]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - sys/cddl/contrib/opensolaris/uts/common/fs/zfs/metaslab.c
MFC r337567 (by mmacy):
[FreeBSD/FreeBSD.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, 2018 by Delphix. All rights reserved.
24  * Copyright (c) 2013 by Saso Kiselkov. All rights reserved.
25  * Copyright (c) 2014 Integros [integros.com]
26  */
27
28 #include <sys/zfs_context.h>
29 #include <sys/dmu.h>
30 #include <sys/dmu_tx.h>
31 #include <sys/space_map.h>
32 #include <sys/metaslab_impl.h>
33 #include <sys/vdev_impl.h>
34 #include <sys/zio.h>
35 #include <sys/spa_impl.h>
36 #include <sys/zfeature.h>
37 #include <sys/vdev_indirect_mapping.h>
38 #include <sys/zap.h>
39
40 SYSCTL_DECL(_vfs_zfs);
41 SYSCTL_NODE(_vfs_zfs, OID_AUTO, metaslab, CTLFLAG_RW, 0, "ZFS metaslab");
42
43 #define GANG_ALLOCATION(flags) \
44         ((flags) & (METASLAB_GANG_CHILD | METASLAB_GANG_HEADER))
45
46 uint64_t metaslab_aliquot = 512ULL << 10;
47 uint64_t metaslab_force_ganging = SPA_MAXBLOCKSIZE + 1; /* force gang blocks */
48 SYSCTL_QUAD(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, force_ganging, CTLFLAG_RWTUN,
49     &metaslab_force_ganging, 0,
50     "Force gang block allocation for blocks larger than or equal to this value");
51
52 /*
53  * Since we can touch multiple metaslabs (and their respective space maps)
54  * with each transaction group, we benefit from having a smaller space map
55  * block size since it allows us to issue more I/O operations scattered
56  * around the disk.
57  */
58 int zfs_metaslab_sm_blksz = (1 << 12);
59 SYSCTL_INT(_vfs_zfs, OID_AUTO, metaslab_sm_blksz, CTLFLAG_RDTUN,
60     &zfs_metaslab_sm_blksz, 0,
61     "Block size for metaslab DTL space map.  Power of 2 and greater than 4096.");
62
63 /*
64  * The in-core space map representation is more compact than its on-disk form.
65  * The zfs_condense_pct determines how much more compact the in-core
66  * space map representation must be before we compact it on-disk.
67  * Values should be greater than or equal to 100.
68  */
69 int zfs_condense_pct = 200;
70 SYSCTL_INT(_vfs_zfs, OID_AUTO, condense_pct, CTLFLAG_RWTUN,
71     &zfs_condense_pct, 0,
72     "Condense on-disk spacemap when it is more than this many percents"
73     " of in-memory counterpart");
74
75 /*
76  * Condensing a metaslab is not guaranteed to actually reduce the amount of
77  * space used on disk. In particular, a space map uses data in increments of
78  * MAX(1 << ashift, space_map_blksize), so a metaslab might use the
79  * same number of blocks after condensing. Since the goal of condensing is to
80  * reduce the number of IOPs required to read the space map, we only want to
81  * condense when we can be sure we will reduce the number of blocks used by the
82  * space map. Unfortunately, we cannot precisely compute whether or not this is
83  * the case in metaslab_should_condense since we are holding ms_lock. Instead,
84  * we apply the following heuristic: do not condense a spacemap unless the
85  * uncondensed size consumes greater than zfs_metaslab_condense_block_threshold
86  * blocks.
87  */
88 int zfs_metaslab_condense_block_threshold = 4;
89
90 /*
91  * The zfs_mg_noalloc_threshold defines which metaslab groups should
92  * be eligible for allocation. The value is defined as a percentage of
93  * free space. Metaslab groups that have more free space than
94  * zfs_mg_noalloc_threshold are always eligible for allocations. Once
95  * a metaslab group's free space is less than or equal to the
96  * zfs_mg_noalloc_threshold the allocator will avoid allocating to that
97  * group unless all groups in the pool have reached zfs_mg_noalloc_threshold.
98  * Once all groups in the pool reach zfs_mg_noalloc_threshold then all
99  * groups are allowed to accept allocations. Gang blocks are always
100  * eligible to allocate on any metaslab group. The default value of 0 means
101  * no metaslab group will be excluded based on this criterion.
102  */
103 int zfs_mg_noalloc_threshold = 0;
104 SYSCTL_INT(_vfs_zfs, OID_AUTO, mg_noalloc_threshold, CTLFLAG_RWTUN,
105     &zfs_mg_noalloc_threshold, 0,
106     "Percentage of metaslab group size that should be free"
107     " to make it eligible for allocation");
108
109 /*
110  * Metaslab groups are considered eligible for allocations if their
111  * fragmenation metric (measured as a percentage) is less than or equal to
112  * zfs_mg_fragmentation_threshold. If a metaslab group exceeds this threshold
113  * then it will be skipped unless all metaslab groups within the metaslab
114  * class have also crossed this threshold.
115  */
116 int zfs_mg_fragmentation_threshold = 85;
117 SYSCTL_INT(_vfs_zfs, OID_AUTO, mg_fragmentation_threshold, CTLFLAG_RWTUN,
118     &zfs_mg_fragmentation_threshold, 0,
119     "Percentage of metaslab group size that should be considered "
120     "eligible for allocations unless all metaslab groups within the metaslab class "
121     "have also crossed this threshold");
122
123 /*
124  * Allow metaslabs to keep their active state as long as their fragmentation
125  * percentage is less than or equal to zfs_metaslab_fragmentation_threshold. An
126  * active metaslab that exceeds this threshold will no longer keep its active
127  * status allowing better metaslabs to be selected.
128  */
129 int zfs_metaslab_fragmentation_threshold = 70;
130 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, fragmentation_threshold, CTLFLAG_RWTUN,
131     &zfs_metaslab_fragmentation_threshold, 0,
132     "Maximum percentage of metaslab fragmentation level to keep their active state");
133
134 /*
135  * When set will load all metaslabs when pool is first opened.
136  */
137 int metaslab_debug_load = 0;
138 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, debug_load, CTLFLAG_RWTUN,
139     &metaslab_debug_load, 0,
140     "Load all metaslabs when pool is first opened");
141
142 /*
143  * When set will prevent metaslabs from being unloaded.
144  */
145 int metaslab_debug_unload = 0;
146 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, debug_unload, CTLFLAG_RWTUN,
147     &metaslab_debug_unload, 0,
148     "Prevent metaslabs from being unloaded");
149
150 /*
151  * Minimum size which forces the dynamic allocator to change
152  * it's allocation strategy.  Once the space map cannot satisfy
153  * an allocation of this size then it switches to using more
154  * aggressive strategy (i.e search by size rather than offset).
155  */
156 uint64_t metaslab_df_alloc_threshold = SPA_OLD_MAXBLOCKSIZE;
157 SYSCTL_QUAD(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, df_alloc_threshold, CTLFLAG_RWTUN,
158     &metaslab_df_alloc_threshold, 0,
159     "Minimum size which forces the dynamic allocator to change it's allocation strategy");
160
161 /*
162  * The minimum free space, in percent, which must be available
163  * in a space map to continue allocations in a first-fit fashion.
164  * Once the space map's free space drops below this level we dynamically
165  * switch to using best-fit allocations.
166  */
167 int metaslab_df_free_pct = 4;
168 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, df_free_pct, CTLFLAG_RWTUN,
169     &metaslab_df_free_pct, 0,
170     "The minimum free space, in percent, which must be available in a "
171     "space map to continue allocations in a first-fit fashion");
172
173 /*
174  * A metaslab is considered "free" if it contains a contiguous
175  * segment which is greater than metaslab_min_alloc_size.
176  */
177 uint64_t metaslab_min_alloc_size = DMU_MAX_ACCESS;
178 SYSCTL_QUAD(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, min_alloc_size, CTLFLAG_RWTUN,
179     &metaslab_min_alloc_size, 0,
180     "A metaslab is considered \"free\" if it contains a contiguous "
181     "segment which is greater than vfs.zfs.metaslab.min_alloc_size");
182
183 /*
184  * Percentage of all cpus that can be used by the metaslab taskq.
185  */
186 int metaslab_load_pct = 50;
187 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, load_pct, CTLFLAG_RWTUN,
188     &metaslab_load_pct, 0,
189     "Percentage of cpus that can be used by the metaslab taskq");
190
191 /*
192  * Determines how many txgs a metaslab may remain loaded without having any
193  * allocations from it. As long as a metaslab continues to be used we will
194  * keep it loaded.
195  */
196 int metaslab_unload_delay = TXG_SIZE * 2;
197 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, unload_delay, CTLFLAG_RWTUN,
198     &metaslab_unload_delay, 0,
199     "Number of TXGs that an unused metaslab can be kept in memory");
200
201 /*
202  * Max number of metaslabs per group to preload.
203  */
204 int metaslab_preload_limit = SPA_DVAS_PER_BP;
205 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, preload_limit, CTLFLAG_RWTUN,
206     &metaslab_preload_limit, 0,
207     "Max number of metaslabs per group to preload");
208
209 /*
210  * Enable/disable preloading of metaslab.
211  */
212 boolean_t metaslab_preload_enabled = B_TRUE;
213 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, preload_enabled, CTLFLAG_RWTUN,
214     &metaslab_preload_enabled, 0,
215     "Max number of metaslabs per group to preload");
216
217 /*
218  * Enable/disable fragmentation weighting on metaslabs.
219  */
220 boolean_t metaslab_fragmentation_factor_enabled = B_TRUE;
221 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, fragmentation_factor_enabled, CTLFLAG_RWTUN,
222     &metaslab_fragmentation_factor_enabled, 0,
223     "Enable fragmentation weighting on metaslabs");
224
225 /*
226  * Enable/disable lba weighting (i.e. outer tracks are given preference).
227  */
228 boolean_t metaslab_lba_weighting_enabled = B_TRUE;
229 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, lba_weighting_enabled, CTLFLAG_RWTUN,
230     &metaslab_lba_weighting_enabled, 0,
231     "Enable LBA weighting (i.e. outer tracks are given preference)");
232
233 /*
234  * Enable/disable metaslab group biasing.
235  */
236 boolean_t metaslab_bias_enabled = B_TRUE;
237 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, bias_enabled, CTLFLAG_RWTUN,
238     &metaslab_bias_enabled, 0,
239     "Enable metaslab group biasing");
240
241 /*
242  * Enable/disable remapping of indirect DVAs to their concrete vdevs.
243  */
244 boolean_t zfs_remap_blkptr_enable = B_TRUE;
245
246 /*
247  * Enable/disable segment-based metaslab selection.
248  */
249 boolean_t zfs_metaslab_segment_weight_enabled = B_TRUE;
250
251 /*
252  * When using segment-based metaslab selection, we will continue
253  * allocating from the active metaslab until we have exhausted
254  * zfs_metaslab_switch_threshold of its buckets.
255  */
256 int zfs_metaslab_switch_threshold = 2;
257
258 /*
259  * Internal switch to enable/disable the metaslab allocation tracing
260  * facility.
261  */
262 boolean_t metaslab_trace_enabled = B_TRUE;
263
264 /*
265  * Maximum entries that the metaslab allocation tracing facility will keep
266  * in a given list when running in non-debug mode. We limit the number
267  * of entries in non-debug mode to prevent us from using up too much memory.
268  * The limit should be sufficiently large that we don't expect any allocation
269  * to every exceed this value. In debug mode, the system will panic if this
270  * limit is ever reached allowing for further investigation.
271  */
272 uint64_t metaslab_trace_max_entries = 5000;
273
274 static uint64_t metaslab_weight(metaslab_t *);
275 static void metaslab_set_fragmentation(metaslab_t *);
276 static void metaslab_free_impl(vdev_t *, uint64_t, uint64_t, boolean_t);
277 static void metaslab_check_free_impl(vdev_t *, uint64_t, uint64_t);
278 static void metaslab_passivate(metaslab_t *msp, uint64_t weight);
279 static uint64_t metaslab_weight_from_range_tree(metaslab_t *msp);
280
281 kmem_cache_t *metaslab_alloc_trace_cache;
282
283 /*
284  * ==========================================================================
285  * Metaslab classes
286  * ==========================================================================
287  */
288 metaslab_class_t *
289 metaslab_class_create(spa_t *spa, metaslab_ops_t *ops)
290 {
291         metaslab_class_t *mc;
292
293         mc = kmem_zalloc(sizeof (metaslab_class_t), KM_SLEEP);
294
295         mc->mc_spa = spa;
296         mc->mc_rotor = NULL;
297         mc->mc_ops = ops;
298         mutex_init(&mc->mc_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
299         mc->mc_alloc_slots = kmem_zalloc(spa->spa_alloc_count *
300             sizeof (refcount_t), KM_SLEEP);
301         mc->mc_alloc_max_slots = kmem_zalloc(spa->spa_alloc_count *
302             sizeof (uint64_t), KM_SLEEP);
303         for (int i = 0; i < spa->spa_alloc_count; i++)
304                 refcount_create_tracked(&mc->mc_alloc_slots[i]);
305
306         return (mc);
307 }
308
309 void
310 metaslab_class_destroy(metaslab_class_t *mc)
311 {
312         ASSERT(mc->mc_rotor == NULL);
313         ASSERT(mc->mc_alloc == 0);
314         ASSERT(mc->mc_deferred == 0);
315         ASSERT(mc->mc_space == 0);
316         ASSERT(mc->mc_dspace == 0);
317
318         for (int i = 0; i < mc->mc_spa->spa_alloc_count; i++)
319                 refcount_destroy(&mc->mc_alloc_slots[i]);
320         kmem_free(mc->mc_alloc_slots, mc->mc_spa->spa_alloc_count *
321             sizeof (refcount_t));
322         kmem_free(mc->mc_alloc_max_slots, mc->mc_spa->spa_alloc_count *
323             sizeof (uint64_t));
324         mutex_destroy(&mc->mc_lock);
325         kmem_free(mc, sizeof (metaslab_class_t));
326 }
327
328 int
329 metaslab_class_validate(metaslab_class_t *mc)
330 {
331         metaslab_group_t *mg;
332         vdev_t *vd;
333
334         /*
335          * Must hold one of the spa_config locks.
336          */
337         ASSERT(spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALL, RW_READER) ||
338             spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALL, RW_WRITER));
339
340         if ((mg = mc->mc_rotor) == NULL)
341                 return (0);
342
343         do {
344                 vd = mg->mg_vd;
345                 ASSERT(vd->vdev_mg != NULL);
346                 ASSERT3P(vd->vdev_top, ==, vd);
347                 ASSERT3P(mg->mg_class, ==, mc);
348                 ASSERT3P(vd->vdev_ops, !=, &vdev_hole_ops);
349         } while ((mg = mg->mg_next) != mc->mc_rotor);
350
351         return (0);
352 }
353
354 void
355 metaslab_class_space_update(metaslab_class_t *mc, int64_t alloc_delta,
356     int64_t defer_delta, int64_t space_delta, int64_t dspace_delta)
357 {
358         atomic_add_64(&mc->mc_alloc, alloc_delta);
359         atomic_add_64(&mc->mc_deferred, defer_delta);
360         atomic_add_64(&mc->mc_space, space_delta);
361         atomic_add_64(&mc->mc_dspace, dspace_delta);
362 }
363
364 void
365 metaslab_class_minblocksize_update(metaslab_class_t *mc)
366 {
367         metaslab_group_t *mg;
368         vdev_t *vd;
369         uint64_t minashift = UINT64_MAX;
370
371         if ((mg = mc->mc_rotor) == NULL) {
372                 mc->mc_minblocksize = SPA_MINBLOCKSIZE;
373                 return;
374         }
375
376         do {
377                 vd = mg->mg_vd;
378                 if (vd->vdev_ashift < minashift)
379                         minashift = vd->vdev_ashift;
380         } while ((mg = mg->mg_next) != mc->mc_rotor);
381
382         mc->mc_minblocksize = 1ULL << minashift;
383 }
384
385 uint64_t
386 metaslab_class_get_alloc(metaslab_class_t *mc)
387 {
388         return (mc->mc_alloc);
389 }
390
391 uint64_t
392 metaslab_class_get_deferred(metaslab_class_t *mc)
393 {
394         return (mc->mc_deferred);
395 }
396
397 uint64_t
398 metaslab_class_get_space(metaslab_class_t *mc)
399 {
400         return (mc->mc_space);
401 }
402
403 uint64_t
404 metaslab_class_get_dspace(metaslab_class_t *mc)
405 {
406         return (spa_deflate(mc->mc_spa) ? mc->mc_dspace : mc->mc_space);
407 }
408
409 uint64_t
410 metaslab_class_get_minblocksize(metaslab_class_t *mc)
411 {
412         return (mc->mc_minblocksize);
413 }
414
415 void
416 metaslab_class_histogram_verify(metaslab_class_t *mc)
417 {
418         vdev_t *rvd = mc->mc_spa->spa_root_vdev;
419         uint64_t *mc_hist;
420         int i;
421
422         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_HISTOGRAM_VERIFY) == 0)
423                 return;
424
425         mc_hist = kmem_zalloc(sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE,
426             KM_SLEEP);
427
428         for (int c = 0; c < rvd->vdev_children; c++) {
429                 vdev_t *tvd = rvd->vdev_child[c];
430                 metaslab_group_t *mg = tvd->vdev_mg;
431
432                 /*
433                  * Skip any holes, uninitialized top-levels, or
434                  * vdevs that are not in this metalab class.
435                  */
436                 if (!vdev_is_concrete(tvd) || tvd->vdev_ms_shift == 0 ||
437                     mg->mg_class != mc) {
438                         continue;
439                 }
440
441                 for (i = 0; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i++)
442                         mc_hist[i] += mg->mg_histogram[i];
443         }
444
445         for (i = 0; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i++)
446                 VERIFY3U(mc_hist[i], ==, mc->mc_histogram[i]);
447
448         kmem_free(mc_hist, sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE);
449 }
450
451 /*
452  * Calculate the metaslab class's fragmentation metric. The metric
453  * is weighted based on the space contribution of each metaslab group.
454  * The return value will be a number between 0 and 100 (inclusive), or
455  * ZFS_FRAG_INVALID if the metric has not been set. See comment above the
456  * zfs_frag_table for more information about the metric.
457  */
458 uint64_t
459 metaslab_class_fragmentation(metaslab_class_t *mc)
460 {
461         vdev_t *rvd = mc->mc_spa->spa_root_vdev;
462         uint64_t fragmentation = 0;
463
464         spa_config_enter(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
465
466         for (int c = 0; c < rvd->vdev_children; c++) {
467                 vdev_t *tvd = rvd->vdev_child[c];
468                 metaslab_group_t *mg = tvd->vdev_mg;
469
470                 /*
471                  * Skip any holes, uninitialized top-levels,
472                  * or vdevs that are not in this metalab class.
473                  */
474                 if (!vdev_is_concrete(tvd) || tvd->vdev_ms_shift == 0 ||
475                     mg->mg_class != mc) {
476                         continue;
477                 }
478
479                 /*
480                  * If a metaslab group does not contain a fragmentation
481                  * metric then just bail out.
482                  */
483                 if (mg->mg_fragmentation == ZFS_FRAG_INVALID) {
484                         spa_config_exit(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG);
485                         return (ZFS_FRAG_INVALID);
486                 }
487
488                 /*
489                  * Determine how much this metaslab_group is contributing
490                  * to the overall pool fragmentation metric.
491                  */
492                 fragmentation += mg->mg_fragmentation *
493                     metaslab_group_get_space(mg);
494         }
495         fragmentation /= metaslab_class_get_space(mc);
496
497         ASSERT3U(fragmentation, <=, 100);
498         spa_config_exit(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG);
499         return (fragmentation);
500 }
501
502 /*
503  * Calculate the amount of expandable space that is available in
504  * this metaslab class. If a device is expanded then its expandable
505  * space will be the amount of allocatable space that is currently not
506  * part of this metaslab class.
507  */
508 uint64_t
509 metaslab_class_expandable_space(metaslab_class_t *mc)
510 {
511         vdev_t *rvd = mc->mc_spa->spa_root_vdev;
512         uint64_t space = 0;
513
514         spa_config_enter(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
515         for (int c = 0; c < rvd->vdev_children; c++) {
516                 uint64_t tspace;
517                 vdev_t *tvd = rvd->vdev_child[c];
518                 metaslab_group_t *mg = tvd->vdev_mg;
519
520                 if (!vdev_is_concrete(tvd) || tvd->vdev_ms_shift == 0 ||
521                     mg->mg_class != mc) {
522                         continue;
523                 }
524
525                 /*
526                  * Calculate if we have enough space to add additional
527                  * metaslabs. We report the expandable space in terms
528                  * of the metaslab size since that's the unit of expansion.
529                  * Adjust by efi system partition size.
530                  */
531                 tspace = tvd->vdev_max_asize - tvd->vdev_asize;
532                 if (tspace > mc->mc_spa->spa_bootsize) {
533                         tspace -= mc->mc_spa->spa_bootsize;
534                 }
535                 space += P2ALIGN(tspace, 1ULL << tvd->vdev_ms_shift);
536         }
537         spa_config_exit(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG);
538         return (space);
539 }
540
541 static int
542 metaslab_compare(const void *x1, const void *x2)
543 {
544         const metaslab_t *m1 = (const metaslab_t *)x1;
545         const metaslab_t *m2 = (const metaslab_t *)x2;
546
547         int sort1 = 0;
548         int sort2 = 0;
549         if (m1->ms_allocator != -1 && m1->ms_primary)
550                 sort1 = 1;
551         else if (m1->ms_allocator != -1 && !m1->ms_primary)
552                 sort1 = 2;
553         if (m2->ms_allocator != -1 && m2->ms_primary)
554                 sort2 = 1;
555         else if (m2->ms_allocator != -1 && !m2->ms_primary)
556                 sort2 = 2;
557
558         /*
559          * Sort inactive metaslabs first, then primaries, then secondaries. When
560          * selecting a metaslab to allocate from, an allocator first tries its
561          * primary, then secondary active metaslab. If it doesn't have active
562          * metaslabs, or can't allocate from them, it searches for an inactive
563          * metaslab to activate. If it can't find a suitable one, it will steal
564          * a primary or secondary metaslab from another allocator.
565          */
566         if (sort1 < sort2)
567                 return (-1);
568         if (sort1 > sort2)
569                 return (1);
570
571         int cmp = AVL_CMP(m2->ms_weight, m1->ms_weight);
572         if (likely(cmp))
573                 return (cmp);
574
575         IMPLY(AVL_CMP(m1->ms_start, m2->ms_start) == 0, m1 == m2);
576
577         return (AVL_CMP(m1->ms_start, m2->ms_start));
578 }
579
580 /*
581  * Verify that the space accounting on disk matches the in-core range_trees.
582  */
583 void
584 metaslab_verify_space(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
585 {
586         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
587         uint64_t allocated = 0;
588         uint64_t sm_free_space, msp_free_space;
589
590         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
591
592         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_METASLAB_VERIFY) == 0)
593                 return;
594
595         /*
596          * We can only verify the metaslab space when we're called
597          * from syncing context with a loaded metaslab that has an allocated
598          * space map. Calling this in non-syncing context does not
599          * provide a consistent view of the metaslab since we're performing
600          * allocations in the future.
601          */
602         if (txg != spa_syncing_txg(spa) || msp->ms_sm == NULL ||
603             !msp->ms_loaded)
604                 return;
605
606         sm_free_space = msp->ms_size - space_map_allocated(msp->ms_sm) -
607             space_map_alloc_delta(msp->ms_sm);
608
609         /*
610          * Account for future allocations since we would have already
611          * deducted that space from the ms_freetree.
612          */
613         for (int t = 0; t < TXG_CONCURRENT_STATES; t++) {
614                 allocated +=
615                     range_tree_space(msp->ms_allocating[(txg + t) & TXG_MASK]);
616         }
617
618         msp_free_space = range_tree_space(msp->ms_allocatable) + allocated +
619             msp->ms_deferspace + range_tree_space(msp->ms_freed);
620
621         VERIFY3U(sm_free_space, ==, msp_free_space);
622 }
623
624 /*
625  * ==========================================================================
626  * Metaslab groups
627  * ==========================================================================
628  */
629 /*
630  * Update the allocatable flag and the metaslab group's capacity.
631  * The allocatable flag is set to true if the capacity is below
632  * the zfs_mg_noalloc_threshold or has a fragmentation value that is
633  * greater than zfs_mg_fragmentation_threshold. If a metaslab group
634  * transitions from allocatable to non-allocatable or vice versa then the
635  * metaslab group's class is updated to reflect the transition.
636  */
637 static void
638 metaslab_group_alloc_update(metaslab_group_t *mg)
639 {
640         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
641         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
642         vdev_stat_t *vs = &vd->vdev_stat;
643         boolean_t was_allocatable;
644         boolean_t was_initialized;
645
646         ASSERT(vd == vd->vdev_top);
647         ASSERT3U(spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALLOC, RW_READER), ==,
648             SCL_ALLOC);
649
650         mutex_enter(&mg->mg_lock);
651         was_allocatable = mg->mg_allocatable;
652         was_initialized = mg->mg_initialized;
653
654         mg->mg_free_capacity = ((vs->vs_space - vs->vs_alloc) * 100) /
655             (vs->vs_space + 1);
656
657         mutex_enter(&mc->mc_lock);
658
659         /*
660          * If the metaslab group was just added then it won't
661          * have any space until we finish syncing out this txg.
662          * At that point we will consider it initialized and available
663          * for allocations.  We also don't consider non-activated
664          * metaslab groups (e.g. vdevs that are in the middle of being removed)
665          * to be initialized, because they can't be used for allocation.
666          */
667         mg->mg_initialized = metaslab_group_initialized(mg);
668         if (!was_initialized && mg->mg_initialized) {
669                 mc->mc_groups++;
670         } else if (was_initialized && !mg->mg_initialized) {
671                 ASSERT3U(mc->mc_groups, >, 0);
672                 mc->mc_groups--;
673         }
674         if (mg->mg_initialized)
675                 mg->mg_no_free_space = B_FALSE;
676
677         /*
678          * A metaslab group is considered allocatable if it has plenty
679          * of free space or is not heavily fragmented. We only take
680          * fragmentation into account if the metaslab group has a valid
681          * fragmentation metric (i.e. a value between 0 and 100).
682          */
683         mg->mg_allocatable = (mg->mg_activation_count > 0 &&
684             mg->mg_free_capacity > zfs_mg_noalloc_threshold &&
685             (mg->mg_fragmentation == ZFS_FRAG_INVALID ||
686             mg->mg_fragmentation <= zfs_mg_fragmentation_threshold));
687
688         /*
689          * The mc_alloc_groups maintains a count of the number of
690          * groups in this metaslab class that are still above the
691          * zfs_mg_noalloc_threshold. This is used by the allocating
692          * threads to determine if they should avoid allocations to
693          * a given group. The allocator will avoid allocations to a group
694          * if that group has reached or is below the zfs_mg_noalloc_threshold
695          * and there are still other groups that are above the threshold.
696          * When a group transitions from allocatable to non-allocatable or
697          * vice versa we update the metaslab class to reflect that change.
698          * When the mc_alloc_groups value drops to 0 that means that all
699          * groups have reached the zfs_mg_noalloc_threshold making all groups
700          * eligible for allocations. This effectively means that all devices
701          * are balanced again.
702          */
703         if (was_allocatable && !mg->mg_allocatable)
704                 mc->mc_alloc_groups--;
705         else if (!was_allocatable && mg->mg_allocatable)
706                 mc->mc_alloc_groups++;
707         mutex_exit(&mc->mc_lock);
708
709         mutex_exit(&mg->mg_lock);
710 }
711
712 metaslab_group_t *
713 metaslab_group_create(metaslab_class_t *mc, vdev_t *vd, int allocators)
714 {
715         metaslab_group_t *mg;
716
717         mg = kmem_zalloc(sizeof (metaslab_group_t), KM_SLEEP);
718         mutex_init(&mg->mg_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
719         mutex_init(&mg->mg_ms_initialize_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
720         cv_init(&mg->mg_ms_initialize_cv, NULL, CV_DEFAULT, NULL);
721         mg->mg_primaries = kmem_zalloc(allocators * sizeof (metaslab_t *),
722             KM_SLEEP);
723         mg->mg_secondaries = kmem_zalloc(allocators * sizeof (metaslab_t *),
724             KM_SLEEP);
725         avl_create(&mg->mg_metaslab_tree, metaslab_compare,
726             sizeof (metaslab_t), offsetof(struct metaslab, ms_group_node));
727         mg->mg_vd = vd;
728         mg->mg_class = mc;
729         mg->mg_activation_count = 0;
730         mg->mg_initialized = B_FALSE;
731         mg->mg_no_free_space = B_TRUE;
732         mg->mg_allocators = allocators;
733
734         mg->mg_alloc_queue_depth = kmem_zalloc(allocators * sizeof (refcount_t),
735             KM_SLEEP);
736         mg->mg_cur_max_alloc_queue_depth = kmem_zalloc(allocators *
737             sizeof (uint64_t), KM_SLEEP);
738         for (int i = 0; i < allocators; i++) {
739                 refcount_create_tracked(&mg->mg_alloc_queue_depth[i]);
740                 mg->mg_cur_max_alloc_queue_depth[i] = 0;
741         }
742
743         mg->mg_taskq = taskq_create("metaslab_group_taskq", metaslab_load_pct,
744             minclsyspri, 10, INT_MAX, TASKQ_THREADS_CPU_PCT);
745
746         return (mg);
747 }
748
749 void
750 metaslab_group_destroy(metaslab_group_t *mg)
751 {
752         ASSERT(mg->mg_prev == NULL);
753         ASSERT(mg->mg_next == NULL);
754         /*
755          * We may have gone below zero with the activation count
756          * either because we never activated in the first place or
757          * because we're done, and possibly removing the vdev.
758          */
759         ASSERT(mg->mg_activation_count <= 0);
760
761         taskq_destroy(mg->mg_taskq);
762         avl_destroy(&mg->mg_metaslab_tree);
763         kmem_free(mg->mg_primaries, mg->mg_allocators * sizeof (metaslab_t *));
764         kmem_free(mg->mg_secondaries, mg->mg_allocators *
765             sizeof (metaslab_t *));
766         mutex_destroy(&mg->mg_lock);
767         mutex_destroy(&mg->mg_ms_initialize_lock);
768         cv_destroy(&mg->mg_ms_initialize_cv);
769
770         for (int i = 0; i < mg->mg_allocators; i++) {
771                 refcount_destroy(&mg->mg_alloc_queue_depth[i]);
772                 mg->mg_cur_max_alloc_queue_depth[i] = 0;
773         }
774         kmem_free(mg->mg_alloc_queue_depth, mg->mg_allocators *
775             sizeof (refcount_t));
776         kmem_free(mg->mg_cur_max_alloc_queue_depth, mg->mg_allocators *
777             sizeof (uint64_t));
778
779         kmem_free(mg, sizeof (metaslab_group_t));
780 }
781
782 void
783 metaslab_group_activate(metaslab_group_t *mg)
784 {
785         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
786         metaslab_group_t *mgprev, *mgnext;
787
788         ASSERT3U(spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALLOC, RW_WRITER), !=, 0);
789
790         ASSERT(mc->mc_rotor != mg);
791         ASSERT(mg->mg_prev == NULL);
792         ASSERT(mg->mg_next == NULL);
793         ASSERT(mg->mg_activation_count <= 0);
794
795         if (++mg->mg_activation_count <= 0)
796                 return;
797
798         mg->mg_aliquot = metaslab_aliquot * MAX(1, mg->mg_vd->vdev_children);
799         metaslab_group_alloc_update(mg);
800
801         if ((mgprev = mc->mc_rotor) == NULL) {
802                 mg->mg_prev = mg;
803                 mg->mg_next = mg;
804         } else {
805                 mgnext = mgprev->mg_next;
806                 mg->mg_prev = mgprev;
807                 mg->mg_next = mgnext;
808                 mgprev->mg_next = mg;
809                 mgnext->mg_prev = mg;
810         }
811         mc->mc_rotor = mg;
812         metaslab_class_minblocksize_update(mc);
813 }
814
815 /*
816  * Passivate a metaslab group and remove it from the allocation rotor.
817  * Callers must hold both the SCL_ALLOC and SCL_ZIO lock prior to passivating
818  * a metaslab group. This function will momentarily drop spa_config_locks
819  * that are lower than the SCL_ALLOC lock (see comment below).
820  */
821 void
822 metaslab_group_passivate(metaslab_group_t *mg)
823 {
824         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
825         spa_t *spa = mc->mc_spa;
826         metaslab_group_t *mgprev, *mgnext;
827         int locks = spa_config_held(spa, SCL_ALL, RW_WRITER);
828
829         ASSERT3U(spa_config_held(spa, SCL_ALLOC | SCL_ZIO, RW_WRITER), ==,
830             (SCL_ALLOC | SCL_ZIO));
831
832         if (--mg->mg_activation_count != 0) {
833                 ASSERT(mc->mc_rotor != mg);
834                 ASSERT(mg->mg_prev == NULL);
835                 ASSERT(mg->mg_next == NULL);
836                 ASSERT(mg->mg_activation_count < 0);
837                 return;
838         }
839
840         /*
841          * The spa_config_lock is an array of rwlocks, ordered as
842          * follows (from highest to lowest):
843          *      SCL_CONFIG > SCL_STATE > SCL_L2ARC > SCL_ALLOC >
844          *      SCL_ZIO > SCL_FREE > SCL_VDEV
845          * (For more information about the spa_config_lock see spa_misc.c)
846          * The higher the lock, the broader its coverage. When we passivate
847          * a metaslab group, we must hold both the SCL_ALLOC and the SCL_ZIO
848          * config locks. However, the metaslab group's taskq might be trying
849          * to preload metaslabs so we must drop the SCL_ZIO lock and any
850          * lower locks to allow the I/O to complete. At a minimum,
851          * we continue to hold the SCL_ALLOC lock, which prevents any future
852          * allocations from taking place and any changes to the vdev tree.
853          */
854         spa_config_exit(spa, locks & ~(SCL_ZIO - 1), spa);
855         taskq_wait(mg->mg_taskq);
856         spa_config_enter(spa, locks & ~(SCL_ZIO - 1), spa, RW_WRITER);
857         metaslab_group_alloc_update(mg);
858         for (int i = 0; i < mg->mg_allocators; i++) {
859                 metaslab_t *msp = mg->mg_primaries[i];
860                 if (msp != NULL) {
861                         mutex_enter(&msp->ms_lock);
862                         metaslab_passivate(msp,
863                             metaslab_weight_from_range_tree(msp));
864                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
865                 }
866                 msp = mg->mg_secondaries[i];
867                 if (msp != NULL) {
868                         mutex_enter(&msp->ms_lock);
869                         metaslab_passivate(msp,
870                             metaslab_weight_from_range_tree(msp));
871                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
872                 }
873         }
874
875         mgprev = mg->mg_prev;
876         mgnext = mg->mg_next;
877
878         if (mg == mgnext) {
879                 mc->mc_rotor = NULL;
880         } else {
881                 mc->mc_rotor = mgnext;
882                 mgprev->mg_next = mgnext;
883                 mgnext->mg_prev = mgprev;
884         }
885
886         mg->mg_prev = NULL;
887         mg->mg_next = NULL;
888         metaslab_class_minblocksize_update(mc);
889 }
890
891 boolean_t
892 metaslab_group_initialized(metaslab_group_t *mg)
893 {
894         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
895         vdev_stat_t *vs = &vd->vdev_stat;
896
897         return (vs->vs_space != 0 && mg->mg_activation_count > 0);
898 }
899
900 uint64_t
901 metaslab_group_get_space(metaslab_group_t *mg)
902 {
903         return ((1ULL << mg->mg_vd->vdev_ms_shift) * mg->mg_vd->vdev_ms_count);
904 }
905
906 void
907 metaslab_group_histogram_verify(metaslab_group_t *mg)
908 {
909         uint64_t *mg_hist;
910         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
911         uint64_t ashift = vd->vdev_ashift;
912         int i;
913
914         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_HISTOGRAM_VERIFY) == 0)
915                 return;
916
917         mg_hist = kmem_zalloc(sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE,
918             KM_SLEEP);
919
920         ASSERT3U(RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE, >=,
921             SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE + ashift);
922
923         for (int m = 0; m < vd->vdev_ms_count; m++) {
924                 metaslab_t *msp = vd->vdev_ms[m];
925
926                 if (msp->ms_sm == NULL)
927                         continue;
928
929                 for (i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++)
930                         mg_hist[i + ashift] +=
931                             msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
932         }
933
934         for (i = 0; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i ++)
935                 VERIFY3U(mg_hist[i], ==, mg->mg_histogram[i]);
936
937         kmem_free(mg_hist, sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE);
938 }
939
940 static void
941 metaslab_group_histogram_add(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
942 {
943         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
944         uint64_t ashift = mg->mg_vd->vdev_ashift;
945
946         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
947         if (msp->ms_sm == NULL)
948                 return;
949
950         mutex_enter(&mg->mg_lock);
951         for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
952                 mg->mg_histogram[i + ashift] +=
953                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
954                 mc->mc_histogram[i + ashift] +=
955                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
956         }
957         mutex_exit(&mg->mg_lock);
958 }
959
960 void
961 metaslab_group_histogram_remove(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
962 {
963         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
964         uint64_t ashift = mg->mg_vd->vdev_ashift;
965
966         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
967         if (msp->ms_sm == NULL)
968                 return;
969
970         mutex_enter(&mg->mg_lock);
971         for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
972                 ASSERT3U(mg->mg_histogram[i + ashift], >=,
973                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i]);
974                 ASSERT3U(mc->mc_histogram[i + ashift], >=,
975                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i]);
976
977                 mg->mg_histogram[i + ashift] -=
978                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
979                 mc->mc_histogram[i + ashift] -=
980                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
981         }
982         mutex_exit(&mg->mg_lock);
983 }
984
985 static void
986 metaslab_group_add(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
987 {
988         ASSERT(msp->ms_group == NULL);
989         mutex_enter(&mg->mg_lock);
990         msp->ms_group = mg;
991         msp->ms_weight = 0;
992         avl_add(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
993         mutex_exit(&mg->mg_lock);
994
995         mutex_enter(&msp->ms_lock);
996         metaslab_group_histogram_add(mg, msp);
997         mutex_exit(&msp->ms_lock);
998 }
999
1000 static void
1001 metaslab_group_remove(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
1002 {
1003         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1004         metaslab_group_histogram_remove(mg, msp);
1005         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1006
1007         mutex_enter(&mg->mg_lock);
1008         ASSERT(msp->ms_group == mg);
1009         avl_remove(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
1010         msp->ms_group = NULL;
1011         mutex_exit(&mg->mg_lock);
1012 }
1013
1014 static void
1015 metaslab_group_sort_impl(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp, uint64_t weight)
1016 {
1017         ASSERT(MUTEX_HELD(&mg->mg_lock));
1018         ASSERT(msp->ms_group == mg);
1019         avl_remove(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
1020         msp->ms_weight = weight;
1021         avl_add(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
1022
1023 }
1024
1025 static void
1026 metaslab_group_sort(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp, uint64_t weight)
1027 {
1028         /*
1029          * Although in principle the weight can be any value, in
1030          * practice we do not use values in the range [1, 511].
1031          */
1032         ASSERT(weight >= SPA_MINBLOCKSIZE || weight == 0);
1033         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1034
1035         mutex_enter(&mg->mg_lock);
1036         metaslab_group_sort_impl(mg, msp, weight);
1037         mutex_exit(&mg->mg_lock);
1038 }
1039
1040 /*
1041  * Calculate the fragmentation for a given metaslab group. We can use
1042  * a simple average here since all metaslabs within the group must have
1043  * the same size. The return value will be a value between 0 and 100
1044  * (inclusive), or ZFS_FRAG_INVALID if less than half of the metaslab in this
1045  * group have a fragmentation metric.
1046  */
1047 uint64_t
1048 metaslab_group_fragmentation(metaslab_group_t *mg)
1049 {
1050         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
1051         uint64_t fragmentation = 0;
1052         uint64_t valid_ms = 0;
1053
1054         for (int m = 0; m < vd->vdev_ms_count; m++) {
1055                 metaslab_t *msp = vd->vdev_ms[m];
1056
1057                 if (msp->ms_fragmentation == ZFS_FRAG_INVALID)
1058                         continue;
1059
1060                 valid_ms++;
1061                 fragmentation += msp->ms_fragmentation;
1062         }
1063
1064         if (valid_ms <= vd->vdev_ms_count / 2)
1065                 return (ZFS_FRAG_INVALID);
1066
1067         fragmentation /= valid_ms;
1068         ASSERT3U(fragmentation, <=, 100);
1069         return (fragmentation);
1070 }
1071
1072 /*
1073  * Determine if a given metaslab group should skip allocations. A metaslab
1074  * group should avoid allocations if its free capacity is less than the
1075  * zfs_mg_noalloc_threshold or its fragmentation metric is greater than
1076  * zfs_mg_fragmentation_threshold and there is at least one metaslab group
1077  * that can still handle allocations. If the allocation throttle is enabled
1078  * then we skip allocations to devices that have reached their maximum
1079  * allocation queue depth unless the selected metaslab group is the only
1080  * eligible group remaining.
1081  */
1082 static boolean_t
1083 metaslab_group_allocatable(metaslab_group_t *mg, metaslab_group_t *rotor,
1084     uint64_t psize, int allocator, int d)
1085 {
1086         spa_t *spa = mg->mg_vd->vdev_spa;
1087         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
1088
1089         /*
1090          * We can only consider skipping this metaslab group if it's
1091          * in the normal metaslab class and there are other metaslab
1092          * groups to select from. Otherwise, we always consider it eligible
1093          * for allocations.
1094          */
1095         if (mc != spa_normal_class(spa) || mc->mc_groups <= 1)
1096                 return (B_TRUE);
1097
1098         /*
1099          * If the metaslab group's mg_allocatable flag is set (see comments
1100          * in metaslab_group_alloc_update() for more information) and
1101          * the allocation throttle is disabled then allow allocations to this
1102          * device. However, if the allocation throttle is enabled then
1103          * check if we have reached our allocation limit (mg_alloc_queue_depth)
1104          * to determine if we should allow allocations to this metaslab group.
1105          * If all metaslab groups are no longer considered allocatable
1106          * (mc_alloc_groups == 0) or we're trying to allocate the smallest
1107          * gang block size then we allow allocations on this metaslab group
1108          * regardless of the mg_allocatable or throttle settings.
1109          */
1110         if (mg->mg_allocatable) {
1111                 metaslab_group_t *mgp;
1112                 int64_t qdepth;
1113                 uint64_t qmax = mg->mg_cur_max_alloc_queue_depth[allocator];
1114
1115                 if (!mc->mc_alloc_throttle_enabled)
1116                         return (B_TRUE);
1117
1118                 /*
1119                  * If this metaslab group does not have any free space, then
1120                  * there is no point in looking further.
1121                  */
1122                 if (mg->mg_no_free_space)
1123                         return (B_FALSE);
1124
1125                 /*
1126                  * Relax allocation throttling for ditto blocks.  Due to
1127                  * random imbalances in allocation it tends to push copies
1128                  * to one vdev, that looks a bit better at the moment.
1129                  */
1130                 qmax = qmax * (4 + d) / 4;
1131
1132                 qdepth = refcount_count(&mg->mg_alloc_queue_depth[allocator]);
1133
1134                 /*
1135                  * If this metaslab group is below its qmax or it's
1136                  * the only allocatable metasable group, then attempt
1137                  * to allocate from it.
1138                  */
1139                 if (qdepth < qmax || mc->mc_alloc_groups == 1)
1140                         return (B_TRUE);
1141                 ASSERT3U(mc->mc_alloc_groups, >, 1);
1142
1143                 /*
1144                  * Since this metaslab group is at or over its qmax, we
1145                  * need to determine if there are metaslab groups after this
1146                  * one that might be able to handle this allocation. This is
1147                  * racy since we can't hold the locks for all metaslab
1148                  * groups at the same time when we make this check.
1149                  */
1150                 for (mgp = mg->mg_next; mgp != rotor; mgp = mgp->mg_next) {
1151                         qmax = mgp->mg_cur_max_alloc_queue_depth[allocator];
1152                         qmax = qmax * (4 + d) / 4;
1153                         qdepth = refcount_count(
1154                             &mgp->mg_alloc_queue_depth[allocator]);
1155
1156                         /*
1157                          * If there is another metaslab group that
1158                          * might be able to handle the allocation, then
1159                          * we return false so that we skip this group.
1160                          */
1161                         if (qdepth < qmax && !mgp->mg_no_free_space)
1162                                 return (B_FALSE);
1163                 }
1164
1165                 /*
1166                  * We didn't find another group to handle the allocation
1167                  * so we can't skip this metaslab group even though
1168                  * we are at or over our qmax.
1169                  */
1170                 return (B_TRUE);
1171
1172         } else if (mc->mc_alloc_groups == 0 || psize == SPA_MINBLOCKSIZE) {
1173                 return (B_TRUE);
1174         }
1175         return (B_FALSE);
1176 }
1177
1178 /*
1179  * ==========================================================================
1180  * Range tree callbacks
1181  * ==========================================================================
1182  */
1183
1184 /*
1185  * Comparison function for the private size-ordered tree. Tree is sorted
1186  * by size, larger sizes at the end of the tree.
1187  */
1188 static int
1189 metaslab_rangesize_compare(const void *x1, const void *x2)
1190 {
1191         const range_seg_t *r1 = x1;
1192         const range_seg_t *r2 = x2;
1193         uint64_t rs_size1 = r1->rs_end - r1->rs_start;
1194         uint64_t rs_size2 = r2->rs_end - r2->rs_start;
1195
1196         int cmp = AVL_CMP(rs_size1, rs_size2);
1197         if (likely(cmp))
1198                 return (cmp);
1199
1200         if (r1->rs_start < r2->rs_start)
1201                 return (-1);
1202
1203         return (AVL_CMP(r1->rs_start, r2->rs_start));
1204 }
1205
1206 /*
1207  * ==========================================================================
1208  * Common allocator routines
1209  * ==========================================================================
1210  */
1211
1212 /*
1213  * Return the maximum contiguous segment within the metaslab.
1214  */
1215 uint64_t
1216 metaslab_block_maxsize(metaslab_t *msp)
1217 {
1218         avl_tree_t *t = &msp->ms_allocatable_by_size;
1219         range_seg_t *rs;
1220
1221         if (t == NULL || (rs = avl_last(t)) == NULL)
1222                 return (0ULL);
1223
1224         return (rs->rs_end - rs->rs_start);
1225 }
1226
1227 static range_seg_t *
1228 metaslab_block_find(avl_tree_t *t, uint64_t start, uint64_t size)
1229 {
1230         range_seg_t *rs, rsearch;
1231         avl_index_t where;
1232
1233         rsearch.rs_start = start;
1234         rsearch.rs_end = start + size;
1235
1236         rs = avl_find(t, &rsearch, &where);
1237         if (rs == NULL) {
1238                 rs = avl_nearest(t, where, AVL_AFTER);
1239         }
1240
1241         return (rs);
1242 }
1243
1244 /*
1245  * This is a helper function that can be used by the allocator to find
1246  * a suitable block to allocate. This will search the specified AVL
1247  * tree looking for a block that matches the specified criteria.
1248  */
1249 static uint64_t
1250 metaslab_block_picker(avl_tree_t *t, uint64_t *cursor, uint64_t size,
1251     uint64_t align)
1252 {
1253         range_seg_t *rs = metaslab_block_find(t, *cursor, size);
1254
1255         while (rs != NULL) {
1256                 uint64_t offset = P2ROUNDUP(rs->rs_start, align);
1257
1258                 if (offset + size <= rs->rs_end) {
1259                         *cursor = offset + size;
1260                         return (offset);
1261                 }
1262                 rs = AVL_NEXT(t, rs);
1263         }
1264
1265         /*
1266          * If we know we've searched the whole map (*cursor == 0), give up.
1267          * Otherwise, reset the cursor to the beginning and try again.
1268          */
1269         if (*cursor == 0)
1270                 return (-1ULL);
1271
1272         *cursor = 0;
1273         return (metaslab_block_picker(t, cursor, size, align));
1274 }
1275
1276 /*
1277  * ==========================================================================
1278  * The first-fit block allocator
1279  * ==========================================================================
1280  */
1281 static uint64_t
1282 metaslab_ff_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1283 {
1284         /*
1285          * Find the largest power of 2 block size that evenly divides the
1286          * requested size. This is used to try to allocate blocks with similar
1287          * alignment from the same area of the metaslab (i.e. same cursor
1288          * bucket) but it does not guarantee that other allocations sizes
1289          * may exist in the same region.
1290          */
1291         uint64_t align = size & -size;
1292         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[highbit64(align) - 1];
1293         avl_tree_t *t = &msp->ms_allocatable->rt_root;
1294
1295         return (metaslab_block_picker(t, cursor, size, align));
1296 }
1297
1298 static metaslab_ops_t metaslab_ff_ops = {
1299         metaslab_ff_alloc
1300 };
1301
1302 /*
1303  * ==========================================================================
1304  * Dynamic block allocator -
1305  * Uses the first fit allocation scheme until space get low and then
1306  * adjusts to a best fit allocation method. Uses metaslab_df_alloc_threshold
1307  * and metaslab_df_free_pct to determine when to switch the allocation scheme.
1308  * ==========================================================================
1309  */
1310 static uint64_t
1311 metaslab_df_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1312 {
1313         /*
1314          * Find the largest power of 2 block size that evenly divides the
1315          * requested size. This is used to try to allocate blocks with similar
1316          * alignment from the same area of the metaslab (i.e. same cursor
1317          * bucket) but it does not guarantee that other allocations sizes
1318          * may exist in the same region.
1319          */
1320         uint64_t align = size & -size;
1321         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[highbit64(align) - 1];
1322         range_tree_t *rt = msp->ms_allocatable;
1323         avl_tree_t *t = &rt->rt_root;
1324         uint64_t max_size = metaslab_block_maxsize(msp);
1325         int free_pct = range_tree_space(rt) * 100 / msp->ms_size;
1326
1327         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1328         ASSERT3U(avl_numnodes(t), ==,
1329             avl_numnodes(&msp->ms_allocatable_by_size));
1330
1331         if (max_size < size)
1332                 return (-1ULL);
1333
1334         /*
1335          * If we're running low on space switch to using the size
1336          * sorted AVL tree (best-fit).
1337          */
1338         if (max_size < metaslab_df_alloc_threshold ||
1339             free_pct < metaslab_df_free_pct) {
1340                 t = &msp->ms_allocatable_by_size;
1341                 *cursor = 0;
1342         }
1343
1344         return (metaslab_block_picker(t, cursor, size, 1ULL));
1345 }
1346
1347 static metaslab_ops_t metaslab_df_ops = {
1348         metaslab_df_alloc
1349 };
1350
1351 /*
1352  * ==========================================================================
1353  * Cursor fit block allocator -
1354  * Select the largest region in the metaslab, set the cursor to the beginning
1355  * of the range and the cursor_end to the end of the range. As allocations
1356  * are made advance the cursor. Continue allocating from the cursor until
1357  * the range is exhausted and then find a new range.
1358  * ==========================================================================
1359  */
1360 static uint64_t
1361 metaslab_cf_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1362 {
1363         range_tree_t *rt = msp->ms_allocatable;
1364         avl_tree_t *t = &msp->ms_allocatable_by_size;
1365         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[0];
1366         uint64_t *cursor_end = &msp->ms_lbas[1];
1367         uint64_t offset = 0;
1368
1369         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1370         ASSERT3U(avl_numnodes(t), ==, avl_numnodes(&rt->rt_root));
1371
1372         ASSERT3U(*cursor_end, >=, *cursor);
1373
1374         if ((*cursor + size) > *cursor_end) {
1375                 range_seg_t *rs;
1376
1377                 rs = avl_last(&msp->ms_allocatable_by_size);
1378                 if (rs == NULL || (rs->rs_end - rs->rs_start) < size)
1379                         return (-1ULL);
1380
1381                 *cursor = rs->rs_start;
1382                 *cursor_end = rs->rs_end;
1383         }
1384
1385         offset = *cursor;
1386         *cursor += size;
1387
1388         return (offset);
1389 }
1390
1391 static metaslab_ops_t metaslab_cf_ops = {
1392         metaslab_cf_alloc
1393 };
1394
1395 /*
1396  * ==========================================================================
1397  * New dynamic fit allocator -
1398  * Select a region that is large enough to allocate 2^metaslab_ndf_clump_shift
1399  * contiguous blocks. If no region is found then just use the largest segment
1400  * that remains.
1401  * ==========================================================================
1402  */
1403
1404 /*
1405  * Determines desired number of contiguous blocks (2^metaslab_ndf_clump_shift)
1406  * to request from the allocator.
1407  */
1408 uint64_t metaslab_ndf_clump_shift = 4;
1409
1410 static uint64_t
1411 metaslab_ndf_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1412 {
1413         avl_tree_t *t = &msp->ms_allocatable->rt_root;
1414         avl_index_t where;
1415         range_seg_t *rs, rsearch;
1416         uint64_t hbit = highbit64(size);
1417         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[hbit - 1];
1418         uint64_t max_size = metaslab_block_maxsize(msp);
1419
1420         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1421         ASSERT3U(avl_numnodes(t), ==,
1422             avl_numnodes(&msp->ms_allocatable_by_size));
1423
1424         if (max_size < size)
1425                 return (-1ULL);
1426
1427         rsearch.rs_start = *cursor;
1428         rsearch.rs_end = *cursor + size;
1429
1430         rs = avl_find(t, &rsearch, &where);
1431         if (rs == NULL || (rs->rs_end - rs->rs_start) < size) {
1432                 t = &msp->ms_allocatable_by_size;
1433
1434                 rsearch.rs_start = 0;
1435                 rsearch.rs_end = MIN(max_size,
1436                     1ULL << (hbit + metaslab_ndf_clump_shift));
1437                 rs = avl_find(t, &rsearch, &where);
1438                 if (rs == NULL)
1439                         rs = avl_nearest(t, where, AVL_AFTER);
1440                 ASSERT(rs != NULL);
1441         }
1442
1443         if ((rs->rs_end - rs->rs_start) >= size) {
1444                 *cursor = rs->rs_start + size;
1445                 return (rs->rs_start);
1446         }
1447         return (-1ULL);
1448 }
1449
1450 static metaslab_ops_t metaslab_ndf_ops = {
1451         metaslab_ndf_alloc
1452 };
1453
1454 metaslab_ops_t *zfs_metaslab_ops = &metaslab_df_ops;
1455
1456 /*
1457  * ==========================================================================
1458  * Metaslabs
1459  * ==========================================================================
1460  */
1461
1462 /*
1463  * Wait for any in-progress metaslab loads to complete.
1464  */
1465 void
1466 metaslab_load_wait(metaslab_t *msp)
1467 {
1468         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1469
1470         while (msp->ms_loading) {
1471                 ASSERT(!msp->ms_loaded);
1472                 cv_wait(&msp->ms_load_cv, &msp->ms_lock);
1473         }
1474 }
1475
1476 int
1477 metaslab_load(metaslab_t *msp)
1478 {
1479         int error = 0;
1480         boolean_t success = B_FALSE;
1481
1482         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1483         ASSERT(!msp->ms_loaded);
1484         ASSERT(!msp->ms_loading);
1485
1486         msp->ms_loading = B_TRUE;
1487         /*
1488          * Nobody else can manipulate a loading metaslab, so it's now safe
1489          * to drop the lock.  This way we don't have to hold the lock while
1490          * reading the spacemap from disk.
1491          */
1492         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1493
1494         /*
1495          * If the space map has not been allocated yet, then treat
1496          * all the space in the metaslab as free and add it to ms_allocatable.
1497          */
1498         if (msp->ms_sm != NULL) {
1499                 error = space_map_load(msp->ms_sm, msp->ms_allocatable,
1500                     SM_FREE);
1501         } else {
1502                 range_tree_add(msp->ms_allocatable,
1503                     msp->ms_start, msp->ms_size);
1504         }
1505
1506         success = (error == 0);
1507
1508         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1509         msp->ms_loading = B_FALSE;
1510
1511         if (success) {
1512                 ASSERT3P(msp->ms_group, !=, NULL);
1513                 msp->ms_loaded = B_TRUE;
1514
1515                 /*
1516                  * If the metaslab already has a spacemap, then we need to
1517                  * remove all segments from the defer tree; otherwise, the
1518                  * metaslab is completely empty and we can skip this.
1519                  */
1520                 if (msp->ms_sm != NULL) {
1521                         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
1522                                 range_tree_walk(msp->ms_defer[t],
1523                                     range_tree_remove, msp->ms_allocatable);
1524                         }
1525                 }
1526                 msp->ms_max_size = metaslab_block_maxsize(msp);
1527         }
1528         cv_broadcast(&msp->ms_load_cv);
1529         return (error);
1530 }
1531
1532 void
1533 metaslab_unload(metaslab_t *msp)
1534 {
1535         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1536         range_tree_vacate(msp->ms_allocatable, NULL, NULL);
1537         msp->ms_loaded = B_FALSE;
1538         msp->ms_weight &= ~METASLAB_ACTIVE_MASK;
1539         msp->ms_max_size = 0;
1540 }
1541
1542 int
1543 metaslab_init(metaslab_group_t *mg, uint64_t id, uint64_t object, uint64_t txg,
1544     metaslab_t **msp)
1545 {
1546         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
1547         objset_t *mos = vd->vdev_spa->spa_meta_objset;
1548         metaslab_t *ms;
1549         int error;
1550
1551         ms = kmem_zalloc(sizeof (metaslab_t), KM_SLEEP);
1552         mutex_init(&ms->ms_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
1553         mutex_init(&ms->ms_sync_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
1554         cv_init(&ms->ms_load_cv, NULL, CV_DEFAULT, NULL);
1555
1556         ms->ms_id = id;
1557         ms->ms_start = id << vd->vdev_ms_shift;
1558         ms->ms_size = 1ULL << vd->vdev_ms_shift;
1559         ms->ms_allocator = -1;
1560         ms->ms_new = B_TRUE;
1561
1562         /*
1563          * We only open space map objects that already exist. All others
1564          * will be opened when we finally allocate an object for it.
1565          */
1566         if (object != 0) {
1567                 error = space_map_open(&ms->ms_sm, mos, object, ms->ms_start,
1568                     ms->ms_size, vd->vdev_ashift);
1569
1570                 if (error != 0) {
1571                         kmem_free(ms, sizeof (metaslab_t));
1572                         return (error);
1573                 }
1574
1575                 ASSERT(ms->ms_sm != NULL);
1576         }
1577
1578         /*
1579          * We create the main range tree here, but we don't create the
1580          * other range trees until metaslab_sync_done().  This serves
1581          * two purposes: it allows metaslab_sync_done() to detect the
1582          * addition of new space; and for debugging, it ensures that we'd
1583          * data fault on any attempt to use this metaslab before it's ready.
1584          */
1585         ms->ms_allocatable = range_tree_create_impl(&rt_avl_ops, &ms->ms_allocatable_by_size,
1586             metaslab_rangesize_compare, 0);
1587         metaslab_group_add(mg, ms);
1588
1589         metaslab_set_fragmentation(ms);
1590
1591         /*
1592          * If we're opening an existing pool (txg == 0) or creating
1593          * a new one (txg == TXG_INITIAL), all space is available now.
1594          * If we're adding space to an existing pool, the new space
1595          * does not become available until after this txg has synced.
1596          * The metaslab's weight will also be initialized when we sync
1597          * out this txg. This ensures that we don't attempt to allocate
1598          * from it before we have initialized it completely.
1599          */
1600         if (txg <= TXG_INITIAL)
1601                 metaslab_sync_done(ms, 0);
1602
1603         /*
1604          * If metaslab_debug_load is set and we're initializing a metaslab
1605          * that has an allocated space map object then load the its space
1606          * map so that can verify frees.
1607          */
1608         if (metaslab_debug_load && ms->ms_sm != NULL) {
1609                 mutex_enter(&ms->ms_lock);
1610                 VERIFY0(metaslab_load(ms));
1611                 mutex_exit(&ms->ms_lock);
1612         }
1613
1614         if (txg != 0) {
1615                 vdev_dirty(vd, 0, NULL, txg);
1616                 vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, ms, txg);
1617         }
1618
1619         *msp = ms;
1620
1621         return (0);
1622 }
1623
1624 void
1625 metaslab_fini(metaslab_t *msp)
1626 {
1627         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
1628
1629         metaslab_group_remove(mg, msp);
1630
1631         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1632         VERIFY(msp->ms_group == NULL);
1633         vdev_space_update(mg->mg_vd, -space_map_allocated(msp->ms_sm),
1634             0, -msp->ms_size);
1635         space_map_close(msp->ms_sm);
1636
1637         metaslab_unload(msp);
1638         range_tree_destroy(msp->ms_allocatable);
1639         range_tree_destroy(msp->ms_freeing);
1640         range_tree_destroy(msp->ms_freed);
1641
1642         for (int t = 0; t < TXG_SIZE; t++) {
1643                 range_tree_destroy(msp->ms_allocating[t]);
1644         }
1645
1646         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
1647                 range_tree_destroy(msp->ms_defer[t]);
1648         }
1649         ASSERT0(msp->ms_deferspace);
1650
1651         range_tree_destroy(msp->ms_checkpointing);
1652
1653         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1654         cv_destroy(&msp->ms_load_cv);
1655         mutex_destroy(&msp->ms_lock);
1656         mutex_destroy(&msp->ms_sync_lock);
1657         ASSERT3U(msp->ms_allocator, ==, -1);
1658
1659         kmem_free(msp, sizeof (metaslab_t));
1660 }
1661
1662 #define FRAGMENTATION_TABLE_SIZE        17
1663
1664 /*
1665  * This table defines a segment size based fragmentation metric that will
1666  * allow each metaslab to derive its own fragmentation value. This is done
1667  * by calculating the space in each bucket of the spacemap histogram and
1668  * multiplying that by the fragmetation metric in this table. Doing
1669  * this for all buckets and dividing it by the total amount of free
1670  * space in this metaslab (i.e. the total free space in all buckets) gives
1671  * us the fragmentation metric. This means that a high fragmentation metric
1672  * equates to most of the free space being comprised of small segments.
1673  * Conversely, if the metric is low, then most of the free space is in
1674  * large segments. A 10% change in fragmentation equates to approximately
1675  * double the number of segments.
1676  *
1677  * This table defines 0% fragmented space using 16MB segments. Testing has
1678  * shown that segments that are greater than or equal to 16MB do not suffer
1679  * from drastic performance problems. Using this value, we derive the rest
1680  * of the table. Since the fragmentation value is never stored on disk, it
1681  * is possible to change these calculations in the future.
1682  */
1683 int zfs_frag_table[FRAGMENTATION_TABLE_SIZE] = {
1684         100,    /* 512B */
1685         100,    /* 1K   */
1686         98,     /* 2K   */
1687         95,     /* 4K   */
1688         90,     /* 8K   */
1689         80,     /* 16K  */
1690         70,     /* 32K  */
1691         60,     /* 64K  */
1692         50,     /* 128K */
1693         40,     /* 256K */
1694         30,     /* 512K */
1695         20,     /* 1M   */
1696         15,     /* 2M   */
1697         10,     /* 4M   */
1698         5,      /* 8M   */
1699         0       /* 16M  */
1700 };
1701
1702 /*
1703  * Calclate the metaslab's fragmentation metric. A return value
1704  * of ZFS_FRAG_INVALID means that the metaslab has not been upgraded and does
1705  * not support this metric. Otherwise, the return value should be in the
1706  * range [0, 100].
1707  */
1708 static void
1709 metaslab_set_fragmentation(metaslab_t *msp)
1710 {
1711         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
1712         uint64_t fragmentation = 0;
1713         uint64_t total = 0;
1714         boolean_t feature_enabled = spa_feature_is_enabled(spa,
1715             SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM);
1716
1717         if (!feature_enabled) {
1718                 msp->ms_fragmentation = ZFS_FRAG_INVALID;
1719                 return;
1720         }
1721
1722         /*
1723          * A null space map means that the entire metaslab is free
1724          * and thus is not fragmented.
1725          */
1726         if (msp->ms_sm == NULL) {
1727                 msp->ms_fragmentation = 0;
1728                 return;
1729         }
1730
1731         /*
1732          * If this metaslab's space map has not been upgraded, flag it
1733          * so that we upgrade next time we encounter it.
1734          */
1735         if (msp->ms_sm->sm_dbuf->db_size != sizeof (space_map_phys_t)) {
1736                 uint64_t txg = spa_syncing_txg(spa);
1737                 vdev_t *vd = msp->ms_group->mg_vd;
1738
1739                 /*
1740                  * If we've reached the final dirty txg, then we must
1741                  * be shutting down the pool. We don't want to dirty
1742                  * any data past this point so skip setting the condense
1743                  * flag. We can retry this action the next time the pool
1744                  * is imported.
1745                  */
1746                 if (spa_writeable(spa) && txg < spa_final_dirty_txg(spa)) {
1747                         msp->ms_condense_wanted = B_TRUE;
1748                         vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg + 1);
1749                         zfs_dbgmsg("txg %llu, requesting force condense: "
1750                             "ms_id %llu, vdev_id %llu", txg, msp->ms_id,
1751                             vd->vdev_id);
1752                 }
1753                 msp->ms_fragmentation = ZFS_FRAG_INVALID;
1754                 return;
1755         }
1756
1757         for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
1758                 uint64_t space = 0;
1759                 uint8_t shift = msp->ms_sm->sm_shift;
1760
1761                 int idx = MIN(shift - SPA_MINBLOCKSHIFT + i,
1762                     FRAGMENTATION_TABLE_SIZE - 1);
1763
1764                 if (msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i] == 0)
1765                         continue;
1766
1767                 space = msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i] << (i + shift);
1768                 total += space;
1769
1770                 ASSERT3U(idx, <, FRAGMENTATION_TABLE_SIZE);
1771                 fragmentation += space * zfs_frag_table[idx];
1772         }
1773
1774         if (total > 0)
1775                 fragmentation /= total;
1776         ASSERT3U(fragmentation, <=, 100);
1777
1778         msp->ms_fragmentation = fragmentation;
1779 }
1780
1781 /*
1782  * Compute a weight -- a selection preference value -- for the given metaslab.
1783  * This is based on the amount of free space, the level of fragmentation,
1784  * the LBA range, and whether the metaslab is loaded.
1785  */
1786 static uint64_t
1787 metaslab_space_weight(metaslab_t *msp)
1788 {
1789         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
1790         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
1791         uint64_t weight, space;
1792
1793         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1794         ASSERT(!vd->vdev_removing);
1795
1796         /*
1797          * The baseline weight is the metaslab's free space.
1798          */
1799         space = msp->ms_size - space_map_allocated(msp->ms_sm);
1800
1801         if (metaslab_fragmentation_factor_enabled &&
1802             msp->ms_fragmentation != ZFS_FRAG_INVALID) {
1803                 /*
1804                  * Use the fragmentation information to inversely scale
1805                  * down the baseline weight. We need to ensure that we
1806                  * don't exclude this metaslab completely when it's 100%
1807                  * fragmented. To avoid this we reduce the fragmented value
1808                  * by 1.
1809                  */
1810                 space = (space * (100 - (msp->ms_fragmentation - 1))) / 100;
1811
1812                 /*
1813                  * If space < SPA_MINBLOCKSIZE, then we will not allocate from
1814                  * this metaslab again. The fragmentation metric may have
1815                  * decreased the space to something smaller than
1816                  * SPA_MINBLOCKSIZE, so reset the space to SPA_MINBLOCKSIZE
1817                  * so that we can consume any remaining space.
1818                  */
1819                 if (space > 0 && space < SPA_MINBLOCKSIZE)
1820                         space = SPA_MINBLOCKSIZE;
1821         }
1822         weight = space;
1823
1824         /*
1825          * Modern disks have uniform bit density and constant angular velocity.
1826          * Therefore, the outer recording zones are faster (higher bandwidth)
1827          * than the inner zones by the ratio of outer to inner track diameter,
1828          * which is typically around 2:1.  We account for this by assigning
1829          * higher weight to lower metaslabs (multiplier ranging from 2x to 1x).
1830          * In effect, this means that we'll select the metaslab with the most
1831          * free bandwidth rather than simply the one with the most free space.
1832          */
1833         if (metaslab_lba_weighting_enabled) {
1834                 weight = 2 * weight - (msp->ms_id * weight) / vd->vdev_ms_count;
1835                 ASSERT(weight >= space && weight <= 2 * space);
1836         }
1837
1838         /*
1839          * If this metaslab is one we're actively using, adjust its
1840          * weight to make it preferable to any inactive metaslab so
1841          * we'll polish it off. If the fragmentation on this metaslab
1842          * has exceed our threshold, then don't mark it active.
1843          */
1844         if (msp->ms_loaded && msp->ms_fragmentation != ZFS_FRAG_INVALID &&
1845             msp->ms_fragmentation <= zfs_metaslab_fragmentation_threshold) {
1846                 weight |= (msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
1847         }
1848
1849         WEIGHT_SET_SPACEBASED(weight);
1850         return (weight);
1851 }
1852
1853 /*
1854  * Return the weight of the specified metaslab, according to the segment-based
1855  * weighting algorithm. The metaslab must be loaded. This function can
1856  * be called within a sync pass since it relies only on the metaslab's
1857  * range tree which is always accurate when the metaslab is loaded.
1858  */
1859 static uint64_t
1860 metaslab_weight_from_range_tree(metaslab_t *msp)
1861 {
1862         uint64_t weight = 0;
1863         uint32_t segments = 0;
1864
1865         ASSERT(msp->ms_loaded);
1866
1867         for (int i = RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE - 1; i >= SPA_MINBLOCKSHIFT;
1868             i--) {
1869                 uint8_t shift = msp->ms_group->mg_vd->vdev_ashift;
1870                 int max_idx = SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE + shift - 1;
1871
1872                 segments <<= 1;
1873                 segments += msp->ms_allocatable->rt_histogram[i];
1874
1875                 /*
1876                  * The range tree provides more precision than the space map
1877                  * and must be downgraded so that all values fit within the
1878                  * space map's histogram. This allows us to compare loaded
1879                  * vs. unloaded metaslabs to determine which metaslab is
1880                  * considered "best".
1881                  */
1882                 if (i > max_idx)
1883                         continue;
1884
1885                 if (segments != 0) {
1886                         WEIGHT_SET_COUNT(weight, segments);
1887                         WEIGHT_SET_INDEX(weight, i);
1888                         WEIGHT_SET_ACTIVE(weight, 0);
1889                         break;
1890                 }
1891         }
1892         return (weight);
1893 }
1894
1895 /*
1896  * Calculate the weight based on the on-disk histogram. This should only
1897  * be called after a sync pass has completely finished since the on-disk
1898  * information is updated in metaslab_sync().
1899  */
1900 static uint64_t
1901 metaslab_weight_from_spacemap(metaslab_t *msp)
1902 {
1903         uint64_t weight = 0;
1904
1905         for (int i = SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE - 1; i >= 0; i--) {
1906                 if (msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i] != 0) {
1907                         WEIGHT_SET_COUNT(weight,
1908                             msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i]);
1909                         WEIGHT_SET_INDEX(weight, i +
1910                             msp->ms_sm->sm_shift);
1911                         WEIGHT_SET_ACTIVE(weight, 0);
1912                         break;
1913                 }
1914         }
1915         return (weight);
1916 }
1917
1918 /*
1919  * Compute a segment-based weight for the specified metaslab. The weight
1920  * is determined by highest bucket in the histogram. The information
1921  * for the highest bucket is encoded into the weight value.
1922  */
1923 static uint64_t
1924 metaslab_segment_weight(metaslab_t *msp)
1925 {
1926         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
1927         uint64_t weight = 0;
1928         uint8_t shift = mg->mg_vd->vdev_ashift;
1929
1930         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1931
1932         /*
1933          * The metaslab is completely free.
1934          */
1935         if (space_map_allocated(msp->ms_sm) == 0) {
1936                 int idx = highbit64(msp->ms_size) - 1;
1937                 int max_idx = SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE + shift - 1;
1938
1939                 if (idx < max_idx) {
1940                         WEIGHT_SET_COUNT(weight, 1ULL);
1941                         WEIGHT_SET_INDEX(weight, idx);
1942                 } else {
1943                         WEIGHT_SET_COUNT(weight, 1ULL << (idx - max_idx));
1944                         WEIGHT_SET_INDEX(weight, max_idx);
1945                 }
1946                 WEIGHT_SET_ACTIVE(weight, 0);
1947                 ASSERT(!WEIGHT_IS_SPACEBASED(weight));
1948
1949                 return (weight);
1950         }
1951
1952         ASSERT3U(msp->ms_sm->sm_dbuf->db_size, ==, sizeof (space_map_phys_t));
1953
1954         /*
1955          * If the metaslab is fully allocated then just make the weight 0.
1956          */
1957         if (space_map_allocated(msp->ms_sm) == msp->ms_size)
1958                 return (0);
1959         /*
1960          * If the metaslab is already loaded, then use the range tree to
1961          * determine the weight. Otherwise, we rely on the space map information
1962          * to generate the weight.
1963          */
1964         if (msp->ms_loaded) {
1965                 weight = metaslab_weight_from_range_tree(msp);
1966         } else {
1967                 weight = metaslab_weight_from_spacemap(msp);
1968         }
1969
1970         /*
1971          * If the metaslab was active the last time we calculated its weight
1972          * then keep it active. We want to consume the entire region that
1973          * is associated with this weight.
1974          */
1975         if (msp->ms_activation_weight != 0 && weight != 0)
1976                 WEIGHT_SET_ACTIVE(weight, WEIGHT_GET_ACTIVE(msp->ms_weight));
1977         return (weight);
1978 }
1979
1980 /*
1981  * Determine if we should attempt to allocate from this metaslab. If the
1982  * metaslab has a maximum size then we can quickly determine if the desired
1983  * allocation size can be satisfied. Otherwise, if we're using segment-based
1984  * weighting then we can determine the maximum allocation that this metaslab
1985  * can accommodate based on the index encoded in the weight. If we're using
1986  * space-based weights then rely on the entire weight (excluding the weight
1987  * type bit).
1988  */
1989 boolean_t
1990 metaslab_should_allocate(metaslab_t *msp, uint64_t asize)
1991 {
1992         boolean_t should_allocate;
1993
1994         if (msp->ms_max_size != 0)
1995                 return (msp->ms_max_size >= asize);
1996
1997         if (!WEIGHT_IS_SPACEBASED(msp->ms_weight)) {
1998                 /*
1999                  * The metaslab segment weight indicates segments in the
2000                  * range [2^i, 2^(i+1)), where i is the index in the weight.
2001                  * Since the asize might be in the middle of the range, we
2002                  * should attempt the allocation if asize < 2^(i+1).
2003                  */
2004                 should_allocate = (asize <
2005                     1ULL << (WEIGHT_GET_INDEX(msp->ms_weight) + 1));
2006         } else {
2007                 should_allocate = (asize <=
2008                     (msp->ms_weight & ~METASLAB_WEIGHT_TYPE));
2009         }
2010         return (should_allocate);
2011 }
2012
2013 static uint64_t
2014 metaslab_weight(metaslab_t *msp)
2015 {
2016         vdev_t *vd = msp->ms_group->mg_vd;
2017         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
2018         uint64_t weight;
2019
2020         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2021
2022         /*
2023          * If this vdev is in the process of being removed, there is nothing
2024          * for us to do here.
2025          */
2026         if (vd->vdev_removing)
2027                 return (0);
2028
2029         metaslab_set_fragmentation(msp);
2030
2031         /*
2032          * Update the maximum size if the metaslab is loaded. This will
2033          * ensure that we get an accurate maximum size if newly freed space
2034          * has been added back into the free tree.
2035          */
2036         if (msp->ms_loaded)
2037                 msp->ms_max_size = metaslab_block_maxsize(msp);
2038
2039         /*
2040          * Segment-based weighting requires space map histogram support.
2041          */
2042         if (zfs_metaslab_segment_weight_enabled &&
2043             spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM) &&
2044             (msp->ms_sm == NULL || msp->ms_sm->sm_dbuf->db_size ==
2045             sizeof (space_map_phys_t))) {
2046                 weight = metaslab_segment_weight(msp);
2047         } else {
2048                 weight = metaslab_space_weight(msp);
2049         }
2050         return (weight);
2051 }
2052
2053 static int
2054 metaslab_activate_allocator(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp,
2055     int allocator, uint64_t activation_weight)
2056 {
2057         /*
2058          * If we're activating for the claim code, we don't want to actually
2059          * set the metaslab up for a specific allocator.
2060          */
2061         if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_CLAIM)
2062                 return (0);
2063         metaslab_t **arr = (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY ?
2064             mg->mg_primaries : mg->mg_secondaries);
2065
2066         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2067         mutex_enter(&mg->mg_lock);
2068         if (arr[allocator] != NULL) {
2069                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
2070                 return (EEXIST);
2071         }
2072
2073         arr[allocator] = msp;
2074         ASSERT3S(msp->ms_allocator, ==, -1);
2075         msp->ms_allocator = allocator;
2076         msp->ms_primary = (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY);
2077         mutex_exit(&mg->mg_lock);
2078
2079         return (0);
2080 }
2081
2082 static int
2083 metaslab_activate(metaslab_t *msp, int allocator, uint64_t activation_weight)
2084 {
2085         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2086
2087         if ((msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) == 0) {
2088                 int error = 0;
2089                 metaslab_load_wait(msp);
2090                 if (!msp->ms_loaded) {
2091                         if ((error = metaslab_load(msp)) != 0) {
2092                                 metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp, 0);
2093                                 return (error);
2094                         }
2095                 }
2096                 if ((msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) != 0) {
2097                         /*
2098                          * The metaslab was activated for another allocator
2099                          * while we were waiting, we should reselect.
2100                          */
2101                         return (EBUSY);
2102                 }
2103                 if ((error = metaslab_activate_allocator(msp->ms_group, msp,
2104                     allocator, activation_weight)) != 0) {
2105                         return (error);
2106                 }
2107
2108                 msp->ms_activation_weight = msp->ms_weight;
2109                 metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp,
2110                     msp->ms_weight | activation_weight);
2111         }
2112         ASSERT(msp->ms_loaded);
2113         ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
2114
2115         return (0);
2116 }
2117
2118 static void
2119 metaslab_passivate_allocator(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp,
2120     uint64_t weight)
2121 {
2122         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2123         if (msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_CLAIM) {
2124                 metaslab_group_sort(mg, msp, weight);
2125                 return;
2126         }
2127
2128         mutex_enter(&mg->mg_lock);
2129         ASSERT3P(msp->ms_group, ==, mg);
2130         if (msp->ms_primary) {
2131                 ASSERT3U(0, <=, msp->ms_allocator);
2132                 ASSERT3U(msp->ms_allocator, <, mg->mg_allocators);
2133                 ASSERT3P(mg->mg_primaries[msp->ms_allocator], ==, msp);
2134                 ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_PRIMARY);
2135                 mg->mg_primaries[msp->ms_allocator] = NULL;
2136         } else {
2137                 ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_SECONDARY);
2138                 ASSERT3P(mg->mg_secondaries[msp->ms_allocator], ==, msp);
2139                 mg->mg_secondaries[msp->ms_allocator] = NULL;
2140         }
2141         msp->ms_allocator = -1;
2142         metaslab_group_sort_impl(mg, msp, weight);
2143         mutex_exit(&mg->mg_lock);
2144 }
2145
2146 static void
2147 metaslab_passivate(metaslab_t *msp, uint64_t weight)
2148 {
2149         uint64_t size = weight & ~METASLAB_WEIGHT_TYPE;
2150
2151         /*
2152          * If size < SPA_MINBLOCKSIZE, then we will not allocate from
2153          * this metaslab again.  In that case, it had better be empty,
2154          * or we would be leaving space on the table.
2155          */
2156         ASSERT(size >= SPA_MINBLOCKSIZE ||
2157             range_tree_is_empty(msp->ms_allocatable));
2158         ASSERT0(weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
2159
2160         msp->ms_activation_weight = 0;
2161         metaslab_passivate_allocator(msp->ms_group, msp, weight);
2162         ASSERT((msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) == 0);
2163 }
2164
2165 /*
2166  * Segment-based metaslabs are activated once and remain active until
2167  * we either fail an allocation attempt (similar to space-based metaslabs)
2168  * or have exhausted the free space in zfs_metaslab_switch_threshold
2169  * buckets since the metaslab was activated. This function checks to see
2170  * if we've exhaused the zfs_metaslab_switch_threshold buckets in the
2171  * metaslab and passivates it proactively. This will allow us to select a
2172  * metaslabs with larger contiguous region if any remaining within this
2173  * metaslab group. If we're in sync pass > 1, then we continue using this
2174  * metaslab so that we don't dirty more block and cause more sync passes.
2175  */
2176 void
2177 metaslab_segment_may_passivate(metaslab_t *msp)
2178 {
2179         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
2180
2181         if (WEIGHT_IS_SPACEBASED(msp->ms_weight) || spa_sync_pass(spa) > 1)
2182                 return;
2183
2184         /*
2185          * Since we are in the middle of a sync pass, the most accurate
2186          * information that is accessible to us is the in-core range tree
2187          * histogram; calculate the new weight based on that information.
2188          */
2189         uint64_t weight = metaslab_weight_from_range_tree(msp);
2190         int activation_idx = WEIGHT_GET_INDEX(msp->ms_activation_weight);
2191         int current_idx = WEIGHT_GET_INDEX(weight);
2192
2193         if (current_idx <= activation_idx - zfs_metaslab_switch_threshold)
2194                 metaslab_passivate(msp, weight);
2195 }
2196
2197 static void
2198 metaslab_preload(void *arg)
2199 {
2200         metaslab_t *msp = arg;
2201         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
2202
2203         ASSERT(!MUTEX_HELD(&msp->ms_group->mg_lock));
2204
2205         mutex_enter(&msp->ms_lock);
2206         metaslab_load_wait(msp);
2207         if (!msp->ms_loaded)
2208                 (void) metaslab_load(msp);
2209         msp->ms_selected_txg = spa_syncing_txg(spa);
2210         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2211 }
2212
2213 static void
2214 metaslab_group_preload(metaslab_group_t *mg)
2215 {
2216         spa_t *spa = mg->mg_vd->vdev_spa;
2217         metaslab_t *msp;
2218         avl_tree_t *t = &mg->mg_metaslab_tree;
2219         int m = 0;
2220
2221         if (spa_shutting_down(spa) || !metaslab_preload_enabled) {
2222                 taskq_wait(mg->mg_taskq);
2223                 return;
2224         }
2225
2226         mutex_enter(&mg->mg_lock);
2227
2228         /*
2229          * Load the next potential metaslabs
2230          */
2231         for (msp = avl_first(t); msp != NULL; msp = AVL_NEXT(t, msp)) {
2232                 ASSERT3P(msp->ms_group, ==, mg);
2233
2234                 /*
2235                  * We preload only the maximum number of metaslabs specified
2236                  * by metaslab_preload_limit. If a metaslab is being forced
2237                  * to condense then we preload it too. This will ensure
2238                  * that force condensing happens in the next txg.
2239                  */
2240                 if (++m > metaslab_preload_limit && !msp->ms_condense_wanted) {
2241                         continue;
2242                 }
2243
2244                 VERIFY(taskq_dispatch(mg->mg_taskq, metaslab_preload,
2245                     msp, TQ_SLEEP) != 0);
2246         }
2247         mutex_exit(&mg->mg_lock);
2248 }
2249
2250 /*
2251  * Determine if the space map's on-disk footprint is past our tolerance
2252  * for inefficiency. We would like to use the following criteria to make
2253  * our decision:
2254  *
2255  * 1. The size of the space map object should not dramatically increase as a
2256  * result of writing out the free space range tree.
2257  *
2258  * 2. The minimal on-disk space map representation is zfs_condense_pct/100
2259  * times the size than the free space range tree representation
2260  * (i.e. zfs_condense_pct = 110 and in-core = 1MB, minimal = 1.1MB).
2261  *
2262  * 3. The on-disk size of the space map should actually decrease.
2263  *
2264  * Unfortunately, we cannot compute the on-disk size of the space map in this
2265  * context because we cannot accurately compute the effects of compression, etc.
2266  * Instead, we apply the heuristic described in the block comment for
2267  * zfs_metaslab_condense_block_threshold - we only condense if the space used
2268  * is greater than a threshold number of blocks.
2269  */
2270 static boolean_t
2271 metaslab_should_condense(metaslab_t *msp)
2272 {
2273         space_map_t *sm = msp->ms_sm;
2274         vdev_t *vd = msp->ms_group->mg_vd;
2275         uint64_t vdev_blocksize = 1 << vd->vdev_ashift;
2276         uint64_t current_txg = spa_syncing_txg(vd->vdev_spa);
2277
2278         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2279         ASSERT(msp->ms_loaded);
2280
2281         /*
2282          * Allocations and frees in early passes are generally more space
2283          * efficient (in terms of blocks described in space map entries)
2284          * than the ones in later passes (e.g. we don't compress after
2285          * sync pass 5) and condensing a metaslab multiple times in a txg
2286          * could degrade performance.
2287          *
2288          * Thus we prefer condensing each metaslab at most once every txg at
2289          * the earliest sync pass possible. If a metaslab is eligible for
2290          * condensing again after being considered for condensing within the
2291          * same txg, it will hopefully be dirty in the next txg where it will
2292          * be condensed at an earlier pass.
2293          */
2294         if (msp->ms_condense_checked_txg == current_txg)
2295                 return (B_FALSE);
2296         msp->ms_condense_checked_txg = current_txg;
2297
2298         /*
2299          * We always condense metaslabs that are empty and metaslabs for
2300          * which a condense request has been made.
2301          */
2302         if (avl_is_empty(&msp->ms_allocatable_by_size) ||
2303             msp->ms_condense_wanted)
2304                 return (B_TRUE);
2305
2306         uint64_t object_size = space_map_length(msp->ms_sm);
2307         uint64_t optimal_size = space_map_estimate_optimal_size(sm,
2308             msp->ms_allocatable, SM_NO_VDEVID);
2309
2310         dmu_object_info_t doi;
2311         dmu_object_info_from_db(sm->sm_dbuf, &doi);
2312         uint64_t record_size = MAX(doi.doi_data_block_size, vdev_blocksize);
2313
2314         return (object_size >= (optimal_size * zfs_condense_pct / 100) &&
2315             object_size > zfs_metaslab_condense_block_threshold * record_size);
2316 }
2317
2318 /*
2319  * Condense the on-disk space map representation to its minimized form.
2320  * The minimized form consists of a small number of allocations followed by
2321  * the entries of the free range tree.
2322  */
2323 static void
2324 metaslab_condense(metaslab_t *msp, uint64_t txg, dmu_tx_t *tx)
2325 {
2326         range_tree_t *condense_tree;
2327         space_map_t *sm = msp->ms_sm;
2328
2329         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2330         ASSERT(msp->ms_loaded);
2331
2332         zfs_dbgmsg("condensing: txg %llu, msp[%llu] %p, vdev id %llu, "
2333             "spa %s, smp size %llu, segments %lu, forcing condense=%s", txg,
2334             msp->ms_id, msp, msp->ms_group->mg_vd->vdev_id,
2335             msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa->spa_name,
2336             space_map_length(msp->ms_sm),
2337             avl_numnodes(&msp->ms_allocatable->rt_root),
2338             msp->ms_condense_wanted ? "TRUE" : "FALSE");
2339
2340         msp->ms_condense_wanted = B_FALSE;
2341
2342         /*
2343          * Create an range tree that is 100% allocated. We remove segments
2344          * that have been freed in this txg, any deferred frees that exist,
2345          * and any allocation in the future. Removing segments should be
2346          * a relatively inexpensive operation since we expect these trees to
2347          * have a small number of nodes.
2348          */
2349         condense_tree = range_tree_create(NULL, NULL);
2350         range_tree_add(condense_tree, msp->ms_start, msp->ms_size);
2351
2352         range_tree_walk(msp->ms_freeing, range_tree_remove, condense_tree);
2353         range_tree_walk(msp->ms_freed, range_tree_remove, condense_tree);
2354
2355         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
2356                 range_tree_walk(msp->ms_defer[t],
2357                     range_tree_remove, condense_tree);
2358         }
2359
2360         for (int t = 1; t < TXG_CONCURRENT_STATES; t++) {
2361                 range_tree_walk(msp->ms_allocating[(txg + t) & TXG_MASK],
2362                     range_tree_remove, condense_tree);
2363         }
2364
2365         /*
2366          * We're about to drop the metaslab's lock thus allowing
2367          * other consumers to change it's content. Set the
2368          * metaslab's ms_condensing flag to ensure that
2369          * allocations on this metaslab do not occur while we're
2370          * in the middle of committing it to disk. This is only critical
2371          * for ms_allocatable as all other range trees use per txg
2372          * views of their content.
2373          */
2374         msp->ms_condensing = B_TRUE;
2375
2376         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2377         space_map_truncate(sm, zfs_metaslab_sm_blksz, tx);
2378
2379         /*
2380          * While we would ideally like to create a space map representation
2381          * that consists only of allocation records, doing so can be
2382          * prohibitively expensive because the in-core free tree can be
2383          * large, and therefore computationally expensive to subtract
2384          * from the condense_tree. Instead we sync out two trees, a cheap
2385          * allocation only tree followed by the in-core free tree. While not
2386          * optimal, this is typically close to optimal, and much cheaper to
2387          * compute.
2388          */
2389         space_map_write(sm, condense_tree, SM_ALLOC, SM_NO_VDEVID, tx);
2390         range_tree_vacate(condense_tree, NULL, NULL);
2391         range_tree_destroy(condense_tree);
2392
2393         space_map_write(sm, msp->ms_allocatable, SM_FREE, SM_NO_VDEVID, tx);
2394         mutex_enter(&msp->ms_lock);
2395         msp->ms_condensing = B_FALSE;
2396 }
2397
2398 /*
2399  * Write a metaslab to disk in the context of the specified transaction group.
2400  */
2401 void
2402 metaslab_sync(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
2403 {
2404         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
2405         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
2406         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
2407         objset_t *mos = spa_meta_objset(spa);
2408         range_tree_t *alloctree = msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK];
2409         dmu_tx_t *tx;
2410         uint64_t object = space_map_object(msp->ms_sm);
2411
2412         ASSERT(!vd->vdev_ishole);
2413
2414         /*
2415          * This metaslab has just been added so there's no work to do now.
2416          */
2417         if (msp->ms_freeing == NULL) {
2418                 ASSERT3P(alloctree, ==, NULL);
2419                 return;
2420         }
2421
2422         ASSERT3P(alloctree, !=, NULL);
2423         ASSERT3P(msp->ms_freeing, !=, NULL);
2424         ASSERT3P(msp->ms_freed, !=, NULL);
2425         ASSERT3P(msp->ms_checkpointing, !=, NULL);
2426
2427         /*
2428          * Normally, we don't want to process a metaslab if there are no
2429          * allocations or frees to perform. However, if the metaslab is being
2430          * forced to condense and it's loaded, we need to let it through.
2431          */
2432         if (range_tree_is_empty(alloctree) &&
2433             range_tree_is_empty(msp->ms_freeing) &&
2434             range_tree_is_empty(msp->ms_checkpointing) &&
2435             !(msp->ms_loaded && msp->ms_condense_wanted))
2436                 return;
2437
2438
2439         VERIFY(txg <= spa_final_dirty_txg(spa));
2440
2441         /*
2442          * The only state that can actually be changing concurrently with
2443          * metaslab_sync() is the metaslab's ms_allocatable.  No other
2444          * thread can be modifying this txg's alloc, freeing,
2445          * freed, or space_map_phys_t.  We drop ms_lock whenever we
2446          * could call into the DMU, because the DMU can call down to us
2447          * (e.g. via zio_free()) at any time.
2448          *
2449          * The spa_vdev_remove_thread() can be reading metaslab state
2450          * concurrently, and it is locked out by the ms_sync_lock.  Note
2451          * that the ms_lock is insufficient for this, because it is dropped
2452          * by space_map_write().
2453          */
2454         tx = dmu_tx_create_assigned(spa_get_dsl(spa), txg);
2455
2456         if (msp->ms_sm == NULL) {
2457                 uint64_t new_object;
2458
2459                 new_object = space_map_alloc(mos, zfs_metaslab_sm_blksz, tx);
2460                 VERIFY3U(new_object, !=, 0);
2461
2462                 VERIFY0(space_map_open(&msp->ms_sm, mos, new_object,
2463                     msp->ms_start, msp->ms_size, vd->vdev_ashift));
2464                 ASSERT(msp->ms_sm != NULL);
2465         }
2466
2467         if (!range_tree_is_empty(msp->ms_checkpointing) &&
2468             vd->vdev_checkpoint_sm == NULL) {
2469                 ASSERT(spa_has_checkpoint(spa));
2470
2471                 uint64_t new_object = space_map_alloc(mos,
2472                     vdev_standard_sm_blksz, tx);
2473                 VERIFY3U(new_object, !=, 0);
2474
2475                 VERIFY0(space_map_open(&vd->vdev_checkpoint_sm,
2476                     mos, new_object, 0, vd->vdev_asize, vd->vdev_ashift));
2477                 ASSERT3P(vd->vdev_checkpoint_sm, !=, NULL);
2478
2479                 /*
2480                  * We save the space map object as an entry in vdev_top_zap
2481                  * so it can be retrieved when the pool is reopened after an
2482                  * export or through zdb.
2483                  */
2484                 VERIFY0(zap_add(vd->vdev_spa->spa_meta_objset,
2485                     vd->vdev_top_zap, VDEV_TOP_ZAP_POOL_CHECKPOINT_SM,
2486                     sizeof (new_object), 1, &new_object, tx));
2487         }
2488
2489         mutex_enter(&msp->ms_sync_lock);
2490         mutex_enter(&msp->ms_lock);
2491
2492         /*
2493          * Note: metaslab_condense() clears the space map's histogram.
2494          * Therefore we must verify and remove this histogram before
2495          * condensing.
2496          */
2497         metaslab_group_histogram_verify(mg);
2498         metaslab_class_histogram_verify(mg->mg_class);
2499         metaslab_group_histogram_remove(mg, msp);
2500
2501         if (msp->ms_loaded && metaslab_should_condense(msp)) {
2502                 metaslab_condense(msp, txg, tx);
2503         } else {
2504                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
2505                 space_map_write(msp->ms_sm, alloctree, SM_ALLOC,
2506                     SM_NO_VDEVID, tx);
2507                 space_map_write(msp->ms_sm, msp->ms_freeing, SM_FREE,
2508                     SM_NO_VDEVID, tx);
2509                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
2510         }
2511
2512         if (!range_tree_is_empty(msp->ms_checkpointing)) {
2513                 ASSERT(spa_has_checkpoint(spa));
2514                 ASSERT3P(vd->vdev_checkpoint_sm, !=, NULL);
2515
2516                 /*
2517                  * Since we are doing writes to disk and the ms_checkpointing
2518                  * tree won't be changing during that time, we drop the
2519                  * ms_lock while writing to the checkpoint space map.
2520                  */
2521                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
2522                 space_map_write(vd->vdev_checkpoint_sm,
2523                     msp->ms_checkpointing, SM_FREE, SM_NO_VDEVID, tx);
2524                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
2525                 space_map_update(vd->vdev_checkpoint_sm);
2526
2527                 spa->spa_checkpoint_info.sci_dspace +=
2528                     range_tree_space(msp->ms_checkpointing);
2529                 vd->vdev_stat.vs_checkpoint_space +=
2530                     range_tree_space(msp->ms_checkpointing);
2531                 ASSERT3U(vd->vdev_stat.vs_checkpoint_space, ==,
2532                     -vd->vdev_checkpoint_sm->sm_alloc);
2533
2534                 range_tree_vacate(msp->ms_checkpointing, NULL, NULL);
2535         }
2536
2537         if (msp->ms_loaded) {
2538                 /*
2539                  * When the space map is loaded, we have an accurate
2540                  * histogram in the range tree. This gives us an opportunity
2541                  * to bring the space map's histogram up-to-date so we clear
2542                  * it first before updating it.
2543                  */
2544                 space_map_histogram_clear(msp->ms_sm);
2545                 space_map_histogram_add(msp->ms_sm, msp->ms_allocatable, tx);
2546
2547                 /*
2548                  * Since we've cleared the histogram we need to add back
2549                  * any free space that has already been processed, plus
2550                  * any deferred space. This allows the on-disk histogram
2551                  * to accurately reflect all free space even if some space
2552                  * is not yet available for allocation (i.e. deferred).
2553                  */
2554                 space_map_histogram_add(msp->ms_sm, msp->ms_freed, tx);
2555
2556                 /*
2557                  * Add back any deferred free space that has not been
2558                  * added back into the in-core free tree yet. This will
2559                  * ensure that we don't end up with a space map histogram
2560                  * that is completely empty unless the metaslab is fully
2561                  * allocated.
2562                  */
2563                 for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
2564                         space_map_histogram_add(msp->ms_sm,
2565                             msp->ms_defer[t], tx);
2566                 }
2567         }
2568
2569         /*
2570          * Always add the free space from this sync pass to the space
2571          * map histogram. We want to make sure that the on-disk histogram
2572          * accounts for all free space. If the space map is not loaded,
2573          * then we will lose some accuracy but will correct it the next
2574          * time we load the space map.
2575          */
2576         space_map_histogram_add(msp->ms_sm, msp->ms_freeing, tx);
2577
2578         metaslab_group_histogram_add(mg, msp);
2579         metaslab_group_histogram_verify(mg);
2580         metaslab_class_histogram_verify(mg->mg_class);
2581
2582         /*
2583          * For sync pass 1, we avoid traversing this txg's free range tree
2584          * and instead will just swap the pointers for freeing and
2585          * freed. We can safely do this since the freed_tree is
2586          * guaranteed to be empty on the initial pass.
2587          */
2588         if (spa_sync_pass(spa) == 1) {
2589                 range_tree_swap(&msp->ms_freeing, &msp->ms_freed);
2590         } else {
2591                 range_tree_vacate(msp->ms_freeing,
2592                     range_tree_add, msp->ms_freed);
2593         }
2594         range_tree_vacate(alloctree, NULL, NULL);
2595
2596         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK]));
2597         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_allocating[TXG_CLEAN(txg)
2598             & TXG_MASK]));
2599         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freeing));
2600         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_checkpointing));
2601
2602         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2603
2604         if (object != space_map_object(msp->ms_sm)) {
2605                 object = space_map_object(msp->ms_sm);
2606                 dmu_write(mos, vd->vdev_ms_array, sizeof (uint64_t) *
2607                     msp->ms_id, sizeof (uint64_t), &object, tx);
2608         }
2609         mutex_exit(&msp->ms_sync_lock);
2610         dmu_tx_commit(tx);
2611 }
2612
2613 /*
2614  * Called after a transaction group has completely synced to mark
2615  * all of the metaslab's free space as usable.
2616  */
2617 void
2618 metaslab_sync_done(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
2619 {
2620         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
2621         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
2622         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
2623         range_tree_t **defer_tree;
2624         int64_t alloc_delta, defer_delta;
2625         boolean_t defer_allowed = B_TRUE;
2626
2627         ASSERT(!vd->vdev_ishole);
2628
2629         mutex_enter(&msp->ms_lock);
2630
2631         /*
2632          * If this metaslab is just becoming available, initialize its
2633          * range trees and add its capacity to the vdev.
2634          */
2635         if (msp->ms_freed == NULL) {
2636                 for (int t = 0; t < TXG_SIZE; t++) {
2637                         ASSERT(msp->ms_allocating[t] == NULL);
2638
2639                         msp->ms_allocating[t] = range_tree_create(NULL, NULL);
2640                 }
2641
2642                 ASSERT3P(msp->ms_freeing, ==, NULL);
2643                 msp->ms_freeing = range_tree_create(NULL, NULL);
2644
2645                 ASSERT3P(msp->ms_freed, ==, NULL);
2646                 msp->ms_freed = range_tree_create(NULL, NULL);
2647
2648                 for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
2649                         ASSERT(msp->ms_defer[t] == NULL);
2650
2651                         msp->ms_defer[t] = range_tree_create(NULL, NULL);
2652                 }
2653
2654                 ASSERT3P(msp->ms_checkpointing, ==, NULL);
2655                 msp->ms_checkpointing = range_tree_create(NULL, NULL);
2656
2657                 vdev_space_update(vd, 0, 0, msp->ms_size);
2658         }
2659         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freeing));
2660         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_checkpointing));
2661
2662         defer_tree = &msp->ms_defer[txg % TXG_DEFER_SIZE];
2663
2664         uint64_t free_space = metaslab_class_get_space(spa_normal_class(spa)) -
2665             metaslab_class_get_alloc(spa_normal_class(spa));
2666         if (free_space <= spa_get_slop_space(spa) || vd->vdev_removing) {
2667                 defer_allowed = B_FALSE;
2668         }
2669
2670         defer_delta = 0;
2671         alloc_delta = space_map_alloc_delta(msp->ms_sm);
2672         if (defer_allowed) {
2673                 defer_delta = range_tree_space(msp->ms_freed) -
2674                     range_tree_space(*defer_tree);
2675         } else {
2676                 defer_delta -= range_tree_space(*defer_tree);
2677         }
2678
2679         vdev_space_update(vd, alloc_delta + defer_delta, defer_delta, 0);
2680
2681         /*
2682          * If there's a metaslab_load() in progress, wait for it to complete
2683          * so that we have a consistent view of the in-core space map.
2684          */
2685         metaslab_load_wait(msp);
2686
2687         /*
2688          * Move the frees from the defer_tree back to the free
2689          * range tree (if it's loaded). Swap the freed_tree and
2690          * the defer_tree -- this is safe to do because we've
2691          * just emptied out the defer_tree.
2692          */
2693         range_tree_vacate(*defer_tree,
2694             msp->ms_loaded ? range_tree_add : NULL, msp->ms_allocatable);
2695         if (defer_allowed) {
2696                 range_tree_swap(&msp->ms_freed, defer_tree);
2697         } else {
2698                 range_tree_vacate(msp->ms_freed,
2699                     msp->ms_loaded ? range_tree_add : NULL,
2700                     msp->ms_allocatable);
2701         }
2702         space_map_update(msp->ms_sm);
2703
2704         msp->ms_deferspace += defer_delta;
2705         ASSERT3S(msp->ms_deferspace, >=, 0);
2706         ASSERT3S(msp->ms_deferspace, <=, msp->ms_size);
2707         if (msp->ms_deferspace != 0) {
2708                 /*
2709                  * Keep syncing this metaslab until all deferred frees
2710                  * are back in circulation.
2711                  */
2712                 vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg + 1);
2713         }
2714
2715         if (msp->ms_new) {
2716                 msp->ms_new = B_FALSE;
2717                 mutex_enter(&mg->mg_lock);
2718                 mg->mg_ms_ready++;
2719                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
2720         }
2721         /*
2722          * Calculate the new weights before unloading any metaslabs.
2723          * This will give us the most accurate weighting.
2724          */
2725         metaslab_group_sort(mg, msp, metaslab_weight(msp) |
2726             (msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK));
2727
2728         /*
2729          * If the metaslab is loaded and we've not tried to load or allocate
2730          * from it in 'metaslab_unload_delay' txgs, then unload it.
2731          */
2732         if (msp->ms_loaded &&
2733             msp->ms_initializing == 0 &&
2734             msp->ms_selected_txg + metaslab_unload_delay < txg) {
2735                 for (int t = 1; t < TXG_CONCURRENT_STATES; t++) {
2736                         VERIFY0(range_tree_space(
2737                             msp->ms_allocating[(txg + t) & TXG_MASK]));
2738                 }
2739                 if (msp->ms_allocator != -1) {
2740                         metaslab_passivate(msp, msp->ms_weight &
2741                             ~METASLAB_ACTIVE_MASK);
2742                 }
2743
2744                 if (!metaslab_debug_unload)
2745                         metaslab_unload(msp);
2746         }
2747
2748         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK]));
2749         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freeing));
2750         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freed));
2751         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_checkpointing));
2752
2753         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2754 }
2755
2756 void
2757 metaslab_sync_reassess(metaslab_group_t *mg)
2758 {
2759         spa_t *spa = mg->mg_class->mc_spa;
2760
2761         spa_config_enter(spa, SCL_ALLOC, FTAG, RW_READER);
2762         metaslab_group_alloc_update(mg);
2763         mg->mg_fragmentation = metaslab_group_fragmentation(mg);
2764
2765         /*
2766          * Preload the next potential metaslabs but only on active
2767          * metaslab groups. We can get into a state where the metaslab
2768          * is no longer active since we dirty metaslabs as we remove a
2769          * a device, thus potentially making the metaslab group eligible
2770          * for preloading.
2771          */
2772         if (mg->mg_activation_count > 0) {
2773                 metaslab_group_preload(mg);
2774         }
2775         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
2776 }
2777
2778 static uint64_t
2779 metaslab_distance(metaslab_t *msp, dva_t *dva)
2780 {
2781         uint64_t ms_shift = msp->ms_group->mg_vd->vdev_ms_shift;
2782         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva) >> ms_shift;
2783         uint64_t start = msp->ms_id;
2784
2785         if (msp->ms_group->mg_vd->vdev_id != DVA_GET_VDEV(dva))
2786                 return (1ULL << 63);
2787
2788         if (offset < start)
2789                 return ((start - offset) << ms_shift);
2790         if (offset > start)
2791                 return ((offset - start) << ms_shift);
2792         return (0);
2793 }
2794
2795 /*
2796  * ==========================================================================
2797  * Metaslab allocation tracing facility
2798  * ==========================================================================
2799  */
2800 kstat_t *metaslab_trace_ksp;
2801 kstat_named_t metaslab_trace_over_limit;
2802
2803 void
2804 metaslab_alloc_trace_init(void)
2805 {
2806         ASSERT(metaslab_alloc_trace_cache == NULL);
2807         metaslab_alloc_trace_cache = kmem_cache_create(
2808             "metaslab_alloc_trace_cache", sizeof (metaslab_alloc_trace_t),
2809             0, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, 0);
2810         metaslab_trace_ksp = kstat_create("zfs", 0, "metaslab_trace_stats",
2811             "misc", KSTAT_TYPE_NAMED, 1, KSTAT_FLAG_VIRTUAL);
2812         if (metaslab_trace_ksp != NULL) {
2813                 metaslab_trace_ksp->ks_data = &metaslab_trace_over_limit;
2814                 kstat_named_init(&metaslab_trace_over_limit,
2815                     "metaslab_trace_over_limit", KSTAT_DATA_UINT64);
2816                 kstat_install(metaslab_trace_ksp);
2817         }
2818 }
2819
2820 void
2821 metaslab_alloc_trace_fini(void)
2822 {
2823         if (metaslab_trace_ksp != NULL) {
2824                 kstat_delete(metaslab_trace_ksp);
2825                 metaslab_trace_ksp = NULL;
2826         }
2827         kmem_cache_destroy(metaslab_alloc_trace_cache);
2828         metaslab_alloc_trace_cache = NULL;
2829 }
2830
2831 /*
2832  * Add an allocation trace element to the allocation tracing list.
2833  */
2834 static void
2835 metaslab_trace_add(zio_alloc_list_t *zal, metaslab_group_t *mg,
2836     metaslab_t *msp, uint64_t psize, uint32_t dva_id, uint64_t offset,
2837     int allocator)
2838 {
2839         if (!metaslab_trace_enabled)
2840                 return;
2841
2842         /*
2843          * When the tracing list reaches its maximum we remove
2844          * the second element in the list before adding a new one.
2845          * By removing the second element we preserve the original
2846          * entry as a clue to what allocations steps have already been
2847          * performed.
2848          */
2849         if (zal->zal_size == metaslab_trace_max_entries) {
2850                 metaslab_alloc_trace_t *mat_next;
2851 #ifdef DEBUG
2852                 panic("too many entries in allocation list");
2853 #endif
2854                 atomic_inc_64(&metaslab_trace_over_limit.value.ui64);
2855                 zal->zal_size--;
2856                 mat_next = list_next(&zal->zal_list, list_head(&zal->zal_list));
2857                 list_remove(&zal->zal_list, mat_next);
2858                 kmem_cache_free(metaslab_alloc_trace_cache, mat_next);
2859         }
2860
2861         metaslab_alloc_trace_t *mat =
2862             kmem_cache_alloc(metaslab_alloc_trace_cache, KM_SLEEP);
2863         list_link_init(&mat->mat_list_node);
2864         mat->mat_mg = mg;
2865         mat->mat_msp = msp;
2866         mat->mat_size = psize;
2867         mat->mat_dva_id = dva_id;
2868         mat->mat_offset = offset;
2869         mat->mat_weight = 0;
2870         mat->mat_allocator = allocator;
2871
2872         if (msp != NULL)
2873                 mat->mat_weight = msp->ms_weight;
2874
2875         /*
2876          * The list is part of the zio so locking is not required. Only
2877          * a single thread will perform allocations for a given zio.
2878          */
2879         list_insert_tail(&zal->zal_list, mat);
2880         zal->zal_size++;
2881
2882         ASSERT3U(zal->zal_size, <=, metaslab_trace_max_entries);
2883 }
2884
2885 void
2886 metaslab_trace_init(zio_alloc_list_t *zal)
2887 {
2888         list_create(&zal->zal_list, sizeof (metaslab_alloc_trace_t),
2889             offsetof(metaslab_alloc_trace_t, mat_list_node));
2890         zal->zal_size = 0;
2891 }
2892
2893 void
2894 metaslab_trace_fini(zio_alloc_list_t *zal)
2895 {
2896         metaslab_alloc_trace_t *mat;
2897
2898         while ((mat = list_remove_head(&zal->zal_list)) != NULL)
2899                 kmem_cache_free(metaslab_alloc_trace_cache, mat);
2900         list_destroy(&zal->zal_list);
2901         zal->zal_size = 0;
2902 }
2903
2904 /*
2905  * ==========================================================================
2906  * Metaslab block operations
2907  * ==========================================================================
2908  */
2909
2910 static void
2911 metaslab_group_alloc_increment(spa_t *spa, uint64_t vdev, void *tag, int flags,
2912     int allocator)
2913 {
2914         if (!(flags & METASLAB_ASYNC_ALLOC) ||
2915             (flags & METASLAB_DONT_THROTTLE))
2916                 return;
2917
2918         metaslab_group_t *mg = vdev_lookup_top(spa, vdev)->vdev_mg;
2919         if (!mg->mg_class->mc_alloc_throttle_enabled)
2920                 return;
2921
2922         (void) refcount_add(&mg->mg_alloc_queue_depth[allocator], tag);
2923 }
2924
2925 static void
2926 metaslab_group_increment_qdepth(metaslab_group_t *mg, int allocator)
2927 {
2928         uint64_t max = mg->mg_max_alloc_queue_depth;
2929         uint64_t cur = mg->mg_cur_max_alloc_queue_depth[allocator];
2930         while (cur < max) {
2931                 if (atomic_cas_64(&mg->mg_cur_max_alloc_queue_depth[allocator],
2932                     cur, cur + 1) == cur) {
2933                         atomic_inc_64(
2934                             &mg->mg_class->mc_alloc_max_slots[allocator]);
2935                         return;
2936                 }
2937                 cur = mg->mg_cur_max_alloc_queue_depth[allocator];
2938         }
2939 }
2940
2941 void
2942 metaslab_group_alloc_decrement(spa_t *spa, uint64_t vdev, void *tag, int flags,
2943     int allocator, boolean_t io_complete)
2944 {
2945         if (!(flags & METASLAB_ASYNC_ALLOC) ||
2946             (flags & METASLAB_DONT_THROTTLE))
2947                 return;
2948
2949         metaslab_group_t *mg = vdev_lookup_top(spa, vdev)->vdev_mg;
2950         if (!mg->mg_class->mc_alloc_throttle_enabled)
2951                 return;
2952
2953         (void) refcount_remove(&mg->mg_alloc_queue_depth[allocator], tag);
2954         if (io_complete)
2955                 metaslab_group_increment_qdepth(mg, allocator);
2956 }
2957
2958 void
2959 metaslab_group_alloc_verify(spa_t *spa, const blkptr_t *bp, void *tag,
2960     int allocator)
2961 {
2962 #ifdef ZFS_DEBUG
2963         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
2964         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
2965
2966         for (int d = 0; d < ndvas; d++) {
2967                 uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(&dva[d]);
2968                 metaslab_group_t *mg = vdev_lookup_top(spa, vdev)->vdev_mg;
2969                 VERIFY(refcount_not_held(&mg->mg_alloc_queue_depth[allocator],
2970                     tag));
2971         }
2972 #endif
2973 }
2974
2975 static uint64_t
2976 metaslab_block_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size, uint64_t txg)
2977 {
2978         uint64_t start;
2979         range_tree_t *rt = msp->ms_allocatable;
2980         metaslab_class_t *mc = msp->ms_group->mg_class;
2981
2982         VERIFY(!msp->ms_condensing);
2983         VERIFY0(msp->ms_initializing);
2984
2985         start = mc->mc_ops->msop_alloc(msp, size);
2986         if (start != -1ULL) {
2987                 metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
2988                 vdev_t *vd = mg->mg_vd;
2989
2990                 VERIFY0(P2PHASE(start, 1ULL << vd->vdev_ashift));
2991                 VERIFY0(P2PHASE(size, 1ULL << vd->vdev_ashift));
2992                 VERIFY3U(range_tree_space(rt) - size, <=, msp->ms_size);
2993                 range_tree_remove(rt, start, size);
2994
2995                 if (range_tree_is_empty(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK]))
2996                         vdev_dirty(mg->mg_vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
2997
2998                 range_tree_add(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK], start, size);
2999
3000                 /* Track the last successful allocation */
3001                 msp->ms_alloc_txg = txg;
3002                 metaslab_verify_space(msp, txg);
3003         }
3004
3005         /*
3006          * Now that we've attempted the allocation we need to update the
3007          * metaslab's maximum block size since it may have changed.
3008          */
3009         msp->ms_max_size = metaslab_block_maxsize(msp);
3010         return (start);
3011 }
3012
3013 /*
3014  * Find the metaslab with the highest weight that is less than what we've
3015  * already tried.  In the common case, this means that we will examine each
3016  * metaslab at most once. Note that concurrent callers could reorder metaslabs
3017  * by activation/passivation once we have dropped the mg_lock. If a metaslab is
3018  * activated by another thread, and we fail to allocate from the metaslab we
3019  * have selected, we may not try the newly-activated metaslab, and instead
3020  * activate another metaslab.  This is not optimal, but generally does not cause
3021  * any problems (a possible exception being if every metaslab is completely full
3022  * except for the the newly-activated metaslab which we fail to examine).
3023  */
3024 static metaslab_t *
3025 find_valid_metaslab(metaslab_group_t *mg, uint64_t activation_weight,
3026     dva_t *dva, int d, uint64_t min_distance, uint64_t asize, int allocator,
3027     zio_alloc_list_t *zal, metaslab_t *search, boolean_t *was_active)
3028 {
3029         avl_index_t idx;
3030         avl_tree_t *t = &mg->mg_metaslab_tree;
3031         metaslab_t *msp = avl_find(t, search, &idx);
3032         if (msp == NULL)
3033                 msp = avl_nearest(t, idx, AVL_AFTER);
3034
3035         for (; msp != NULL; msp = AVL_NEXT(t, msp)) {
3036                 int i;
3037                 if (!metaslab_should_allocate(msp, asize)) {
3038                         metaslab_trace_add(zal, mg, msp, asize, d,
3039                             TRACE_TOO_SMALL, allocator);
3040                         continue;
3041                 }
3042
3043                 /*
3044                          * If the selected metaslab is condensing or being
3045                          * initialized, skip it.
3046                  */
3047                         if (msp->ms_condensing || msp->ms_initializing > 0)
3048                         continue;
3049
3050                 *was_active = msp->ms_allocator != -1;
3051                 /*
3052                  * If we're activating as primary, this is our first allocation
3053                  * from this disk, so we don't need to check how close we are.
3054                  * If the metaslab under consideration was already active,
3055                  * we're getting desperate enough to steal another allocator's
3056                  * metaslab, so we still don't care about distances.
3057                  */
3058                 if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY || *was_active)
3059                         break;
3060
3061                 uint64_t target_distance = min_distance
3062                     + (space_map_allocated(msp->ms_sm) != 0 ? 0 :
3063                     min_distance >> 1);
3064
3065                 for (i = 0; i < d; i++) {
3066                         if (metaslab_distance(msp, &dva[i]) < target_distance)
3067                                 break;
3068                 }
3069                 if (i == d)
3070                         break;
3071         }
3072
3073         if (msp != NULL) {
3074                 search->ms_weight = msp->ms_weight;
3075                 search->ms_start = msp->ms_start + 1;
3076                 search->ms_allocator = msp->ms_allocator;
3077                 search->ms_primary = msp->ms_primary;
3078         }
3079         return (msp);
3080 }
3081
3082 /* ARGSUSED */
3083 static uint64_t
3084 metaslab_group_alloc_normal(metaslab_group_t *mg, zio_alloc_list_t *zal,
3085     uint64_t asize, uint64_t txg, uint64_t min_distance, dva_t *dva, int d,
3086     int allocator)
3087 {
3088         metaslab_t *msp = NULL;
3089         uint64_t offset = -1ULL;
3090         uint64_t activation_weight;
3091
3092         activation_weight = METASLAB_WEIGHT_PRIMARY;
3093         for (int i = 0; i < d; i++) {
3094                 if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY &&
3095                     DVA_GET_VDEV(&dva[i]) == mg->mg_vd->vdev_id) {
3096                         activation_weight = METASLAB_WEIGHT_SECONDARY;
3097                 } else if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_SECONDARY &&
3098                     DVA_GET_VDEV(&dva[i]) == mg->mg_vd->vdev_id) {
3099                         activation_weight = METASLAB_WEIGHT_CLAIM;
3100                         break;
3101                 }
3102         }
3103
3104         /*
3105          * If we don't have enough metaslabs active to fill the entire array, we
3106          * just use the 0th slot.
3107          */
3108         if (mg->mg_ms_ready < mg->mg_allocators * 3)
3109                 allocator = 0;
3110
3111         ASSERT3U(mg->mg_vd->vdev_ms_count, >=, 2);
3112
3113         metaslab_t *search = kmem_alloc(sizeof (*search), KM_SLEEP);
3114         search->ms_weight = UINT64_MAX;
3115         search->ms_start = 0;
3116         /*
3117          * At the end of the metaslab tree are the already-active metaslabs,
3118          * first the primaries, then the secondaries. When we resume searching
3119          * through the tree, we need to consider ms_allocator and ms_primary so
3120          * we start in the location right after where we left off, and don't
3121          * accidentally loop forever considering the same metaslabs.
3122          */
3123         search->ms_allocator = -1;
3124         search->ms_primary = B_TRUE;
3125         for (;;) {
3126                 boolean_t was_active = B_FALSE;
3127
3128                 mutex_enter(&mg->mg_lock);
3129
3130                 if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY &&
3131                     mg->mg_primaries[allocator] != NULL) {
3132                         msp = mg->mg_primaries[allocator];
3133                         was_active = B_TRUE;
3134                 } else if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_SECONDARY &&
3135                     mg->mg_secondaries[allocator] != NULL) {
3136                         msp = mg->mg_secondaries[allocator];
3137                         was_active = B_TRUE;
3138                 } else {
3139                         msp = find_valid_metaslab(mg, activation_weight, dva, d,
3140                             min_distance, asize, allocator, zal, search,
3141                             &was_active);
3142                 }
3143
3144                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
3145                 if (msp == NULL) {
3146                         kmem_free(search, sizeof (*search));
3147                         return (-1ULL);
3148                 }
3149
3150                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
3151                 /*
3152                  * Ensure that the metaslab we have selected is still
3153                  * capable of handling our request. It's possible that
3154                  * another thread may have changed the weight while we
3155                  * were blocked on the metaslab lock. We check the
3156                  * active status first to see if we need to reselect
3157                  * a new metaslab.
3158                  */
3159                 if (was_active && !(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK)) {
3160                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
3161                         continue;
3162                 }
3163
3164                 /*
3165                  * If the metaslab is freshly activated for an allocator that
3166                  * isn't the one we're allocating from, or if it's a primary and
3167                  * we're seeking a secondary (or vice versa), we go back and
3168                  * select a new metaslab.
3169                  */
3170                 if (!was_active && (msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) &&
3171                     (msp->ms_allocator != -1) &&
3172                     (msp->ms_allocator != allocator || ((activation_weight ==
3173                     METASLAB_WEIGHT_PRIMARY) != msp->ms_primary))) {
3174                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
3175                         continue;
3176                 }
3177
3178                 if (msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_CLAIM &&
3179                     activation_weight != METASLAB_WEIGHT_CLAIM) {
3180                         metaslab_passivate(msp, msp->ms_weight &
3181                             ~METASLAB_WEIGHT_CLAIM);
3182                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
3183                         continue;
3184                 }
3185
3186                 if (metaslab_activate(msp, allocator, activation_weight) != 0) {
3187                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
3188                         continue;
3189                 }
3190
3191                 msp->ms_selected_txg = txg;
3192
3193                 /*
3194                  * Now that we have the lock, recheck to see if we should
3195                  * continue to use this metaslab for this allocation. The
3196                  * the metaslab is now loaded so metaslab_should_allocate() can
3197                  * accurately determine if the allocation attempt should
3198                  * proceed.
3199                  */
3200                 if (!metaslab_should_allocate(msp, asize)) {
3201                         /* Passivate this metaslab and select a new one. */
3202                         metaslab_trace_add(zal, mg, msp, asize, d,
3203                             TRACE_TOO_SMALL, allocator);
3204                         goto next;
3205                 }
3206
3207                 /*
3208                  * If this metaslab is currently condensing then pick again as
3209                  * we can't manipulate this metaslab until it's committed
3210                  * to disk. If this metaslab is being initialized, we shouldn't
3211                  * allocate from it since the allocated region might be
3212                  * overwritten after allocation.
3213                  */
3214                 if (msp->ms_condensing) {
3215                         metaslab_trace_add(zal, mg, msp, asize, d,
3216                             TRACE_CONDENSING, allocator);
3217                         metaslab_passivate(msp, msp->ms_weight &
3218                             ~METASLAB_ACTIVE_MASK);
3219                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
3220                         continue;
3221                 } else if (msp->ms_initializing > 0) {
3222                         metaslab_trace_add(zal, mg, msp, asize, d,
3223                             TRACE_INITIALIZING, allocator);
3224                         metaslab_passivate(msp, msp->ms_weight &
3225                             ~METASLAB_ACTIVE_MASK);
3226                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
3227                         continue;
3228                 }
3229
3230                 offset = metaslab_block_alloc(msp, asize, txg);
3231                 metaslab_trace_add(zal, mg, msp, asize, d, offset, allocator);
3232
3233                 if (offset != -1ULL) {
3234                         /* Proactively passivate the metaslab, if needed */
3235                         metaslab_segment_may_passivate(msp);
3236                         break;
3237                 }
3238 next:
3239                 ASSERT(msp->ms_loaded);
3240
3241                 /*
3242                  * We were unable to allocate from this metaslab so determine
3243                  * a new weight for this metaslab. Now that we have loaded
3244                  * the metaslab we can provide a better hint to the metaslab
3245                  * selector.
3246                  *
3247                  * For space-based metaslabs, we use the maximum block size.
3248                  * This information is only available when the metaslab
3249                  * is loaded and is more accurate than the generic free
3250                  * space weight that was calculated by metaslab_weight().
3251                  * This information allows us to quickly compare the maximum
3252                  * available allocation in the metaslab to the allocation
3253                  * size being requested.
3254                  *
3255                  * For segment-based metaslabs, determine the new weight
3256                  * based on the highest bucket in the range tree. We
3257                  * explicitly use the loaded segment weight (i.e. the range
3258                  * tree histogram) since it contains the space that is
3259                  * currently available for allocation and is accurate
3260                  * even within a sync pass.
3261                  */
3262                 if (WEIGHT_IS_SPACEBASED(msp->ms_weight)) {
3263                         uint64_t weight = metaslab_block_maxsize(msp);
3264                         WEIGHT_SET_SPACEBASED(weight);
3265                         metaslab_passivate(msp, weight);
3266                 } else {
3267                         metaslab_passivate(msp,
3268                             metaslab_weight_from_range_tree(msp));
3269                 }
3270
3271                 /*
3272                  * We have just failed an allocation attempt, check
3273                  * that metaslab_should_allocate() agrees. Otherwise,
3274                  * we may end up in an infinite loop retrying the same
3275                  * metaslab.
3276                  */
3277                 ASSERT(!metaslab_should_allocate(msp, asize));
3278                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
3279         }
3280         mutex_exit(&msp->ms_lock);
3281         kmem_free(search, sizeof (*search));
3282         return (offset);
3283 }
3284
3285 static uint64_t
3286 metaslab_group_alloc(metaslab_group_t *mg, zio_alloc_list_t *zal,
3287     uint64_t asize, uint64_t txg, uint64_t min_distance, dva_t *dva, int d,
3288     int allocator)
3289 {
3290         uint64_t offset;
3291         ASSERT(mg->mg_initialized);
3292
3293         offset = metaslab_group_alloc_normal(mg, zal, asize, txg,
3294             min_distance, dva, d, allocator);
3295
3296         mutex_enter(&mg->mg_lock);
3297         if (offset == -1ULL) {
3298                 mg->mg_failed_allocations++;
3299                 metaslab_trace_add(zal, mg, NULL, asize, d,
3300                     TRACE_GROUP_FAILURE, allocator);
3301                 if (asize == SPA_GANGBLOCKSIZE) {
3302                         /*
3303                          * This metaslab group was unable to allocate
3304                          * the minimum gang block size so it must be out of
3305                          * space. We must notify the allocation throttle
3306                          * to start skipping allocation attempts to this
3307                          * metaslab group until more space becomes available.
3308                          * Note: this failure cannot be caused by the
3309                          * allocation throttle since the allocation throttle
3310                          * is only responsible for skipping devices and
3311                          * not failing block allocations.
3312                          */
3313                         mg->mg_no_free_space = B_TRUE;
3314                 }
3315         }
3316         mg->mg_allocations++;
3317         mutex_exit(&mg->mg_lock);
3318         return (offset);
3319 }
3320
3321 /*
3322  * If we have to write a ditto block (i.e. more than one DVA for a given BP)
3323  * on the same vdev as an existing DVA of this BP, then try to allocate it
3324  * at least (vdev_asize / (2 ^ ditto_same_vdev_distance_shift)) away from the
3325  * existing DVAs.
3326  */
3327 int ditto_same_vdev_distance_shift = 3;
3328
3329 /*
3330  * Allocate a block for the specified i/o.
3331  */
3332 int
3333 metaslab_alloc_dva(spa_t *spa, metaslab_class_t *mc, uint64_t psize,
3334     dva_t *dva, int d, dva_t *hintdva, uint64_t txg, int flags,
3335     zio_alloc_list_t *zal, int allocator)
3336 {
3337         metaslab_group_t *mg, *rotor;
3338         vdev_t *vd;
3339         boolean_t try_hard = B_FALSE;
3340
3341         ASSERT(!DVA_IS_VALID(&dva[d]));
3342
3343         /*
3344          * For testing, make some blocks above a certain size be gang blocks.
3345          */
3346         if (psize >= metaslab_force_ganging && (ddi_get_lbolt() & 3) == 0) {
3347                 metaslab_trace_add(zal, NULL, NULL, psize, d, TRACE_FORCE_GANG,
3348                     allocator);
3349                 return (SET_ERROR(ENOSPC));
3350         }
3351
3352         /*
3353          * Start at the rotor and loop through all mgs until we find something.
3354          * Note that there's no locking on mc_rotor or mc_aliquot because
3355          * nothing actually breaks if we miss a few updates -- we just won't
3356          * allocate quite as evenly.  It all balances out over time.
3357          *
3358          * If we are doing ditto or log blocks, try to spread them across
3359          * consecutive vdevs.  If we're forced to reuse a vdev before we've
3360          * allocated all of our ditto blocks, then try and spread them out on
3361          * that vdev as much as possible.  If it turns out to not be possible,
3362          * gradually lower our standards until anything becomes acceptable.
3363          * Also, allocating on consecutive vdevs (as opposed to random vdevs)
3364          * gives us hope of containing our fault domains to something we're
3365          * able to reason about.  Otherwise, any two top-level vdev failures
3366          * will guarantee the loss of data.  With consecutive allocation,
3367          * only two adjacent top-level vdev failures will result in data loss.
3368          *
3369          * If we are doing gang blocks (hintdva is non-NULL), try to keep
3370          * ourselves on the same vdev as our gang block header.  That
3371          * way, we can hope for locality in vdev_cache, plus it makes our
3372          * fault domains something tractable.
3373          */
3374         if (hintdva) {
3375                 vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&hintdva[d]));
3376
3377                 /*
3378                  * It's possible the vdev we're using as the hint no
3379                  * longer exists or its mg has been closed (e.g. by
3380                  * device removal).  Consult the rotor when
3381                  * all else fails.
3382                  */
3383                 if (vd != NULL && vd->vdev_mg != NULL) {
3384                         mg = vd->vdev_mg;
3385
3386                         if (flags & METASLAB_HINTBP_AVOID &&
3387                             mg->mg_next != NULL)
3388                                 mg = mg->mg_next;
3389                 } else {
3390                         mg = mc->mc_rotor;
3391                 }
3392         } else if (d != 0) {
3393                 vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&dva[d - 1]));
3394                 mg = vd->vdev_mg->mg_next;
3395         } else {
3396                 mg = mc->mc_rotor;
3397         }
3398
3399         /*
3400          * If the hint put us into the wrong metaslab class, or into a
3401          * metaslab group that has been passivated, just follow the rotor.
3402          */
3403         if (mg->mg_class != mc || mg->mg_activation_count <= 0)
3404                 mg = mc->mc_rotor;
3405
3406         rotor = mg;
3407 top:
3408         do {
3409                 boolean_t allocatable;
3410
3411                 ASSERT(mg->mg_activation_count == 1);
3412                 vd = mg->mg_vd;
3413
3414                 /*
3415                  * Don't allocate from faulted devices.
3416                  */
3417                 if (try_hard) {
3418                         spa_config_enter(spa, SCL_ZIO, FTAG, RW_READER);
3419                         allocatable = vdev_allocatable(vd);
3420                         spa_config_exit(spa, SCL_ZIO, FTAG);
3421                 } else {
3422                         allocatable = vdev_allocatable(vd);
3423                 }
3424
3425                 /*
3426                  * Determine if the selected metaslab group is eligible
3427                  * for allocations. If we're ganging then don't allow
3428                  * this metaslab group to skip allocations since that would
3429                  * inadvertently return ENOSPC and suspend the pool
3430                  * even though space is still available.
3431                  */
3432                 if (allocatable && !GANG_ALLOCATION(flags) && !try_hard) {
3433                         allocatable = metaslab_group_allocatable(mg, rotor,
3434                             psize, allocator, d);
3435                 }
3436
3437                 if (!allocatable) {
3438                         metaslab_trace_add(zal, mg, NULL, psize, d,
3439                             TRACE_NOT_ALLOCATABLE, allocator);
3440                         goto next;
3441                 }
3442
3443                 ASSERT(mg->mg_initialized);
3444
3445                 /*
3446                  * Avoid writing single-copy data to a failing,
3447                  * non-redundant vdev, unless we've already tried all
3448                  * other vdevs.
3449                  */
3450                 if ((vd->vdev_stat.vs_write_errors > 0 ||
3451                     vd->vdev_state < VDEV_STATE_HEALTHY) &&
3452                     d == 0 && !try_hard && vd->vdev_children == 0) {
3453                         metaslab_trace_add(zal, mg, NULL, psize, d,
3454                             TRACE_VDEV_ERROR, allocator);
3455                         goto next;
3456                 }
3457
3458                 ASSERT(mg->mg_class == mc);
3459
3460                 /*
3461                  * If we don't need to try hard, then require that the
3462                  * block be 1/8th of the device away from any other DVAs
3463                  * in this BP.  If we are trying hard, allow any offset
3464                  * to be used (distance=0).
3465                  */
3466                 uint64_t distance = 0;
3467                 if (!try_hard) {
3468                         distance = vd->vdev_asize >>
3469                             ditto_same_vdev_distance_shift;
3470                         if (distance <= (1ULL << vd->vdev_ms_shift))
3471                                 distance = 0;
3472                 }
3473
3474                 uint64_t asize = vdev_psize_to_asize(vd, psize);
3475                 ASSERT(P2PHASE(asize, 1ULL << vd->vdev_ashift) == 0);
3476
3477                 uint64_t offset = metaslab_group_alloc(mg, zal, asize, txg,
3478                     distance, dva, d, allocator);
3479
3480                 if (offset != -1ULL) {
3481                         /*
3482                          * If we've just selected this metaslab group,
3483                          * figure out whether the corresponding vdev is
3484                          * over- or under-used relative to the pool,
3485                          * and set an allocation bias to even it out.
3486                          */
3487                         if (mc->mc_aliquot == 0 && metaslab_bias_enabled) {
3488                                 vdev_stat_t *vs = &vd->vdev_stat;
3489                                 int64_t vu, cu;
3490
3491                                 vu = (vs->vs_alloc * 100) / (vs->vs_space + 1);
3492                                 cu = (mc->mc_alloc * 100) / (mc->mc_space + 1);
3493
3494                                 /*
3495                                  * Calculate how much more or less we should
3496                                  * try to allocate from this device during
3497                                  * this iteration around the rotor.
3498                                  * For example, if a device is 80% full
3499                                  * and the pool is 20% full then we should
3500                                  * reduce allocations by 60% on this device.
3501                                  *
3502                                  * mg_bias = (20 - 80) * 512K / 100 = -307K
3503                                  *
3504                                  * This reduces allocations by 307K for this
3505                                  * iteration.
3506                                  */
3507                                 mg->mg_bias = ((cu - vu) *
3508                                     (int64_t)mg->mg_aliquot) / 100;
3509                         } else if (!metaslab_bias_enabled) {
3510                                 mg->mg_bias = 0;
3511                         }
3512
3513                         if (atomic_add_64_nv(&mc->mc_aliquot, asize) >=
3514                             mg->mg_aliquot + mg->mg_bias) {
3515                                 mc->mc_rotor = mg->mg_next;
3516                                 mc->mc_aliquot = 0;
3517                         }
3518
3519                         DVA_SET_VDEV(&dva[d], vd->vdev_id);
3520                         DVA_SET_OFFSET(&dva[d], offset);
3521                         DVA_SET_GANG(&dva[d], !!(flags & METASLAB_GANG_HEADER));
3522                         DVA_SET_ASIZE(&dva[d], asize);
3523
3524                         return (0);
3525                 }
3526 next:
3527                 mc->mc_rotor = mg->mg_next;
3528                 mc->mc_aliquot = 0;
3529         } while ((mg = mg->mg_next) != rotor);
3530
3531         /*
3532          * If we haven't tried hard, do so now.
3533          */
3534         if (!try_hard) {
3535                 try_hard = B_TRUE;
3536                 goto top;
3537         }
3538
3539         bzero(&dva[d], sizeof (dva_t));
3540
3541         metaslab_trace_add(zal, rotor, NULL, psize, d, TRACE_ENOSPC, allocator);
3542         return (SET_ERROR(ENOSPC));
3543 }
3544
3545 void
3546 metaslab_free_concrete(vdev_t *vd, uint64_t offset, uint64_t asize,
3547     boolean_t checkpoint)
3548 {
3549         metaslab_t *msp;
3550         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
3551
3552         ASSERT(vdev_is_concrete(vd));
3553         ASSERT3U(spa_config_held(spa, SCL_ALL, RW_READER), !=, 0);
3554         ASSERT3U(offset >> vd->vdev_ms_shift, <, vd->vdev_ms_count);
3555
3556         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
3557
3558         VERIFY(!msp->ms_condensing);
3559         VERIFY3U(offset, >=, msp->ms_start);
3560         VERIFY3U(offset + asize, <=, msp->ms_start + msp->ms_size);
3561         VERIFY0(P2PHASE(offset, 1ULL << vd->vdev_ashift));
3562         VERIFY0(P2PHASE(asize, 1ULL << vd->vdev_ashift));
3563
3564         metaslab_check_free_impl(vd, offset, asize);
3565
3566         mutex_enter(&msp->ms_lock);
3567         if (range_tree_is_empty(msp->ms_freeing) &&
3568             range_tree_is_empty(msp->ms_checkpointing)) {
3569                 vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, spa_syncing_txg(spa));
3570         }
3571
3572         if (checkpoint) {
3573                 ASSERT(spa_has_checkpoint(spa));
3574                 range_tree_add(msp->ms_checkpointing, offset, asize);
3575         } else {
3576                 range_tree_add(msp->ms_freeing, offset, asize);
3577         }
3578         mutex_exit(&msp->ms_lock);
3579 }
3580
3581 /* ARGSUSED */
3582 void
3583 metaslab_free_impl_cb(uint64_t inner_offset, vdev_t *vd, uint64_t offset,
3584     uint64_t size, void *arg)
3585 {
3586         boolean_t *checkpoint = arg;
3587
3588         ASSERT3P(checkpoint, !=, NULL);
3589
3590         if (vd->vdev_ops->vdev_op_remap != NULL)
3591                 vdev_indirect_mark_obsolete(vd, offset, size);
3592         else
3593                 metaslab_free_impl(vd, offset, size, *checkpoint);
3594 }
3595
3596 static void
3597 metaslab_free_impl(vdev_t *vd, uint64_t offset, uint64_t size,
3598     boolean_t checkpoint)
3599 {
3600         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
3601
3602         ASSERT3U(spa_config_held(spa, SCL_ALL, RW_READER), !=, 0);
3603
3604         if (spa_syncing_txg(spa) > spa_freeze_txg(spa))
3605                 return;
3606
3607         if (spa->spa_vdev_removal != NULL &&
3608             spa->spa_vdev_removal->svr_vdev_id == vd->vdev_id &&
3609             vdev_is_concrete(vd)) {
3610                 /*
3611                  * Note: we check if the vdev is concrete because when
3612                  * we complete the removal, we first change the vdev to be
3613                  * an indirect vdev (in open context), and then (in syncing
3614                  * context) clear spa_vdev_removal.
3615                  */
3616                 free_from_removing_vdev(vd, offset, size);
3617         } else if (vd->vdev_ops->vdev_op_remap != NULL) {
3618                 vdev_indirect_mark_obsolete(vd, offset, size);
3619                 vd->vdev_ops->vdev_op_remap(vd, offset, size,
3620                     metaslab_free_impl_cb, &checkpoint);
3621         } else {
3622                 metaslab_free_concrete(vd, offset, size, checkpoint);
3623         }
3624 }
3625
3626 typedef struct remap_blkptr_cb_arg {
3627         blkptr_t *rbca_bp;
3628         spa_remap_cb_t rbca_cb;
3629         vdev_t *rbca_remap_vd;
3630         uint64_t rbca_remap_offset;
3631         void *rbca_cb_arg;
3632 } remap_blkptr_cb_arg_t;
3633
3634 void
3635 remap_blkptr_cb(uint64_t inner_offset, vdev_t *vd, uint64_t offset,
3636     uint64_t size, void *arg)
3637 {
3638         remap_blkptr_cb_arg_t *rbca = arg;
3639         blkptr_t *bp = rbca->rbca_bp;
3640
3641         /* We can not remap split blocks. */
3642         if (size != DVA_GET_ASIZE(&bp->blk_dva[0]))
3643                 return;
3644         ASSERT0(inner_offset);
3645
3646         if (rbca->rbca_cb != NULL) {
3647                 /*
3648                  * At this point we know that we are not handling split
3649                  * blocks and we invoke the callback on the previous
3650                  * vdev which must be indirect.
3651                  */
3652                 ASSERT3P(rbca->rbca_remap_vd->vdev_ops, ==, &vdev_indirect_ops);
3653
3654                 rbca->rbca_cb(rbca->rbca_remap_vd->vdev_id,
3655                     rbca->rbca_remap_offset, size, rbca->rbca_cb_arg);
3656
3657                 /* set up remap_blkptr_cb_arg for the next call */
3658                 rbca->rbca_remap_vd = vd;
3659                 rbca->rbca_remap_offset = offset;
3660         }
3661
3662         /*
3663          * The phys birth time is that of dva[0].  This ensures that we know
3664          * when each dva was written, so that resilver can determine which
3665          * blocks need to be scrubbed (i.e. those written during the time
3666          * the vdev was offline).  It also ensures that the key used in
3667          * the ARC hash table is unique (i.e. dva[0] + phys_birth).  If
3668          * we didn't change the phys_birth, a lookup in the ARC for a
3669          * remapped BP could find the data that was previously stored at
3670          * this vdev + offset.
3671          */
3672         vdev_t *oldvd = vdev_lookup_top(vd->vdev_spa,
3673             DVA_GET_VDEV(&bp->blk_dva[0]));
3674         vdev_indirect_births_t *vib = oldvd->vdev_indirect_births;
3675         bp->blk_phys_birth = vdev_indirect_births_physbirth(vib,
3676             DVA_GET_OFFSET(&bp->blk_dva[0]), DVA_GET_ASIZE(&bp->blk_dva[0]));
3677
3678         DVA_SET_VDEV(&bp->blk_dva[0], vd->vdev_id);
3679         DVA_SET_OFFSET(&bp->blk_dva[0], offset);
3680 }
3681
3682 /*
3683  * If the block pointer contains any indirect DVAs, modify them to refer to
3684  * concrete DVAs.  Note that this will sometimes not be possible, leaving
3685  * the indirect DVA in place.  This happens if the indirect DVA spans multiple
3686  * segments in the mapping (i.e. it is a "split block").
3687  *
3688  * If the BP was remapped, calls the callback on the original dva (note the
3689  * callback can be called multiple times if the original indirect DVA refers
3690  * to another indirect DVA, etc).
3691  *
3692  * Returns TRUE if the BP was remapped.
3693  */
3694 boolean_t
3695 spa_remap_blkptr(spa_t *spa, blkptr_t *bp, spa_remap_cb_t callback, void *arg)
3696 {
3697         remap_blkptr_cb_arg_t rbca;
3698
3699         if (!zfs_remap_blkptr_enable)
3700                 return (B_FALSE);
3701
3702         if (!spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_OBSOLETE_COUNTS))
3703                 return (B_FALSE);
3704
3705         /*
3706          * Dedup BP's can not be remapped, because ddt_phys_select() depends
3707          * on DVA[0] being the same in the BP as in the DDT (dedup table).
3708          */
3709         if (BP_GET_DEDUP(bp))
3710                 return (B_FALSE);
3711
3712         /*
3713          * Gang blocks can not be remapped, because
3714          * zio_checksum_gang_verifier() depends on the DVA[0] that's in
3715          * the BP used to read the gang block header (GBH) being the same
3716          * as the DVA[0] that we allocated for the GBH.
3717          */
3718         if (BP_IS_GANG(bp))
3719                 return (B_FALSE);
3720
3721         /*
3722          * Embedded BP's have no DVA to remap.
3723          */
3724         if (BP_GET_NDVAS(bp) < 1)
3725                 return (B_FALSE);
3726
3727         /*
3728          * Note: we only remap dva[0].  If we remapped other dvas, we
3729          * would no longer know what their phys birth txg is.
3730          */
3731         dva_t *dva = &bp->blk_dva[0];
3732
3733         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
3734         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
3735         vdev_t *vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(dva));
3736
3737         if (vd->vdev_ops->vdev_op_remap == NULL)
3738                 return (B_FALSE);
3739
3740         rbca.rbca_bp = bp;
3741         rbca.rbca_cb = callback;
3742         rbca.rbca_remap_vd = vd;
3743         rbca.rbca_remap_offset = offset;
3744         rbca.rbca_cb_arg = arg;
3745
3746         /*
3747          * remap_blkptr_cb() will be called in order for each level of
3748          * indirection, until a concrete vdev is reached or a split block is
3749          * encountered. old_vd and old_offset are updated within the callback
3750          * as we go from the one indirect vdev to the next one (either concrete
3751          * or indirect again) in that order.
3752          */
3753         vd->vdev_ops->vdev_op_remap(vd, offset, size, remap_blkptr_cb, &rbca);
3754
3755         /* Check if the DVA wasn't remapped because it is a split block */
3756         if (DVA_GET_VDEV(&rbca.rbca_bp->blk_dva[0]) == vd->vdev_id)
3757                 return (B_FALSE);
3758
3759         return (B_TRUE);
3760 }
3761
3762 /*
3763  * Undo the allocation of a DVA which happened in the given transaction group.
3764  */
3765 void
3766 metaslab_unalloc_dva(spa_t *spa, const dva_t *dva, uint64_t txg)
3767 {
3768         metaslab_t *msp;
3769         vdev_t *vd;
3770         uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(dva);
3771         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
3772         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
3773
3774         ASSERT(DVA_IS_VALID(dva));
3775         ASSERT3U(spa_config_held(spa, SCL_ALL, RW_READER), !=, 0);
3776
3777         if (txg > spa_freeze_txg(spa))
3778                 return;
3779
3780         if ((vd = vdev_lookup_top(spa, vdev)) == NULL ||
3781             (offset >> vd->vdev_ms_shift) >= vd->vdev_ms_count) {
3782                 cmn_err(CE_WARN, "metaslab_free_dva(): bad DVA %llu:%llu",
3783                     (u_longlong_t)vdev, (u_longlong_t)offset);
3784                 ASSERT(0);
3785                 return;
3786         }
3787
3788         ASSERT(!vd->vdev_removing);
3789         ASSERT(vdev_is_concrete(vd));
3790         ASSERT0(vd->vdev_indirect_config.vic_mapping_object);
3791         ASSERT3P(vd->vdev_indirect_mapping, ==, NULL);
3792
3793         if (DVA_GET_GANG(dva))
3794                 size = vdev_psize_to_asize(vd, SPA_GANGBLOCKSIZE);
3795
3796         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
3797
3798         mutex_enter(&msp->ms_lock);
3799         range_tree_remove(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK],
3800             offset, size);
3801
3802         VERIFY(!msp->ms_condensing);
3803         VERIFY3U(offset, >=, msp->ms_start);
3804         VERIFY3U(offset + size, <=, msp->ms_start + msp->ms_size);
3805         VERIFY3U(range_tree_space(msp->ms_allocatable) + size, <=,
3806             msp->ms_size);
3807         VERIFY0(P2PHASE(offset, 1ULL << vd->vdev_ashift));
3808         VERIFY0(P2PHASE(size, 1ULL << vd->vdev_ashift));
3809         range_tree_add(msp->ms_allocatable, offset, size);
3810         mutex_exit(&msp->ms_lock);
3811 }
3812
3813 /*
3814  * Free the block represented by the given DVA.
3815  */
3816 void
3817 metaslab_free_dva(spa_t *spa, const dva_t *dva, boolean_t checkpoint)
3818 {
3819         uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(dva);
3820         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
3821         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
3822         vdev_t *vd = vdev_lookup_top(spa, vdev);
3823
3824         ASSERT(DVA_IS_VALID(dva));
3825         ASSERT3U(spa_config_held(spa, SCL_ALL, RW_READER), !=, 0);
3826
3827         if (DVA_GET_GANG(dva)) {
3828                 size = vdev_psize_to_asize(vd, SPA_GANGBLOCKSIZE);
3829         }
3830
3831         metaslab_free_impl(vd, offset, size, checkpoint);
3832 }
3833
3834 /*
3835  * Reserve some allocation slots. The reservation system must be called
3836  * before we call into the allocator. If there aren't any available slots
3837  * then the I/O will be throttled until an I/O completes and its slots are
3838  * freed up. The function returns true if it was successful in placing
3839  * the reservation.
3840  */
3841 boolean_t
3842 metaslab_class_throttle_reserve(metaslab_class_t *mc, int slots, int allocator,
3843     zio_t *zio, int flags)
3844 {
3845         uint64_t available_slots = 0;
3846         boolean_t slot_reserved = B_FALSE;
3847         uint64_t max = mc->mc_alloc_max_slots[allocator];
3848
3849         ASSERT(mc->mc_alloc_throttle_enabled);
3850         mutex_enter(&mc->mc_lock);
3851
3852         uint64_t reserved_slots =
3853             refcount_count(&mc->mc_alloc_slots[allocator]);
3854         if (reserved_slots < max)
3855                 available_slots = max - reserved_slots;
3856
3857         if (slots <= available_slots || GANG_ALLOCATION(flags)) {
3858                 /*
3859                  * We reserve the slots individually so that we can unreserve
3860                  * them individually when an I/O completes.
3861                  */
3862                 for (int d = 0; d < slots; d++) {
3863                         reserved_slots =
3864                             refcount_add(&mc->mc_alloc_slots[allocator],
3865                             zio);
3866                 }
3867                 zio->io_flags |= ZIO_FLAG_IO_ALLOCATING;
3868                 slot_reserved = B_TRUE;
3869         }
3870
3871         mutex_exit(&mc->mc_lock);
3872         return (slot_reserved);
3873 }
3874
3875 void
3876 metaslab_class_throttle_unreserve(metaslab_class_t *mc, int slots,
3877     int allocator, zio_t *zio)
3878 {
3879         ASSERT(mc->mc_alloc_throttle_enabled);
3880         mutex_enter(&mc->mc_lock);
3881         for (int d = 0; d < slots; d++) {
3882                 (void) refcount_remove(&mc->mc_alloc_slots[allocator],
3883                     zio);
3884         }
3885         mutex_exit(&mc->mc_lock);
3886 }
3887
3888 static int
3889 metaslab_claim_concrete(vdev_t *vd, uint64_t offset, uint64_t size,
3890     uint64_t txg)
3891 {
3892         metaslab_t *msp;
3893         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
3894         int error = 0;
3895
3896         if (offset >> vd->vdev_ms_shift >= vd->vdev_ms_count)
3897                 return (ENXIO);
3898
3899         ASSERT3P(vd->vdev_ms, !=, NULL);
3900         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
3901
3902         mutex_enter(&msp->ms_lock);
3903
3904         if ((txg != 0 && spa_writeable(spa)) || !msp->ms_loaded)
3905                 error = metaslab_activate(msp, 0, METASLAB_WEIGHT_CLAIM);
3906         /*
3907          * No need to fail in that case; someone else has activated the
3908          * metaslab, but that doesn't preclude us from using it.
3909          */
3910         if (error == EBUSY)
3911                 error = 0;
3912
3913         if (error == 0 &&
3914             !range_tree_contains(msp->ms_allocatable, offset, size))
3915                 error = SET_ERROR(ENOENT);
3916
3917         if (error || txg == 0) {        /* txg == 0 indicates dry run */
3918                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
3919                 return (error);
3920         }
3921
3922         VERIFY(!msp->ms_condensing);
3923         VERIFY0(P2PHASE(offset, 1ULL << vd->vdev_ashift));
3924         VERIFY0(P2PHASE(size, 1ULL << vd->vdev_ashift));
3925         VERIFY3U(range_tree_space(msp->ms_allocatable) - size, <=,
3926             msp->ms_size);
3927         range_tree_remove(msp->ms_allocatable, offset, size);
3928
3929         if (spa_writeable(spa)) {       /* don't dirty if we're zdb(1M) */
3930                 if (range_tree_is_empty(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK]))
3931                         vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
3932                 range_tree_add(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK],
3933                     offset, size);
3934         }
3935
3936         mutex_exit(&msp->ms_lock);
3937
3938         return (0);
3939 }
3940
3941 typedef struct metaslab_claim_cb_arg_t {
3942         uint64_t        mcca_txg;
3943         int             mcca_error;
3944 } metaslab_claim_cb_arg_t;
3945
3946 /* ARGSUSED */
3947 static void
3948 metaslab_claim_impl_cb(uint64_t inner_offset, vdev_t *vd, uint64_t offset,
3949     uint64_t size, void *arg)
3950 {
3951         metaslab_claim_cb_arg_t *mcca_arg = arg;
3952
3953         if (mcca_arg->mcca_error == 0) {
3954                 mcca_arg->mcca_error = metaslab_claim_concrete(vd, offset,
3955                     size, mcca_arg->mcca_txg);
3956         }
3957 }
3958
3959 int
3960 metaslab_claim_impl(vdev_t *vd, uint64_t offset, uint64_t size, uint64_t txg)
3961 {
3962         if (vd->vdev_ops->vdev_op_remap != NULL) {
3963                 metaslab_claim_cb_arg_t arg;
3964
3965                 /*
3966                  * Only zdb(1M) can claim on indirect vdevs.  This is used
3967                  * to detect leaks of mapped space (that are not accounted
3968                  * for in the obsolete counts, spacemap, or bpobj).
3969                  */
3970                 ASSERT(!spa_writeable(vd->vdev_spa));
3971                 arg.mcca_error = 0;
3972                 arg.mcca_txg = txg;
3973
3974                 vd->vdev_ops->vdev_op_remap(vd, offset, size,
3975                     metaslab_claim_impl_cb, &arg);
3976
3977                 if (arg.mcca_error == 0) {
3978                         arg.mcca_error = metaslab_claim_concrete(vd,
3979                             offset, size, txg);
3980                 }
3981                 return (arg.mcca_error);
3982         } else {
3983                 return (metaslab_claim_concrete(vd, offset, size, txg));
3984         }
3985 }
3986
3987 /*
3988  * Intent log support: upon opening the pool after a crash, notify the SPA
3989  * of blocks that the intent log has allocated for immediate write, but
3990  * which are still considered free by the SPA because the last transaction
3991  * group didn't commit yet.
3992  */
3993 static int
3994 metaslab_claim_dva(spa_t *spa, const dva_t *dva, uint64_t txg)
3995 {
3996         uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(dva);
3997         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
3998         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
3999         vdev_t *vd;
4000
4001         if ((vd = vdev_lookup_top(spa, vdev)) == NULL) {
4002                 return (SET_ERROR(ENXIO));
4003         }
4004
4005         ASSERT(DVA_IS_VALID(dva));
4006
4007         if (DVA_GET_GANG(dva))
4008                 size = vdev_psize_to_asize(vd, SPA_GANGBLOCKSIZE);
4009
4010         return (metaslab_claim_impl(vd, offset, size, txg));
4011 }
4012
4013 int
4014 metaslab_alloc(spa_t *spa, metaslab_class_t *mc, uint64_t psize, blkptr_t *bp,
4015     int ndvas, uint64_t txg, blkptr_t *hintbp, int flags,
4016     zio_alloc_list_t *zal, zio_t *zio, int allocator)
4017 {
4018         dva_t *dva = bp->blk_dva;
4019         dva_t *hintdva = hintbp->blk_dva;
4020         int error = 0;
4021
4022         ASSERT(bp->blk_birth == 0);
4023         ASSERT(BP_PHYSICAL_BIRTH(bp) == 0);
4024
4025         spa_config_enter(spa, SCL_ALLOC, FTAG, RW_READER);
4026
4027         if (mc->mc_rotor == NULL) {     /* no vdevs in this class */
4028                 spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
4029                 return (SET_ERROR(ENOSPC));
4030         }
4031
4032         ASSERT(ndvas > 0 && ndvas <= spa_max_replication(spa));
4033         ASSERT(BP_GET_NDVAS(bp) == 0);
4034         ASSERT(hintbp == NULL || ndvas <= BP_GET_NDVAS(hintbp));
4035         ASSERT3P(zal, !=, NULL);
4036
4037         for (int d = 0; d < ndvas; d++) {
4038                 error = metaslab_alloc_dva(spa, mc, psize, dva, d, hintdva,
4039                     txg, flags, zal, allocator);
4040                 if (error != 0) {
4041                         for (d--; d >= 0; d--) {
4042                                 metaslab_unalloc_dva(spa, &dva[d], txg);
4043                                 metaslab_group_alloc_decrement(spa,
4044                                     DVA_GET_VDEV(&dva[d]), zio, flags,
4045                                     allocator, B_FALSE);
4046                                 bzero(&dva[d], sizeof (dva_t));
4047                         }
4048                         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
4049                         return (error);
4050                 } else {
4051                         /*
4052                          * Update the metaslab group's queue depth
4053                          * based on the newly allocated dva.
4054                          */
4055                         metaslab_group_alloc_increment(spa,
4056                             DVA_GET_VDEV(&dva[d]), zio, flags, allocator);
4057                 }
4058
4059         }
4060         ASSERT(error == 0);
4061         ASSERT(BP_GET_NDVAS(bp) == ndvas);
4062
4063         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
4064
4065         BP_SET_BIRTH(bp, txg, txg);
4066
4067         return (0);
4068 }
4069
4070 void
4071 metaslab_free(spa_t *spa, const blkptr_t *bp, uint64_t txg, boolean_t now)
4072 {
4073         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
4074         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
4075
4076         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
4077         ASSERT(!now || bp->blk_birth >= spa_syncing_txg(spa));
4078
4079         /*
4080          * If we have a checkpoint for the pool we need to make sure that
4081          * the blocks that we free that are part of the checkpoint won't be
4082          * reused until the checkpoint is discarded or we revert to it.
4083          *
4084          * The checkpoint flag is passed down the metaslab_free code path
4085          * and is set whenever we want to add a block to the checkpoint's
4086          * accounting. That is, we "checkpoint" blocks that existed at the
4087          * time the checkpoint was created and are therefore referenced by
4088          * the checkpointed uberblock.
4089          *
4090          * Note that, we don't checkpoint any blocks if the current
4091          * syncing txg <= spa_checkpoint_txg. We want these frees to sync
4092          * normally as they will be referenced by the checkpointed uberblock.
4093          */
4094         boolean_t checkpoint = B_FALSE;
4095         if (bp->blk_birth <= spa->spa_checkpoint_txg &&
4096             spa_syncing_txg(spa) > spa->spa_checkpoint_txg) {
4097                 /*
4098                  * At this point, if the block is part of the checkpoint
4099                  * there is no way it was created in the current txg.
4100                  */
4101                 ASSERT(!now);
4102                 ASSERT3U(spa_syncing_txg(spa), ==, txg);
4103                 checkpoint = B_TRUE;
4104         }
4105
4106         spa_config_enter(spa, SCL_FREE, FTAG, RW_READER);
4107
4108         for (int d = 0; d < ndvas; d++) {
4109                 if (now) {
4110                         metaslab_unalloc_dva(spa, &dva[d], txg);
4111                 } else {
4112                         ASSERT3U(txg, ==, spa_syncing_txg(spa));
4113                         metaslab_free_dva(spa, &dva[d], checkpoint);
4114                 }
4115         }
4116
4117         spa_config_exit(spa, SCL_FREE, FTAG);
4118 }
4119
4120 int
4121 metaslab_claim(spa_t *spa, const blkptr_t *bp, uint64_t txg)
4122 {
4123         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
4124         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
4125         int error = 0;
4126
4127         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
4128
4129         if (txg != 0) {
4130                 /*
4131                  * First do a dry run to make sure all DVAs are claimable,
4132                  * so we don't have to unwind from partial failures below.
4133                  */
4134                 if ((error = metaslab_claim(spa, bp, 0)) != 0)
4135                         return (error);
4136         }
4137
4138         spa_config_enter(spa, SCL_ALLOC, FTAG, RW_READER);
4139
4140         for (int d = 0; d < ndvas; d++)
4141                 if ((error = metaslab_claim_dva(spa, &dva[d], txg)) != 0)
4142                         break;
4143
4144         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
4145
4146         ASSERT(error == 0 || txg == 0);
4147
4148         return (error);
4149 }
4150
4151 /* ARGSUSED */
4152 static void
4153 metaslab_check_free_impl_cb(uint64_t inner, vdev_t *vd, uint64_t offset,
4154     uint64_t size, void *arg)
4155 {
4156         if (vd->vdev_ops == &vdev_indirect_ops)
4157                 return;
4158
4159         metaslab_check_free_impl(vd, offset, size);
4160 }
4161
4162 static void
4163 metaslab_check_free_impl(vdev_t *vd, uint64_t offset, uint64_t size)
4164 {
4165         metaslab_t *msp;
4166         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
4167
4168         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_ZIO_FREE) == 0)
4169                 return;
4170
4171         if (vd->vdev_ops->vdev_op_remap != NULL) {
4172                 vd->vdev_ops->vdev_op_remap(vd, offset, size,
4173                     metaslab_check_free_impl_cb, NULL);
4174                 return;
4175         }
4176
4177         ASSERT(vdev_is_concrete(vd));
4178         ASSERT3U(offset >> vd->vdev_ms_shift, <, vd->vdev_ms_count);
4179         ASSERT3U(spa_config_held(spa, SCL_ALL, RW_READER), !=, 0);
4180
4181         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
4182
4183         mutex_enter(&msp->ms_lock);
4184         if (msp->ms_loaded)
4185                 range_tree_verify(msp->ms_allocatable, offset, size);
4186
4187         range_tree_verify(msp->ms_freeing, offset, size);
4188         range_tree_verify(msp->ms_checkpointing, offset, size);
4189         range_tree_verify(msp->ms_freed, offset, size);
4190         for (int j = 0; j < TXG_DEFER_SIZE; j++)
4191                 range_tree_verify(msp->ms_defer[j], offset, size);
4192         mutex_exit(&msp->ms_lock);
4193 }
4194
4195 void
4196 metaslab_check_free(spa_t *spa, const blkptr_t *bp)
4197 {
4198         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_ZIO_FREE) == 0)
4199                 return;
4200
4201         spa_config_enter(spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
4202         for (int i = 0; i < BP_GET_NDVAS(bp); i++) {
4203                 uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(&bp->blk_dva[i]);
4204                 vdev_t *vd = vdev_lookup_top(spa, vdev);
4205                 uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(&bp->blk_dva[i]);
4206                 uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(&bp->blk_dva[i]);
4207
4208                 if (DVA_GET_GANG(&bp->blk_dva[i]))
4209                         size = vdev_psize_to_asize(vd, SPA_GANGBLOCKSIZE);
4210
4211                 ASSERT3P(vd, !=, NULL);
4212
4213                 metaslab_check_free_impl(vd, offset, size);
4214         }
4215         spa_config_exit(spa, SCL_VDEV, FTAG);
4216 }