPA_MINBLOCKSIZE || weight == 0);
809         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
810
811         mutex_enter(&mg->mg_lock);
812         ASSERT(msp->ms_group == mg);
813         avl_remove(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
814         msp->ms_weight = weight;
815         avl_add(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
816         mutex_exit(&mg->mg_lock);
817 }
818
819 /*
820  * Calculate the fragmentation for a given metaslab group. We can use
821  * a simple average here since all metaslabs within the group must have
822  * the same size. The return value will be a value between 0 and 100
823  * (inclusive), or ZFS_FRAG_INVALID if less than half of the metaslab in this
824  * group have a fragmentation metric.
825  */
826 uint64_t
827 metaslab_group_fragmentation(metaslab_group_t *mg)
828 {
829         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
830         uint64_t fragmentation = 0;
831         uint64_t valid_ms = 0;
832
833         for (int m = 0; m < vd->vdev_ms_count; m++) {
834                 metaslab_t *msp = vd->vdev_ms[m];
835
836                 if (msp->ms_fragmentation == ZFS_FRAG_INVALID)
837                         continue;
838
839                 valid_ms++;
840                 fragmentation += msp->ms_fragmentation;
841         }
842
843         if (valid_ms <= vd->vdev_ms_count / 2)
844                 return (ZFS_FRAG_INVALID);
845
846         fragmentation /= valid_ms;
847         ASSERT3U(fragmentation, <=, 100);
848         return (fragmentation);
849 }
850
851 /*
852  * Determine if a given metaslab group should skip allocations. A metaslab
853  * group should avoid allocations if its free capacity is less than the
854  * zfs_mg_noalloc_threshold or its fragmentation metric is greater than
855  * zfs_mg_fragmentation_threshold and there is at least one metaslab group
856  * that can still handle allocations.
857  */
858 static boolean_t
859 metaslab_group_allocatable(metaslab_group_t *mg)
860 {
861         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
862         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
863         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
864
865         /*
866          * We use two key metrics to determine if a metaslab group is
867          * considered allocatable -- free space and fragmentation. If
868          * the free space is greater than the free space threshold and
869          * the fragmentation is less than the fragmentation threshold then
870          * consider the group allocatable. There are two case when we will
871          * not consider these key metrics. The first is if the group is
872          * associated with a slog device and the second is if all groups
873          * in this metaslab class have already been consider ineligible
874          * for allocations.
875          */
876         return ((mg->mg_free_capacity > zfs_mg_noalloc_threshold &&
877             (mg->mg_fragmentation == ZFS_FRAG_INVALID ||
878             mg->mg_fragmentation <= zfs_mg_fragmentation_threshold)) ||
879             mc != spa_normal_class(spa) || mc->mc_alloc_groups == 0);
880 }
881
882 /*
883  * ==========================================================================
884  * Range tree callbacks
885  * ==========================================================================
886  */
887
888 /*
889  * Comparison function for the private size-ordered tree. Tree is sorted
890  * by size, larger sizes at the end of the tree.
891  */
892 static int
893 metaslab_rangesize_compare(const void *x1, const void *x2)
894 {
895         const range_seg_t *r1 = x1;
896         const range_seg_t *r2 = x2;
897         uint64_t rs_size1 = r1->rs_end - r1->rs_start;
898         uint64_t rs_size2 = r2->rs_end - r2->rs_start;
899
900         if (rs_size1 < rs_size2)
901                 return (-1);
902         if (rs_size1 > rs_size2)
903                 return (1);
904
905         if (r1->rs_start < r2->rs_start)
906                 return (-1);
907
908         if (r1->rs_start > r2->rs_start)
909                 return (1);
910
911         return (0);
912 }
913
914 /*
915  * Create any block allocator specific components. The current allocators
916  * rely on using both a size-ordered range_tree_t and an array of uint64_t's.
917  */
918 static void
919 metaslab_rt_create(range_tree_t *rt, void *arg)
920 {
921         metaslab_t *msp = arg;
922
923         ASSERT3P(rt->rt_arg, ==, msp);
924         ASSERT(msp->ms_tree == NULL);
925
926         avl_create(&msp->ms_size_tree, metaslab_rangesize_compare,
927             sizeof (range_seg_t), offsetof(range_seg_t, rs_pp_node));
928 }
929
930 /*
931  * Destroy the block allocator specific components.
932  */
933 static void
934 metaslab_rt_destroy(range_tree_t *rt, void *arg)
935 {
936         metaslab_t *msp = arg;
937
938         ASSERT3P(rt->rt_arg, ==, msp);
939         ASSERT3P(msp->ms_tree, ==, rt);
940         ASSERT0(avl_numnodes(&msp->ms_size_tree));
941
942         avl_destroy(&msp->ms_size_tree);
943 }
944
945 static void
946 metaslab_rt_add(range_tree_t *rt, range_seg_t *rs, void *arg)
947 {
948         metaslab_t *msp = arg;
949
950         ASSERT3P(rt->rt_arg, ==, msp);
951         ASSERT3P(msp->ms_tree, ==, rt);
952         VERIFY(!msp->ms_condensing);
953         avl_add(&msp->ms_size_tree, rs);
954 }
955
956 static void
957 metaslab_rt_remove(range_tree_t *rt, range_seg_t *rs, void *arg)
958 {
959         metaslab_t *msp = arg;
960
961         ASSERT3P(rt->rt_arg, ==, msp);
962         ASSERT3P(msp->ms_tree, ==, rt);
963         VERIFY(!msp->ms_condensing);
964         avl_remove(&msp->ms_size_tree, rs);
965 }
966
967 static void
968 metaslab_rt_vacate(range_tree_t *rt, void *arg)
969 {
970         metaslab_t *msp = arg;
971
972         ASSERT3P(rt->rt_arg, ==, msp);
973         ASSERT3P(msp->ms_tree, ==, rt);
974
975         /*
976          * Normally one would walk the tree freeing nodes along the way.
977          * Since the nodes are shared with the range trees we can avoid
978          * walking all nodes and just reinitialize the avl tree. The nodes
979          * will be freed by the range tree, so we don't want to free them here.
980          */
981         avl_create(&msp->ms_size_tree, metaslab_rangesize_compare,
982             sizeof (range_seg_t), offsetof(range_seg_t, rs_pp_node));
983 }
984
985 static range_tree_ops_t metaslab_rt_ops = {
986         metaslab_rt_create,
987         metaslab_rt_destroy,
988         metaslab_rt_add,
989         metaslab_rt_remove,
990         metaslab_rt_vacate
991 };
992
993 /*
994  * ==========================================================================
995  * Metaslab block operations
996  * ==========================================================================
997  */
998
999 /*
1000  * Return the maximum contiguous segment within the metaslab.
1001  */
1002 uint64_t
1003 metaslab_block_maxsize(metaslab_t *msp)
1004 {
1005         avl_tree_t *t = &msp->ms_size_tree;
1006         range_seg_t *rs;
1007
1008         if (t == NULL || (rs = avl_last(t)) == NULL)
1009                 return (0ULL);
1010
1011         return (rs->rs_end - rs->rs_start);
1012 }
1013
1014 uint64_t
1015 metaslab_block_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1016 {
1017         uint64_t start;
1018         range_tree_t *rt = msp->ms_tree;
1019
1020         VERIFY(!msp->ms_condensing);
1021
1022         start = msp->ms_ops->msop_alloc(msp, size);
1023         if (start != -1ULL) {
1024                 vdev_t *vd = msp->ms_group->mg_vd;
1025
1026                 VERIFY0(P2PHASE(start, 1ULL << vd->vdev_ashift));
1027                 VERIFY0(P2PHASE(size, 1ULL << vd->vdev_ashift));
1028                 VERIFY3U(range_tree_space(rt) - size, <=, msp->ms_size);
1029                 range_tree_remove(rt, start, size);
1030         }
1031         return (start);
1032 }
1033
1034 /*
1035  * ==========================================================================
1036  * Common allocator routines
1037  * ==========================================================================
1038  */
1039
1040 /*
1041  * This is a helper function that can be used by the allocator to find
1042  * a suitable block to allocate. This will search the specified AVL
1043  * tree looking for a block that matches the specified criteria.
1044  */
1045 static uint64_t
1046 metaslab_block_picker(avl_tree_t *t, uint64_t *cursor, uint64_t size,
1047     uint64_t align)
1048 {
1049         range_seg_t *rs, rsearch;
1050         avl_index_t where;
1051
1052         rsearch.rs_start = *cursor;
1053         rsearch.rs_end = *cursor + size;
1054
1055         rs = avl_find(t, &rsearch, &where);
1056         if (rs == NULL)
1057                 rs = avl_nearest(t, where, AVL_AFTER);
1058
1059         while (rs != NULL) {
1060                 uint64_t offset = P2ROUNDUP(rs->rs_start, align);
1061
1062                 if (offset + size <= rs->rs_end) {
1063                         *cursor = offset + size;
1064                         return (offset);
1065                 }
1066                 rs = AVL_NEXT(t, rs);
1067         }
1068
1069         /*
1070          * If we know we've searched the whole map (*cursor == 0), give up.
1071          * Otherwise, reset the cursor to the beginning and try again.
1072          */
1073         if (*cursor == 0)
1074                 return (-1ULL);
1075
1076         *cursor = 0;
1077         return (metaslab_block_picker(t, cursor, size, align));
1078 }
1079
1080 /*
1081  * ==========================================================================
1082  * The first-fit block allocator
1083  * ==========================================================================
1084  */
1085 static uint64_t
1086 metaslab_ff_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1087 {
1088         /*
1089          * Find the largest power of 2 block size that evenly divides the
1090          * requested size. This is used to try to allocate blocks with similar
1091          * alignment from the same area of the metaslab (i.e. same cursor
1092          * bucket) but it does not guarantee that other allocations sizes
1093          * may exist in the same region.
1094          */
1095         uint64_t align = size & -size;
1096         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[highbit64(align) - 1];
1097         avl_tree_t *t = &msp->ms_tree->rt_root;
1098
1099         return (metaslab_block_picker(t, cursor, size, align));
1100 }
1101
1102 static metaslab_ops_t metaslab_ff_ops = {
1103         metaslab_ff_alloc
1104 };
1105
1106 /*
1107  * ==========================================================================
1108  * Dynamic block allocator -
1109  * Uses the first fit allocation scheme until space get low and then
1110  * adjusts to a best fit allocation method. Uses metaslab_df_alloc_threshold
1111  * and metaslab_df_free_pct to determine when to switch the allocation scheme.
1112  * ==========================================================================
1113  */
1114 static uint64_t
1115 metaslab_df_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1116 {
1117         /*
1118          * Find the largest power of 2 block size that evenly divides the
1119          * requested size. This is used to try to allocate blocks with similar
1120          * alignment from the same area of the metaslab (i.e. same cursor
1121          * bucket) but it does not guarantee that other allocations sizes
1122          * may exist in the same region.
1123          */
1124         uint64_t align = size & -size;
1125         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[highbit64(align) - 1];
1126         range_tree_t *rt = msp->ms_tree;
1127         avl_tree_t *t = &rt->rt_root;
1128         uint64_t max_size = metaslab_block_maxsize(msp);
1129         int free_pct = range_tree_space(rt) * 100 / msp->ms_size;
1130
1131         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1132         ASSERT3U(avl_numnodes(t), ==, avl_numnodes(&msp->ms_size_tree));
1133
1134         if (max_size < size)
1135                 return (-1ULL);
1136
1137         /*
1138          * If we're running low on space switch to using the size
1139          * sorted AVL tree (best-fit).
1140          */
1141         if (max_size < metaslab_df_alloc_threshold ||
1142             free_pct < metaslab_df_free_pct) {
1143                 t = &msp->ms_size_tree;
1144                 *cursor = 0;
1145         }
1146
1147         return (metaslab_block_picker(t, cursor, size, 1ULL));
1148 }
1149
1150 static metaslab_ops_t metaslab_df_ops = {
1151         metaslab_df_alloc
1152 };
1153
1154 /*
1155  * ==========================================================================
1156  * Cursor fit block allocator -
1157  * Select the largest region in the metaslab, set the cursor to the beginning
1158  * of the range and the cursor_end to the end of the range. As allocations
1159  * are made advance the cursor. Continue allocating from the cursor until
1160  * the range is exhausted and then find a new range.
1161  * ==========================================================================
1162  */
1163 static uint64_t
1164 metaslab_cf_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1165 {
1166         range_tree_t *rt = msp->ms_tree;
1167         avl_tree_t *t = &msp->ms_size_tree;
1168         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[0];
1169         uint64_t *cursor_end = &msp->ms_lbas[1];
1170         uint64_t offset = 0;
1171
1172         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1173         ASSERT3U(avl_numnodes(t), ==, avl_numnodes(&rt->rt_root));
1174
1175         ASSERT3U(*cursor_end, >=, *cursor);
1176
1177         if ((*cursor + size) > *cursor_end) {
1178                 range_seg_t *rs;
1179
1180                 rs = avl_last(&msp->ms_size_tree);
1181                 if (rs == NULL || (rs->rs_end - rs->rs_start) < size)
1182                         return (-1ULL);
1183
1184                 *cursor = rs->rs_start;
1185                 *cursor_end = rs->rs_end;
1186         }
1187
1188         offset = *cursor;
1189         *cursor += size;
1190
1191         return (offset);
1192 }
1193
1194 static metaslab_ops_t metaslab_cf_ops = {
1195         metaslab_cf_alloc
1196 };
1197
1198 /*
1199  * ==========================================================================
1200  * New dynamic fit allocator -
1201  * Select a region that is large enough to allocate 2^metaslab_ndf_clump_shift
1202  * contiguous blocks. If no region is found then just use the largest segment
1203  * that remains.
1204  * ==========================================================================
1205  */
1206
1207 /*
1208  * Determines desired number of contiguous blocks (2^metaslab_ndf_clump_shift)
1209  * to request from the allocator.
1210  */
1211 uint64_t metaslab_ndf_clump_shift = 4;
1212
1213 static uint64_t
1214 metaslab_ndf_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1215 {
1216         avl_tree_t *t = &msp->ms_tree->rt_root;
1217         avl_index_t where;
1218         range_seg_t *rs, rsearch;
1219         uint64_t hbit = highbit64(size);
1220         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[hbit - 1];
1221         uint64_t max_size = metaslab_block_maxsize(msp);
1222
1223         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1224         ASSERT3U(avl_numnodes(t), ==, avl_numnodes(&msp->ms_size_tree));
1225
1226         if (max_size < size)
1227                 return (-1ULL);
1228
1229         rsearch.rs_start = *cursor;
1230         rsearch.rs_end = *cursor + size;
1231
1232         rs = avl_find(t, &rsearch, &where);
1233         if (rs == NULL || (rs->rs_end - rs->rs_start) < size) {
1234                 t = &msp->ms_size_tree;
1235
1236                 rsearch.rs_start = 0;
1237                 rsearch.rs_end = MIN(max_size,
1238                     1ULL << (hbit + metaslab_ndf_clump_shift));
1239                 rs = avl_find(t, &rsearch, &where);
1240                 if (rs == NULL)
1241                         rs = avl_nearest(t, where, AVL_AFTER);
1242                 ASSERT(rs != NULL);
1243         }
1244
1245         if ((rs->rs_end - rs->rs_start) >= size) {
1246                 *cursor = rs->rs_start + size;
1247                 return (rs->rs_start);
1248         }
1249         return (-1ULL);
1250 }
1251
1252 static metaslab_ops_t metaslab_ndf_ops = {
1253         metaslab_ndf_alloc
1254 };
1255
1256 metaslab_ops_t *zfs_metaslab_ops = &metaslab_df_ops;
1257
1258 /*
1259  * ==========================================================================
1260  * Metaslabs
1261  * ==========================================================================
1262  */
1263
1264 /*
1265  * Wait for any in-progress metaslab loads to complete.
1266  */
1267 void
1268 metaslab_load_wait(metaslab_t *msp)
1269 {
1270         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1271
1272         while (msp->ms_loading) {
1273                 ASSERT(!msp->ms_loaded);
1274                 cv_wait(&msp->ms_load_cv, &msp->ms_lock);
1275         }
1276 }
1277
1278 int
1279 metaslab_load(metaslab_t *msp)
1280 {
1281         int error = 0;
1282
1283         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1284         ASSERT(!msp->ms_loaded);
1285         ASSERT(!msp->ms_loading);
1286
1287         msp->ms_loading = B_TRUE;
1288
1289         /*
1290          * If the space map has not been allocated yet, then treat
1291          * all the space in the metaslab as free and add it to the
1292          * ms_tree.
1293          */
1294         if (msp->ms_sm != NULL)
1295                 error = space_map_load(msp->ms_sm, msp->ms_tree, SM_FREE);
1296         else
1297                 range_tree_add(msp->ms_tree, msp->ms_start, msp->ms_size);
1298
1299         msp->ms_loaded = (error == 0);
1300         msp->ms_loading = B_FALSE;
1301
1302         if (msp->ms_loaded) {
1303                 for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
1304                         range_tree_walk(msp->ms_defertree[t],
1305                             range_tree_remove, msp->ms_tree);
1306                 }
1307         }
1308         cv_broadcast(&msp->ms_load_cv);
1309         return (error);
1310 }
1311
1312 void
1313 metaslab_unload(metaslab_t *msp)
1314 {
1315         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1316         range_tree_vacate(msp->ms_tree, NULL, NULL);
1317         msp->ms_loaded = B_FALSE;
1318         msp->ms_weight &= ~METASLAB_ACTIVE_MASK;
1319 }
1320
1321 metaslab_t *
1322 metaslab_init(metaslab_group_t *mg, uint64_t id, uint64_t object, uint64_t txg)
1323 {
1324         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
1325         objset_t *mos = vd->vdev_spa->spa_meta_objset;
1326         metaslab_t *msp;
1327
1328         msp = kmem_zalloc(sizeof (metaslab_t), KM_SLEEP);
1329         mutex_init(&msp->ms_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
1330         cv_init(&msp->ms_load_cv, NULL, CV_DEFAULT, NULL);
1331         msp->ms_id = id;
1332         msp->ms_start = id << vd->vdev_ms_shift;
1333         msp->ms_size = 1ULL << vd->vdev_ms_shift;
1334
1335         /*
1336          * We only open space map objects that already exist. All others
1337          * will be opened when we finally allocate an object for it.
1338          */
1339         if (object != 0) {
1340                 VERIFY0(space_map_open(&msp->ms_sm, mos, object, msp->ms_start,
1341                     msp->ms_size, vd->vdev_ashift, &msp->ms_lock));
1342                 ASSERT(msp->ms_sm != NULL);
1343         }
1344
1345         /*
1346          * We create the main range tree here, but we don't create the
1347          * alloctree and freetree until metaslab_sync_done().  This serves
1348          * two purposes: it allows metaslab_sync_done() to detect the
1349          * addition of new space; and for debugging, it ensures that we'd
1350          * data fault on any attempt to use this metaslab before it's ready.
1351          */
1352         msp->ms_tree = range_tree_create(&metaslab_rt_ops, msp, &msp->ms_lock);
1353         metaslab_group_add(mg, msp);
1354
1355         msp->ms_fragmentation = metaslab_fragmentation(msp);
1356         msp->ms_ops = mg->mg_class->mc_ops;
1357
1358         /*
1359          * If we're opening an existing pool (txg == 0) or creating
1360          * a new one (txg == TXG_INITIAL), all space is available now.
1361          * If we're adding space to an existing pool, the new space
1362          * does not become available until after this txg has synced.
1363          */
1364         if (txg <= TXG_INITIAL)
1365                 metaslab_sync_done(msp, 0);
1366
1367         /*
1368          * If metaslab_debug_load is set and we're initializing a metaslab
1369          * that has an allocated space_map object then load the its space
1370          * map so that can verify frees.
1371          */
1372         if (metaslab_debug_load && msp->ms_sm != NULL) {
1373                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
1374                 VERIFY0(metaslab_load(msp));
1375                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
1376         }
1377
1378         if (txg != 0) {
1379                 vdev_dirty(vd, 0, NULL, txg);
1380                 vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
1381         }
1382
1383         return (msp);
1384 }
1385
1386 void
1387 metaslab_fini(metaslab_t *msp)
1388 {
1389         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
1390
1391         metaslab_group_remove(mg, msp);
1392
1393         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1394
1395         VERIFY(msp->ms_group == NULL);
1396         vdev_space_update(mg->mg_vd, -space_map_allocated(msp->ms_sm),
1397             0, -msp->ms_size);
1398         space_map_close(msp->ms_sm);
1399
1400         metaslab_unload(msp);
1401         range_tree_destroy(msp->ms_tree);
1402
1403         for (int t = 0; t < TXG_SIZE; t++) {
1404                 range_tree_destroy(msp->ms_alloctree[t]);
1405                 range_tree_destroy(msp->ms_freetree[t]);
1406         }
1407
1408         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
1409                 range_tree_destroy(msp->ms_defertree[t]);
1410         }
1411
1412         ASSERT0(msp->ms_deferspace);
1413
1414         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1415         cv_destroy(&msp->ms_load_cv);
1416         mutex_destroy(&msp->ms_lock);
1417
1418         kmem_free(msp, sizeof (metaslab_t));
1419 }
1420
1421 #define FRAGMENTATION_TABLE_SIZE        17
1422
1423 /*
1424  * This table defines a segment size based fragmentation metric that will
1425  * allow each metaslab to derive its own fragmentation value. This is done
1426  * by calculating the space in each bucket of the spacemap histogram and
1427  * multiplying that by the fragmetation metric in this table. Doing
1428  * this for all buckets and dividing it by the total amount of free
1429  * space in this metaslab (i.e. the total free space in all buckets) gives
1430  * us the fragmentation metric. This means that a high fragmentation metric
1431  * equates to most of the free space being comprised of small segments.
1432  * Conversely, if the metric is low, then most of the free space is in
1433  * large segments. A 10% change in fragmentation equates to approximately
1434  * double the number of segments.
1435  *
1436  * This table defines 0% fragmented space using 16MB segments. Testing has
1437  * shown that segments that are greater than or equal to 16MB do not suffer
1438  * from drastic performance problems. Using this value, we derive the rest
1439  * of the table. Since the fragmentation value is never stored on disk, it
1440  * is possible to change these calculations in the future.
1441  */
1442 int zfs_frag_table[FRAGMENTATION_TABLE_SIZE] = {
1443         100,    /* 512B */
1444         100,    /* 1K   */
1445         98,     /* 2K   */
1446         95,     /* 4K   */
1447         90,     /* 8K   */
1448         80,     /* 16K  */
1449         70,     /* 32K  */
1450         60,     /* 64K  */
1451         50,     /* 128K */
1452         40,     /* 256K */
1453         30,     /* 512K */
1454         20,     /* 1M   */
1455         15,     /* 2M   */
1456         10,     /* 4M   */
1457         5,      /* 8M   */
1458         0       /* 16M  */
1459 };
1460
1461 /*
1462  * Calclate the metaslab's fragmentation metric. A return value
1463  * of ZFS_FRAG_INVALID means that the metaslab has not been upgraded and does
1464  * not support this metric. Otherwise, the return value should be in the
1465  * range [0, 100].
1466  */
1467 static uint64_t
1468 metaslab_fragmentation(metaslab_t *msp)
1469 {
1470         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
1471         uint64_t fragmentation = 0;
1472         uint64_t total = 0;
1473         boolean_t feature_enabled = spa_feature_is_enabled(spa,
1474             SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM);
1475
1476         if (!feature_enabled)
1477                 return (ZFS_FRAG_INVALID);
1478
1479         /*
1480          * A null space map means that the entire metaslab is free
1481          * and thus is not fragmented.
1482          */
1483         if (msp->ms_sm == NULL)
1484                 return (0);
1485
1486         /*
1487          * If this metaslab's space_map has not been upgraded, flag it
1488          * so that we upgrade next time we encounter it.
1489          */
1490         if (msp->ms_sm->sm_dbuf->db_size != sizeof (space_map_phys_t)) {
1491                 uint64_t txg = spa_syncing_txg(spa);
1492                 vdev_t *vd = msp->ms_group->mg_vd;
1493
1494                 msp->ms_condense_wanted = B_TRUE;
1495                 vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg + 1);
1496                 spa_dbgmsg(spa, "txg %llu, requesting force condense: "
1497                     "msp %p, vd %p", txg, msp, vd);
1498                 return (ZFS_FRAG_INVALID);
1499         }
1500
1501         for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
1502                 uint64_t space = 0;
1503                 uint8_t shift = msp->ms_sm->sm_shift;
1504                 int idx = MIN(shift - SPA_MINBLOCKSHIFT + i,
1505                     FRAGMENTATION_TABLE_SIZE - 1);
1506
1507                 if (msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i] == 0)
1508                         continue;
1509
1510                 space = msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i] << (i + shift);
1511                 total += space;
1512
1513                 ASSERT3U(idx, <, FRAGMENTATION_TABLE_SIZE);
1514                 fragmentation += space * zfs_frag_table[idx];
1515         }
1516
1517         if (total > 0)
1518                 fragmentation /= total;
1519         ASSERT3U(fragmentation, <=, 100);
1520         return (fragmentation);
1521 }
1522
1523 /*
1524  * Compute a weight -- a selection preference value -- for the given metaslab.
1525  * This is based on the amount of free space, the level of fragmentation,
1526  * the LBA range, and whether the metaslab is loaded.
1527  */
1528 static uint64_t
1529 metaslab_weight(metaslab_t *msp)
1530 {
1531         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
1532         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
1533         uint64_t weight, space;
1534
1535         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1536
1537         /*
1538          * This vdev is in the process of being removed so there is nothing
1539          * for us to do here.
1540          */
1541         if (vd->vdev_removing) {
1542                 ASSERT0(space_map_allocated(msp->ms_sm));
1543                 ASSERT0(vd->vdev_ms_shift);
1544                 return (0);
1545         }
1546
1547         /*
1548          * The baseline weight is the metaslab's free space.
1549          */
1550         space = msp->ms_size - space_map_allocated(msp->ms_sm);
1551
1552         msp->ms_fragmentation = metaslab_fragmentation(msp);
1553         if (metaslab_fragmentation_factor_enabled &&
1554             msp->ms_fragmentation != ZFS_FRAG_INVALID) {
1555                 /*
1556                  * Use the fragmentation information to inversely scale
1557                  * down the baseline weight. We need to ensure that we
1558                  * don't exclude this metaslab completely when it's 100%
1559                  * fragmented. To avoid this we reduce the fragmented value
1560                  * by 1.
1561                  */
1562                 space = (space * (100 - (msp->ms_fragmentation - 1))) / 100;
1563
1564                 /*
1565                  * If space < SPA_MINBLOCKSIZE, then we will not allocate from
1566                  * this metaslab again. The fragmentation metric may have
1567                  * decreased the space to something smaller than
1568                  * SPA_MINBLOCKSIZE, so reset the space to SPA_MINBLOCKSIZE
1569                  * so that we can consume any remaining space.
1570                  */
1571                 if (space > 0 && space < SPA_MINBLOCKSIZE)
1572                         space = SPA_MINBLOCKSIZE;
1573         }
1574         weight = space;
1575
1576         /*
1577          * Modern disks have uniform bit density and constant angular velocity.
1578          * Therefore, the outer recording zones are faster (higher bandwidth)
1579          * than the inner zones by the ratio of outer to inner track diameter,
1580          * which is typically around 2:1.  We account for this by assigning
1581          * higher weight to lower metaslabs (multiplier ranging from 2x to 1x).
1582          * In effect, this means that we'll select the metaslab with the most
1583          * free bandwidth rather than simply the one with the most free space.
1584          */
1585         if (metaslab_lba_weighting_enabled) {
1586                 weight = 2 * weight - (msp->ms_id * weight) / vd->vdev_ms_count;
1587                 ASSERT(weight >= space && weight <= 2 * space);
1588         }
1589
1590         /*
1591          * If this metaslab is one we're actively using, adjust its
1592          * weight to make it preferable to any inactive metaslab so
1593          * we'll polish it off. If the fragmentation on this metaslab
1594          * has exceed our threshold, then don't mark it active.
1595          */
1596         if (msp->ms_loaded && msp->ms_fragmentation != ZFS_FRAG_INVALID &&
1597             msp->ms_fragmentation <= zfs_metaslab_fragmentation_threshold) {
1598                 weight |= (msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
1599         }
1600
1601         return (weight);
1602 }
1603
1604 static int
1605 metaslab_activate(metaslab_t *msp, uint64_t activation_weight)
1606 {
1607         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1608
1609         if ((msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) == 0) {
1610                 metaslab_load_wait(msp);
1611                 if (!msp->ms_loaded) {
1612                         int error = metaslab_load(msp);
1613                         if (error) {
1614                                 metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp, 0);
1615                                 return (error);
1616                         }
1617                 }
1618
1619                 metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp,
1620                     msp->ms_weight | activation_weight);
1621         }
1622         ASSERT(msp->ms_loaded);
1623         ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
1624
1625         return (0);
1626 }
1627
1628 static void
1629 metaslab_passivate(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1630 {
1631         /*
1632          * If size < SPA_MINBLOCKSIZE, then we will not allocate from
1633          * this metaslab again.  In that case, it had better be empty,
1634          * or we would be leaving space on the table.
1635          */
1636         ASSERT(size >= SPA_MINBLOCKSIZE || range_tree_space(msp->ms_tree) == 0);
1637         metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp, MIN(msp->ms_weight, size));
1638         ASSERT((msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) == 0);
1639 }
1640
1641 static void
1642 metaslab_preload(void *arg)
1643 {
1644         metaslab_t *msp = arg;
1645         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
1646
1647         ASSERT(!MUTEX_HELD(&msp->ms_group->mg_lock));
1648
1649         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1650         metaslab_load_wait(msp);
1651         if (!msp->ms_loaded)
1652                 (void) metaslab_load(msp);
1653
1654         /*
1655          * Set the ms_access_txg value so that we don't unload it right away.
1656          */
1657         msp->ms_access_txg = spa_syncing_txg(spa) + metaslab_unload_delay + 1;
1658         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1659 }
1660
1661 static void
1662 metaslab_group_preload(metaslab_group_t *mg)
1663 {
1664         spa_t *spa = mg->mg_vd->vdev_spa;
1665         metaslab_t *msp;
1666         avl_tree_t *t = &mg->mg_metaslab_tree;
1667         int m = 0;
1668
1669         if (spa_shutting_down(spa) || !metaslab_preload_enabled) {
1670                 taskq_wait(mg->mg_taskq);
1671                 return;
1672         }
1673
1674         mutex_enter(&mg->mg_lock);
1675         /*
1676          * Load the next potential metaslabs
1677          */
1678         msp = avl_first(t);
1679         while (msp != NULL) {
1680                 metaslab_t *msp_next = AVL_NEXT(t, msp);
1681
1682                 /*
1683                  * We preload only the maximum number of metaslabs specified
1684                  * by metaslab_preload_limit. If a metaslab is being forced
1685                  * to condense then we preload it too. This will ensure
1686                  * that force condensing happens in the next txg.
1687                  */
1688                 if (++m > metaslab_preload_limit && !msp->ms_condense_wanted) {
1689                         msp = msp_next;
1690                         continue;
1691                 }
1692
1693                 /*
1694                  * We must drop the metaslab group lock here to preserve
1695                  * lock ordering with the ms_lock (when grabbing both
1696                  * the mg_lock and the ms_lock, the ms_lock must be taken
1697                  * first).  As a result, it is possible that the ordering
1698                  * of the metaslabs within the avl tree may change before
1699                  * we reacquire the lock. The metaslab cannot be removed from
1700                  * the tree while we're in syncing context so it is safe to
1701                  * drop the mg_lock here. If the metaslabs are reordered
1702                  * nothing will break -- we just may end up loading a
1703                  * less than optimal one.
1704                  */
1705                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
1706                 VERIFY(taskq_dispatch(mg->mg_taskq, metaslab_preload,
1707                     msp, TQ_SLEEP) != 0);
1708                 mutex_enter(&mg->mg_lock);
1709                 msp = msp_next;
1710         }
1711         mutex_exit(&mg->mg_lock);
1712 }
1713
1714 /*
1715  * Determine if the space map's on-disk footprint is past our tolerance
1716  * for inefficiency. We would like to use the following criteria to make
1717  * our decision:
1718  *
1719  * 1. The size of the space map object should not dramatically increase as a
1720  * result of writing out the free space range tree.
1721  *
1722  * 2. The minimal on-disk space map representation is zfs_condense_pct/100
1723  * times the size than the free space range tree representation
1724  * (i.e. zfs_condense_pct = 110 and in-core = 1MB, minimal = 1.1.MB).
1725  *
1726  * 3. The on-disk size of the space map should actually decrease.
1727  *
1728  * Checking the first condition is tricky since we don't want to walk
1729  * the entire AVL tree calculating the estimated on-disk size. Instead we
1730  * use the size-ordered range tree in the metaslab and calculate the
1731  * size required to write out the largest segment in our free tree. If the
1732  * size required to represent that segment on disk is larger than the space
1733  * map object then we avoid condensing this map.
1734  *
1735  * To determine the second criterion we use a best-case estimate and assume
1736  * each segment can be represented on-disk as a single 64-bit entry. We refer
1737  * to this best-case estimate as the space map's minimal form.
1738  *
1739  * Unfortunately, we cannot compute the on-disk size of the space map in this
1740  * context because we cannot accurately compute the effects of compression, etc.
1741  * Instead, we apply the heuristic described in the block comment for
1742  * zfs_metaslab_condense_block_threshold - we only condense if the space used
1743  * is greater than a threshold number of blocks.
1744  */
1745 static boolean_t
1746 metaslab_should_condense(metaslab_t *msp)
1747 {
1748         space_map_t *sm = msp->ms_sm;
1749         range_seg_t *rs;
1750         uint64_t size, entries, segsz, object_size, optimal_size, record_size;
1751         dmu_object_info_t doi;
1752         uint64_t vdev_blocksize = 1 << msp->ms_group->mg_vd->vdev_ashift;
1753
1754         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1755         ASSERT(msp->ms_loaded);
1756
1757         /*
1758          * Use the ms_size_tree range tree, which is ordered by size, to
1759          * obtain the largest segment in the free tree. We always condense
1760          * metaslabs that are empty and metaslabs for which a condense
1761          * request has been made.
1762          */
1763         rs = avl_last(&msp->ms_size_tree);
1764         if (rs == NULL || msp->ms_condense_wanted)
1765                 return (B_TRUE);
1766
1767         /*
1768          * Calculate the number of 64-bit entries this segment would
1769          * require when written to disk. If this single segment would be
1770          * larger on-disk than the entire current on-disk structure, then
1771          * clearly condensing will increase the on-disk structure size.
1772          */
1773         size = (rs->rs_end - rs->rs_start) >> sm->sm_shift;
1774         entries = size / (MIN(size, SM_RUN_MAX));
1775         segsz = entries * sizeof (uint64_t);
1776
1777         optimal_size = sizeof (uint64_t) * avl_numnodes(&msp->ms_tree->rt_root);
1778         object_size = space_map_length(msp->ms_sm);
1779
1780         dmu_object_info_from_db(sm->sm_dbuf, &doi);
1781         record_size = MAX(doi.doi_data_block_size, vdev_blocksize);
1782
1783         return (segsz <= object_size &&
1784             object_size >= (optimal_size * zfs_condense_pct / 100) &&
1785             object_size > zfs_metaslab_condense_block_threshold * record_size);
1786 }
1787
1788 /*
1789  * Condense the on-disk space map representation to its minimized form.
1790  * The minimized form consists of a small number of allocations followed by
1791  * the entries of the free range tree.
1792  */
1793 static void
1794 metaslab_condense(metaslab_t *msp, uint64_t txg, dmu_tx_t *tx)
1795 {
1796         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
1797         range_tree_t *freetree = msp->ms_freetree[txg & TXG_MASK];
1798         range_tree_t *condense_tree;
1799         space_map_t *sm = msp->ms_sm;
1800
1801         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1802         ASSERT3U(spa_sync_pass(spa), ==, 1);
1803         ASSERT(msp->ms_loaded);
1804
1805
1806         spa_dbgmsg(spa, "condensing: txg %llu, msp[%llu] %p, "
1807             "smp size %llu, segments %lu, forcing condense=%s", txg,
1808             msp->ms_id, msp, space_map_length(msp->ms_sm),
1809             avl_numnodes(&msp->ms_tree->rt_root),
1810             msp->ms_condense_wanted ? "TRUE" : "FALSE");
1811
1812         msp->ms_condense_wanted = B_FALSE;
1813
1814         /*
1815          * Create an range tree that is 100% allocated. We remove segments
1816          * that have been freed in this txg, any deferred frees that exist,
1817          * and any allocation in the future. Removing segments should be
1818          * a relatively inexpensive operation since we expect these trees to
1819          * have a small number of nodes.
1820          */
1821         condense_tree = range_tree_create(NULL, NULL, &msp->ms_lock);
1822         range_tree_add(condense_tree, msp->ms_start, msp->ms_size);
1823
1824         /*
1825          * Remove what's been freed in this txg from the condense_tree.
1826          * Since we're in sync_pass 1, we know that all the frees from
1827          * this txg are in the freetree.
1828          */
1829         range_tree_walk(freetree, range_tree_remove, condense_tree);
1830
1831         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
1832                 range_tree_walk(msp->ms_defertree[t],
1833                     range_tree_remove, condense_tree);
1834         }
1835
1836         for (int t = 1; t < TXG_CONCURRENT_STATES; t++) {
1837                 range_tree_walk(msp->ms_alloctree[(txg + t) & TXG_MASK],
1838                     range_tree_remove, condense_tree);
1839         }
1840
1841         /*
1842          * We're about to drop the metaslab's lock thus allowing
1843          * other consumers to change it's content. Set the
1844          * metaslab's ms_condensing flag to ensure that
1845          * allocations on this metaslab do not occur while we're
1846          * in the middle of committing it to disk. This is only critical
1847          * for the ms_tree as all other range trees use per txg
1848          * views of their content.
1849          */
1850         msp->ms_condensing = B_TRUE;
1851
1852         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1853         space_map_truncate(sm, tx);
1854         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1855
1856         /*
1857          * While we would ideally like to create a space_map representation
1858          * that consists only of allocation records, doing so can be
1859          * prohibitively expensive because the in-core free tree can be
1860          * large, and therefore computationally expensive to subtract
1861          * from the condense_tree. Instead we sync out two trees, a cheap
1862          * allocation only tree followed by the in-core free tree. While not
1863          * optimal, this is typically close to optimal, and much cheaper to
1864          * compute.
1865          */
1866         space_map_write(sm, condense_tree, SM_ALLOC, tx);
1867         range_tree_vacate(condense_tree, NULL, NULL);
1868         range_tree_destroy(condense_tree);
1869
1870         space_map_write(sm, msp->ms_tree, SM_FREE, tx);
1871         msp->ms_condensing = B_FALSE;
1872 }
1873
1874 /*
1875  * Write a metaslab to disk in the context of the specified transaction group.
1876  */
1877 void
1878 metaslab_sync(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
1879 {
1880         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
1881         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
1882         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
1883         objset_t *mos = spa_meta_objset(spa);
1884         range_tree_t *alloctree = msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK];
1885         range_tree_t **freetree = &msp->ms_freetree[txg & TXG_MASK];
1886         range_tree_t **freed_tree =
1887             &msp->ms_freetree[TXG_CLEAN(txg) & TXG_MASK];
1888         dmu_tx_t *tx;
1889         uint64_t object = space_map_object(msp->ms_sm);
1890
1891         ASSERT(!vd->vdev_ishole);
1892
1893         /*
1894          * This metaslab has just been added so there's no work to do now.
1895          */
1896         if (*freetree == NULL) {
1897                 ASSERT3P(alloctree, ==, NULL);
1898                 return;
1899         }
1900
1901         ASSERT3P(alloctree, !=, NULL);
1902         ASSERT3P(*freetree, !=, NULL);
1903         ASSERT3P(*freed_tree, !=, NULL);
1904
1905         /*
1906          * Normally, we don't want to process a metaslab if there
1907          * are no allocations or frees to perform. However, if the metaslab
1908          * is being forced to condense we need to let it through.
1909          */
1910         if (range_tree_space(alloctree) == 0 &&
1911             range_tree_space(*freetree) == 0 &&
1912             !msp->ms_condense_wanted)
1913                 return;
1914
1915         /*
1916          * The only state that can actually be changing concurrently with
1917          * metaslab_sync() is the metaslab's ms_tree.  No other thread can
1918          * be modifying this txg's alloctree, freetree, freed_tree, or
1919          * space_map_phys_t. Therefore, we only hold ms_lock to satify
1920          * space_map ASSERTs. We drop it whenever we call into the DMU,
1921          * because the DMU can call down to us (e.g. via zio_free()) at
1922          * any time.
1923          */
1924
1925         tx = dmu_tx_create_assigned(spa_get_dsl(spa), txg);
1926
1927         if (msp->ms_sm == NULL) {
1928                 uint64_t new_object;
1929
1930                 new_object = space_map_alloc(mos, tx);
1931                 VERIFY3U(new_object, !=, 0);
1932
1933                 VERIFY0(space_map_open(&msp->ms_sm, mos, new_object,
1934                     msp->ms_start, msp->ms_size, vd->vdev_ashift,
1935                     &msp->ms_lock));
1936                 ASSERT(msp->ms_sm != NULL);
1937         }
1938
1939         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1940
1941         if (msp->ms_loaded && spa_sync_pass(spa) == 1 &&
1942             metaslab_should_condense(msp)) {
1943                 metaslab_condense(msp, txg, tx);
1944         } else {
1945                 space_map_write(msp->ms_sm, alloctree, SM_ALLOC, tx);
1946                 space_map_write(msp->ms_sm, *freetree, SM_FREE, tx);
1947         }
1948
1949         metaslab_group_histogram_verify(mg);
1950         metaslab_class_histogram_verify(mg->mg_class);
1951         metaslab_group_histogram_remove(mg, msp);
1952         if (msp->ms_loaded) {
1953                 /*
1954                  * When the space map is loaded, we have an accruate
1955                  * histogram in the range tree. This gives us an opportunity
1956                  * to bring the space map's histogram up-to-date so we clear
1957                  * it first before updating it.
1958                  */
1959                 space_map_histogram_clear(msp->ms_sm);
1960                 space_map_histogram_add(msp->ms_sm, msp->ms_tree, tx);
1961         } else {
1962                 /*
1963                  * Since the space map is not loaded we simply update the
1964                  * exisiting histogram with what was freed in this txg. This
1965                  * means that the on-disk histogram may not have an accurate
1966                  * view of the free space but it's close enough to allow
1967                  * us to make allocation decisions.
1968                  */
1969                 space_map_histogram_add(msp->ms_sm, *freetree, tx);
1970         }
1971         metaslab_group_histogram_add(mg, msp);
1972         metaslab_group_histogram_verify(mg);
1973         metaslab_class_histogram_verify(mg->mg_class);
1974
1975         /*
1976          * For sync pass 1, we avoid traversing this txg's free range tree
1977          * and instead will just swap the pointers for freetree and
1978          * freed_tree. We can safely do this since the freed_tree is
1979          * guaranteed to be empty on the initial pass.
1980          */
1981         if (spa_sync_pass(spa) == 1) {
1982                 range_tree_swap(freetree, freed_tree);
1983         } else {
1984                 range_tree_vacate(*freetree, range_tree_add, *freed_tree);
1985         }
1986         range_tree_vacate(alloctree, NULL, NULL);
1987
1988         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK]));
1989         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freetree[txg & TXG_MASK]));
1990
1991         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1992
1993         if (object != space_map_object(msp->ms_sm)) {
1994                 object = space_map_object(msp->ms_sm);
1995                 dmu_write(mos, vd->vdev_ms_array, sizeof (uint64_t) *
1996                     msp->ms_id, sizeof (uint64_t), &object, tx);
1997         }
1998         dmu_tx_commit(tx);
1999 }
2000
2001 /*
2002  * Called after a transaction group has completely synced to mark
2003  * all of the metaslab's free space as usable.
2004  */
2005 void
2006 metaslab_sync_done(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
2007 {
2008         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
2009         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
2010         range_tree_t **freed_tree;
2011         range_tree_t **defer_tree;
2012         int64_t alloc_delta, defer_delta;
2013
2014         ASSERT(!vd->vdev_ishole);
2015
2016         mutex_enter(&msp->ms_lock);
2017
2018         /*
2019          * If this metaslab is just becoming available, initialize its
2020          * alloctrees, freetrees, and defertree and add its capacity to
2021          * the vdev.
2022          */
2023         if (msp->ms_freetree[TXG_CLEAN(txg) & TXG_MASK] == NULL) {
2024                 for (int t = 0; t < TXG_SIZE; t++) {
2025                         ASSERT(msp->ms_alloctree[t] == NULL);
2026                         ASSERT(msp->ms_freetree[t] == NULL);
2027
2028                         msp->ms_alloctree[t] = range_tree_create(NULL, msp,
2029                             &msp->ms_lock);
2030                         msp->ms_freetree[t] = range_tree_create(NULL, msp,
2031                             &msp->ms_lock);
2032                 }
2033
2034                 for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
2035                         ASSERT(msp->ms_defertree[t] == NULL);
2036
2037                         msp->ms_defertree[t] = range_tree_create(NULL, msp,
2038                             &msp->ms_lock);
2039                 }
2040
2041                 vdev_space_update(vd, 0, 0, msp->ms_size);
2042         }
2043
2044         freed_tree = &msp->ms_freetree[TXG_CLEAN(txg) & TXG_MASK];
2045         defer_tree = &msp->ms_defertree[txg % TXG_DEFER_SIZE];
2046
2047         alloc_delta = space_map_alloc_delta(msp->ms_sm);
2048         defer_delta = range_tree_space(*freed_tree) -
2049             range_tree_space(*defer_tree);
2050
2051         vdev_space_update(vd, alloc_delta + defer_delta, defer_delta, 0);
2052
2053         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK]));
2054         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freetree[txg & TXG_MASK]));
2055
2056         /*
2057          * If there's a metaslab_load() in progress, wait for it to complete
2058          * so that we have a consistent view of the in-core space map.
2059          */
2060         metaslab_load_wait(msp);
2061
2062         /*
2063          * Move the frees from the defer_tree back to the free
2064          * range tree (if it's loaded). Swap the freed_tree and the
2065          * defer_tree -- this is safe to do because we've just emptied out
2066          * the defer_tree.
2067          */
2068         range_tree_vacate(*defer_tree,
2069             msp->ms_loaded ? range_tree_add : NULL, msp->ms_tree);
2070         range_tree_swap(freed_tree, defer_tree);
2071
2072         space_map_update(msp->ms_sm);
2073
2074         msp->ms_deferspace += defer_delta;
2075         ASSERT3S(msp->ms_deferspace, >=, 0);
2076         ASSERT3S(msp->ms_deferspace, <=, msp->ms_size);
2077         if (msp->ms_deferspace != 0) {
2078                 /*
2079                  * Keep syncing this metaslab until all deferred frees
2080                  * are back in circulation.
2081                  */
2082                 vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg + 1);
2083         }
2084
2085         if (msp->ms_loaded && msp->ms_access_txg < txg) {
2086                 for (int t = 1; t < TXG_CONCURRENT_STATES; t++) {
2087                         VERIFY0(range_tree_space(
2088                             msp->ms_alloctree[(txg + t) & TXG_MASK]));
2089                 }
2090
2091                 if (!metaslab_debug_unload)
2092                         metaslab_unload(msp);
2093         }
2094
2095         metaslab_group_sort(mg, msp, metaslab_weight(msp));
2096         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2097 }
2098
2099 void
2100 metaslab_sync_reassess(metaslab_group_t *mg)
2101 {
2102         metaslab_group_alloc_update(mg);
2103         mg->mg_fragmentation = metaslab_group_fragmentation(mg);
2104
2105         /*
2106          * Preload the next potential metaslabs
2107          */
2108         metaslab_group_preload(mg);
2109 }
2110
2111 static uint64_t
2112 metaslab_distance(metaslab_t *msp, dva_t *dva)
2113 {
2114         uint64_t ms_shift = msp->ms_group->mg_vd->vdev_ms_shift;
2115         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva) >> ms_shift;
2116         uint64_t start = msp->ms_id;
2117
2118         if (msp->ms_group->mg_vd->vdev_id != DVA_GET_VDEV(dva))
2119                 return (1ULL << 63);
2120
2121         if (offset < start)
2122                 return ((start - offset) << ms_shift);
2123         if (offset > start)
2124                 return ((offset - start) << ms_shift);
2125         return (0);
2126 }
2127
2128 static uint64_t
2129 metaslab_group_alloc(metaslab_group_t *mg, uint64_t psize, uint64_t asize,
2130     uint64_t txg, uint64_t min_distance, dva_t *dva, int d)
2131 {
2132         spa_t *spa = mg->mg_vd->vdev_spa;
2133         metaslab_t *msp = NULL;
2134         uint64_t offset = -1ULL;
2135         avl_tree_t *t = &mg->mg_metaslab_tree;
2136         uint64_t activation_weight;
2137         uint64_t target_distance;
2138         int i;
2139
2140         activation_weight = METASLAB_WEIGHT_PRIMARY;
2141         for (i = 0; i < d; i++) {
2142                 if (DVA_GET_VDEV(&dva[i]) == mg->mg_vd->vdev_id) {
2143                         activation_weight = METASLAB_WEIGHT_SECONDARY;
2144                         break;
2145                 }
2146         }
2147
2148         for (;;) {
2149                 boolean_t was_active;
2150
2151                 mutex_enter(&mg->mg_lock);
2152                 for (msp = avl_first(t); msp; msp = AVL_NEXT(t, msp)) {
2153                         if (msp->ms_weight < asize) {
2154                                 spa_dbgmsg(spa, "%s: failed to meet weight "
2155                                     "requirement: vdev %llu, txg %llu, mg %p, "
2156                                     "msp %p, psize %llu, asize %llu, "
2157                                     "weight %llu", spa_name(spa),
2158                                     mg->mg_vd->vdev_id, txg,
2159                                     mg, msp, psize, asize, msp->ms_weight);
2160                                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
2161                                 return (-1ULL);
2162                         }
2163
2164                         /*
2165                          * If the selected metaslab is condensing, skip it.
2166                          */
2167                         if (msp->ms_condensing)
2168                                 continue;
2169
2170                         was_active = msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK;
2171                         if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY)
2172                                 break;
2173
2174                         target_distance = min_distance +
2175                             (space_map_allocated(msp->ms_sm) != 0 ? 0 :
2176                             min_distance >> 1);
2177
2178                         for (i = 0; i < d; i++)
2179                                 if (metaslab_distance(msp, &dva[i]) <
2180                                     target_distance)
2181                                         break;
2182                         if (i == d)
2183                                 break;
2184                 }
2185                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
2186                 if (msp == NULL)
2187                         return (-1ULL);
2188
2189                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
2190
2191                 /*
2192                  * Ensure that the metaslab we have selected is still
2193                  * capable of handling our request. It's possible that
2194                  * another thread may have changed the weight while we
2195                  * were blocked on the metaslab lock.
2196                  */
2197                 if (msp->ms_weight < asize || (was_active &&
2198                     !(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) &&
2199                     activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY)) {
2200                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2201                         continue;
2202                 }
2203
2204                 if ((msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_SECONDARY) &&
2205                     activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY) {
2206                         metaslab_passivate(msp,
2207                             msp->ms_weight & ~METASLAB_ACTIVE_MASK);
2208                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2209                         continue;
2210                 }
2211
2212                 if (metaslab_activate(msp, activation_weight) != 0) {
2213                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2214                         continue;
2215                 }
2216
2217                 /*
2218                  * If this metaslab is currently condensing then pick again as
2219                  * we can't manipulate this metaslab until it's committed
2220                  * to disk.
2221                  */
2222                 if (msp->ms_condensing) {
2223                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2224                         continue;
2225                 }
2226
2227                 if ((offset = metaslab_block_alloc(msp, asize)) != -1ULL)
2228                         break;
2229
2230                 metaslab_passivate(msp, metaslab_block_maxsize(msp));
2231                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
2232         }
2233
2234         if (range_tree_space(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK]) == 0)
2235                 vdev_dirty(mg->mg_vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
2236
2237         range_tree_add(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK], offset, asize);
2238         msp->ms_access_txg = txg + metaslab_unload_delay;
2239
2240         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2241
2242         return (offset);
2243 }
2244
2245 /*
2246  * Allocate a block for the specified i/o.
2247  */
2248 static int
2249 metaslab_alloc_dva(spa_t *spa, metaslab_class_t *mc, uint64_t psize,
2250     dva_t *dva, int d, dva_t *hintdva, uint64_t txg, int flags)
2251 {
2252         metaslab_group_t *mg, *rotor;
2253         vdev_t *vd;
2254         int dshift = 3;
2255         int all_zero;
2256         int zio_lock = B_FALSE;
2257         boolean_t allocatable;
2258         uint64_t offset = -1ULL;
2259         uint64_t asize;
2260         uint64_t distance;
2261
2262         ASSERT(!DVA_IS_VALID(&dva[d]));
2263
2264         /*
2265          * For testing, make some blocks above a certain size be gang blocks.
2266          */
2267         if (psize >= metaslab_gang_bang && (ddi_get_lbolt() & 3) == 0)
2268                 return (SET_ERROR(ENOSPC));
2269
2270         /*
2271          * Start at the rotor and loop through all mgs until we find something.
2272          * Note that there's no locking on mc_rotor or mc_aliquot because
2273          * nothing actually breaks if we miss a few updates -- we just won't
2274          * allocate quite as evenly.  It all balances out over time.
2275          *
2276          * If we are doing ditto or log blocks, try to spread them across
2277          * consecutive vdevs.  If we're forced to reuse a vdev before we've
2278          * allocated all of our ditto blocks, then try and spread them out on
2279          * that vdev as much as possible.  If it turns out to not be possible,
2280          * gradually lower our standards until anything becomes acceptable.
2281          * Also, allocating on consecutive vdevs (as opposed to random vdevs)
2282          * gives us hope of containing our fault domains to something we're
2283          * able to reason about.  Otherwise, any two top-level vdev failures
2284          * will guarantee the loss of data.  With consecutive allocation,
2285          * only two adjacent top-level vdev failures will result in data loss.
2286          *
2287          * If we are doing gang blocks (hintdva is non-NULL), try to keep
2288          * ourselves on the same vdev as our gang block header.  That
2289          * way, we can hope for locality in vdev_cache, plus it makes our
2290          * fault domains something tractable.
2291          */
2292         if (hintdva) {
2293                 vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&hintdva[d]));
2294
2295                 /*
2296                  * It's possible the vdev we're using as the hint no
2297                  * longer exists (i.e. removed). Consult the rotor when
2298                  * all else fails.
2299                  */
2300                 if (vd != NULL) {
2301                         mg = vd->vdev_mg;
2302
2303                         if (flags & METASLAB_HINTBP_AVOID &&
2304                             mg->mg_next != NULL)
2305                                 mg = mg->mg_next;
2306                 } else {
2307                         mg = mc->mc_rotor;
2308                 }
2309         } else if (d != 0) {
2310                 vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&dva[d - 1]));
2311                 mg = vd->vdev_mg->mg_next;
2312         } else {
2313                 mg = mc->mc_rotor;
2314         }
2315
2316         /*
2317          * If the hint put us into the wrong metaslab class, or into a
2318          * metaslab group that has been passivated, just follow the rotor.
2319          */
2320         if (mg->mg_class != mc || mg->mg_activation_count <= 0)
2321                 mg = mc->mc_rotor;
2322
2323         rotor = mg;
2324 top:
2325         all_zero = B_TRUE;
2326         do {
2327                 ASSERT(mg->mg_activation_count == 1);
2328
2329                 vd = mg->mg_vd;
2330
2331                 /*
2332                  * Don't allocate from faulted devices.
2333                  */
2334                 if (zio_lock) {
2335                         spa_config_enter(spa, SCL_ZIO, FTAG, RW_READER);
2336                         allocatable = vdev_allocatable(vd);
2337                         spa_config_exit(spa, SCL_ZIO, FTAG);
2338                 } else {
2339                         allocatable = vdev_allocatable(vd);
2340                 }
2341
2342                 /*
2343                  * Determine if the selected metaslab group is eligible
2344                  * for allocations. If we're ganging or have requested
2345                  * an allocation for the smallest gang block size
2346                  * then we don't want to avoid allocating to the this
2347                  * metaslab group. If we're in this condition we should
2348                  * try to allocate from any device possible so that we
2349                  * don't inadvertently return ENOSPC and suspend the pool
2350                  * even though space is still available.
2351                  */
2352                 if (allocatable && CAN_FASTGANG(flags) &&
2353                     psize > SPA_GANGBLOCKSIZE)
2354                         allocatable = metaslab_group_allocatable(mg);
2355
2356                 if (!allocatable)
2357                         goto next;
2358
2359                 /*
2360                  * Avoid writing single-copy data to a failing vdev
2361                  * unless the user instructs us that it is okay.
2362                  */
2363                 if ((vd->vdev_stat.vs_write_errors > 0 ||
2364                     vd->vdev_state < VDEV_STATE_HEALTHY) &&
2365                     d == 0 && dshift == 3 && vd->vdev_children == 0) {
2366                         all_zero = B_FALSE;
2367                         goto next;
2368                 }
2369
2370                 ASSERT(mg->mg_class == mc);
2371
2372                 distance = vd->vdev_asize >> dshift;
2373                 if (distance <= (1ULL << vd->vdev_ms_shift))
2374                         distance = 0;
2375                 else
2376                         all_zero = B_FALSE;
2377
2378                 asize = vdev_psize_to_asize(vd, psize);
2379                 ASSERT(P2PHASE(asize, 1ULL << vd->vdev_ashift) == 0);
2380
2381                 offset = metaslab_group_alloc(mg, psize, asize, txg, distance,
2382                     dva, d);
2383                 if (offset != -1ULL) {
2384                         /*
2385                          * If we've just selected this metaslab group,
2386                          * figure out whether the corresponding vdev is
2387                          * over- or under-used relative to the pool,
2388                          * and set an allocation bias to even it out.
2389                          */
2390                         if (mc->mc_aliquot == 0 && metaslab_bias_enabled) {
2391                                 vdev_stat_t *vs = &vd->vdev_stat;
2392                                 int64_t vu, cu;
2393
2394                                 vu = (vs->vs_alloc * 100) / (vs->vs_space + 1);
2395                                 cu = (mc->mc_alloc * 100) / (mc->mc_space + 1);
2396
2397                                 /*
2398                                  * Calculate how much more or less we should
2399                                  * try to allocate from this device during
2400                                  * this iteration around the rotor.
2401                                  * For example, if a device is 80% full
2402                                  * and the pool is 20% full then we should
2403                                  * reduce allocations by 60% on this device.
2404                                  *
2405                                  * mg_bias = (20 - 80) * 512K / 100 = -307K
2406                                  *
2407                                  * This reduces allocations by 307K for this
2408                                  * iteration.
2409                                  */
2410                                 mg->mg_bias = ((cu - vu) *
2411                                     (int64_t)mg->mg_aliquot) / 100;
2412                         } else if (!metaslab_bias_enabled) {
2413                                 mg->mg_bias = 0;
2414                         }
2415
2416                         if (atomic_add_64_nv(&mc->mc_aliquot, asize) >=
2417                             mg->mg_aliquot + mg->mg_bias) {
2418                                 mc->mc_rotor = mg->mg_next;
2419                                 mc->mc_aliquot = 0;
2420                         }
2421
2422                         DVA_SET_VDEV(&dva[d], vd->vdev_id);
2423                         DVA_SET_OFFSET(&dva[d], offset);
2424                         DVA_SET_GANG(&dva[d], !!(flags & METASLAB_GANG_HEADER));
2425                         DVA_SET_ASIZE(&dva[d], asize);
2426
2427                         return (0);
2428                 }
2429 next:
2430                 mc->mc_rotor = mg->mg_next;
2431                 mc->mc_aliquot = 0;
2432         } while ((mg = mg->mg_next) != rotor);
2433
2434         if (!all_zero) {
2435                 dshift++;
2436                 ASSERT(dshift < 64);
2437                 goto top;
2438         }
2439
2440         if (!allocatable && !zio_lock) {
2441                 dshift = 3;
2442                 zio_lock = B_TRUE;
2443                 goto top;
2444         }
2445
2446         bzero(&dva[d], sizeof (dva_t));
2447
2448         return (SET_ERROR(ENOSPC));
2449 }
2450
2451 /*
2452  * Free the block represented by DVA in the context of the specified
2453  * transaction group.
2454  */
2455 static void
2456 metaslab_free_dva(spa_t *spa, const dva_t *dva, uint64_t txg, boolean_t now)
2457 {
2458         uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(dva);
2459         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
2460         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
2461         vdev_t *vd;
2462         metaslab_t *msp;
2463
2464         ASSERT(DVA_IS_VALID(dva));
2465
2466         if (txg > spa_freeze_txg(spa))
2467                 return;
2468
2469         if ((vd = vdev_lookup_top(spa, vdev)) == NULL ||
2470             (offset >> vd->vdev_ms_shift) >= vd->vdev_ms_count) {
2471                 cmn_err(CE_WARN, "metaslab_free_dva(): bad DVA %llu:%llu",
2472                     (u_longlong_t)vdev, (u_longlong_t)offset);
2473                 ASSERT(0);
2474                 return;
2475         }
2476
2477         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
2478
2479         if (DVA_GET_GANG(dva))
2480                 size = vdev_psize_to_asize(vd, SPA_GANGBLOCKSIZE);
2481
2482         mutex_enter(&msp->ms_lock);
2483
2484         if (now) {
2485                 range_tree_remove(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK],
2486                     offset, size);
2487
2488                 VERIFY(!msp->ms_condensing);
2489                 VERIFY3U(offset, >=, msp->ms_start);
2490                 VERIFY3U(offset + size, <=, msp->ms_start + msp->ms_size);
2491                 VERIFY3U(range_tree_space(msp->ms_tree) + size, <=,
2492                     msp->ms_size);
2493                 VERIFY0(P2PHASE(offset, 1ULL << vd->vdev_ashift));
2494                 VERIFY0(P2PHASE(size, 1ULL << vd->vdev_ashift));
2495                 range_tree_add(msp->ms_tree, offset, size);
2496         } else {
2497                 if (range_tree_space(msp->ms_freetree[txg & TXG_MASK]) == 0)
2498                         vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
2499                 range_tree_add(msp->ms_freetree[txg & TXG_MASK],
2500                     offset, size);
2501         }
2502
2503         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2504 }
2505
2506 /*
2507  * Intent log support: upon opening the pool after a crash, notify the SPA
2508  * of blocks that the intent log has allocated for immediate write, but
2509  * which are still considered free by the SPA because the last transaction
2510  * group didn't commit yet.
2511  */
2512 static int
2513 metaslab_claim_dva(spa_t *spa, const dva_t *dva, uint64_t txg)
2514 {
2515         uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(dva);
2516         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
2517         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
2518         vdev_t *vd;
2519         metaslab_t *msp;
2520         int error = 0;
2521
2522         ASSERT(DVA_IS_VALID(dva));
2523
2524         if ((vd = vdev_lookup_top(spa, vdev)) == NULL ||
2525             (offset >> vd->vdev_ms_shift) >= vd->vdev_ms_count)
2526                 return (SET_ERROR(ENXIO));
2527
2528         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
2529
2530         if (DVA_GET_GANG(dva))
2531                 size = vdev_psize_to_asize(vd, SPA_GANGBLOCKSIZE);
2532
2533         mutex_enter(&msp->ms_lock);
2534
2535         if ((txg != 0 && spa_writeable(spa)) || !msp->ms_loaded)
2536                 error = metaslab_activate(msp, METASLAB_WEIGHT_SECONDARY);
2537
2538         if (error == 0 && !range_tree_contains(msp->ms_tree, offset, size))
2539                 error = SET_ERROR(ENOENT);
2540
2541         if (error || txg == 0) {        /* txg == 0 indicates dry run */
2542                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
2543                 return (error);
2544         }
2545
2546         VERIFY(!msp->ms_condensing);
2547         VERIFY0(P2PHASE(offset, 1ULL << vd->vdev_ashift));
2548         VERIFY0(P2PHASE(size, 1ULL << vd->vdev_ashift));
2549         VERIFY3U(range_tree_space(msp->ms_tree) - size, <=, msp->ms_size);
2550         range_tree_remove(msp->ms_tree, offset, size);
2551
2552         if (spa_writeable(spa)) {       /* don't dirty if we're zdb(1M) */
2553                 if (range_tree_space(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK]) == 0)
2554                         vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
2555                 range_tree_add(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK], offset, size);
2556         }
2557
2558         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2559
2560         return (0);
2561 }
2562
2563 int
2564 metaslab_alloc(spa_t *spa, metaslab_class_t *mc, uint64_t psize, blkptr_t *bp,
2565     int ndvas, uint64_t txg, blkptr_t *hintbp, int flags)
2566 {
2567         dva_t *dva = bp->blk_dva;
2568         dva_t *hintdva = hintbp->blk_dva;
2569         int error = 0;
2570
2571         ASSERT(bp->blk_birth == 0);
2572         ASSERT(BP_PHYSICAL_BIRTH(bp) == 0);
2573
2574         spa_config_enter(spa, SCL_ALLOC, FTAG, RW_READER);
2575
2576         if (mc->mc_rotor == NULL) {     /* no vdevs in this class */
2577                 spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
2578                 return (SET_ERROR(ENOSPC));
2579         }
2580
2581         ASSERT(ndvas > 0 && ndvas <= spa_max_replication(spa));
2582         ASSERT(BP_GET_NDVAS(bp) == 0);
2583         ASSERT(hintbp == NULL || ndvas <= BP_GET_NDVAS(hintbp));
2584
2585         for (int d = 0; d < ndvas; d++) {
2586                 error = metaslab_alloc_dva(spa, mc, psize, dva, d, hintdva,
2587                     txg, flags);
2588                 if (error != 0) {
2589                         for (d--; d >= 0; d--) {
2590                                 metaslab_free_dva(spa, &dva[d], txg, B_TRUE);
2591                                 bzero(&dva[d], sizeof (dva_t));
2592                         }
2593                         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
2594                         return (error);
2595                 }
2596         }
2597         ASSERT(error == 0);
2598         ASSERT(BP_GET_NDVAS(bp) == ndvas);
2599
2600         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
2601
2602         BP_SET_BIRTH(bp, txg, txg);
2603
2604         return (0);
2605 }
2606
2607 void
2608 metaslab_free(spa_t *spa, const blkptr_t *bp, uint64_t txg, boolean_t now)
2609 {
2610         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
2611         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
2612
2613         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
2614         ASSERT(!now || bp->blk_birth >= spa_syncing_txg(spa));
2615
2616         spa_config_enter(spa, SCL_FREE, FTAG, RW_READER);
2617
2618         for (int d = 0; d < ndvas; d++)
2619                 metaslab_free_dva(spa, &dva[d], txg, now);
2620
2621         spa_config_exit(spa, SCL_FREE, FTAG);
2622 }
2623
2624 int
2625 metaslab_claim(spa_t *spa, const blkptr_t *bp, uint64_t txg)
2626 {
2627         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
2628         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
2629         int error = 0;
2630
2631         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
2632
2633         if (txg != 0) {
2634                 /*
2635                  * First do a dry run to make sure all DVAs are claimable,
2636                  * so we don't have to unwind from partial failures below.
2637                  */
2638                 if ((error = metaslab_claim(spa, bp, 0)) != 0)
2639                         return (error);
2640         }
2641
2642         spa_config_enter(spa, SCL_ALLOC, FTAG, RW_READER);
2643
2644         for (int d = 0; d < ndvas; d++)
2645                 if ((error = metaslab_claim_dva(spa, &dva[d], txg)) != 0)
2646                         break;
2647
2648         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
2649
2650         ASSERT(error == 0 || txg == 0);
2651
2652         return (error);
2653 }
2654
2655 void
2656 metaslab_check_free(spa_t *spa, const blkptr_t *bp)
2657 {
2658         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_ZIO_FREE) == 0)
2659                 return;
2660
2661         spa_config_enter(spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
2662         for (int i = 0; i < BP_GET_NDVAS(bp); i++) {
2663                 uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(&bp->blk_dva[i]);
2664                 vdev_t *vd = vdev_lookup_top(spa, vdev);
2665                 uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(&bp->blk_dva[i]);
2666                 uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(&bp->blk_dva[i]);
2667                 metaslab_t *msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
2668
2669                 if (msp->ms_loaded)
2670                         range_tree_verify(msp->ms_tree, offset, size);
2671
2672                 for (int j = 0; j < TXG_SIZE; j++)
2673                         range_tree_verify(msp->ms_freetree[j], offset, size);
2674                 for (int j = 0; j < TXG_DEFER_SIZE; j++)
2675                         range_tree_verify(msp->ms_defertree[j], offset, size);
2676         }
2677         spa_config_exit(spa, SCL_VDEV, FTAG);
2678 }