]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - sys/cddl/contrib/opensolaris/uts/common/fs/zfs/metaslab.c
Update mandoc to 1.13.1
[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, 2014 by Delphix. All rights reserved.
24  * Copyright (c) 2013 by Saso Kiselkov. All rights reserved.
25  */
26
27 #include <sys/zfs_context.h>
28 #include <sys/dmu.h>
29 #include <sys/dmu_tx.h>
30 #include <sys/space_map.h>
31 #include <sys/metaslab_impl.h>
32 #include <sys/vdev_impl.h>
33 #include <sys/zio.h>
34 #include <sys/spa_impl.h>
35 #include <sys/zfeature.h>
36
37 SYSCTL_DECL(_vfs_zfs);
38 SYSCTL_NODE(_vfs_zfs, OID_AUTO, metaslab, CTLFLAG_RW, 0, "ZFS metaslab");
39
40 /*
41  * Allow allocations to switch to gang blocks quickly. We do this to
42  * avoid having to load lots of space_maps in a given txg. There are,
43  * however, some cases where we want to avoid "fast" ganging and instead
44  * we want to do an exhaustive search of all metaslabs on this device.
45  * Currently we don't allow any gang, slog, or dump device related allocations
46  * to "fast" gang.
47  */
48 #define CAN_FASTGANG(flags) \
49         (!((flags) & (METASLAB_GANG_CHILD | METASLAB_GANG_HEADER | \
50         METASLAB_GANG_AVOID)))
51
52 #define METASLAB_WEIGHT_PRIMARY         (1ULL << 63)
53 #define METASLAB_WEIGHT_SECONDARY       (1ULL << 62)
54 #define METASLAB_ACTIVE_MASK            \
55         (METASLAB_WEIGHT_PRIMARY | METASLAB_WEIGHT_SECONDARY)
56
57 uint64_t metaslab_aliquot = 512ULL << 10;
58 uint64_t metaslab_gang_bang = SPA_MAXBLOCKSIZE + 1;     /* force gang blocks */
59 SYSCTL_QUAD(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, gang_bang, CTLFLAG_RWTUN,
60     &metaslab_gang_bang, 0,
61     "Force gang block allocation for blocks larger than or equal to this value");
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 static uint64_t metaslab_fragmentation(metaslab_t *);
242
243 /*
244  * ==========================================================================
245  * Metaslab classes
246  * ==========================================================================
247  */
248 metaslab_class_t *
249 metaslab_class_create(spa_t *spa, metaslab_ops_t *ops)
250 {
251         metaslab_class_t *mc;
252
253         mc = kmem_zalloc(sizeof (metaslab_class_t), KM_SLEEP);
254
255         mc->mc_spa = spa;
256         mc->mc_rotor = NULL;
257         mc->mc_ops = ops;
258
259         return (mc);
260 }
261
262 void
263 metaslab_class_destroy(metaslab_class_t *mc)
264 {
265         ASSERT(mc->mc_rotor == NULL);
266         ASSERT(mc->mc_alloc == 0);
267         ASSERT(mc->mc_deferred == 0);
268         ASSERT(mc->mc_space == 0);
269         ASSERT(mc->mc_dspace == 0);
270
271         kmem_free(mc, sizeof (metaslab_class_t));
272 }
273
274 int
275 metaslab_class_validate(metaslab_class_t *mc)
276 {
277         metaslab_group_t *mg;
278         vdev_t *vd;
279
280         /*
281          * Must hold one of the spa_config locks.
282          */
283         ASSERT(spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALL, RW_READER) ||
284             spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALL, RW_WRITER));
285
286         if ((mg = mc->mc_rotor) == NULL)
287                 return (0);
288
289         do {
290                 vd = mg->mg_vd;
291                 ASSERT(vd->vdev_mg != NULL);
292                 ASSERT3P(vd->vdev_top, ==, vd);
293                 ASSERT3P(mg->mg_class, ==, mc);
294                 ASSERT3P(vd->vdev_ops, !=, &vdev_hole_ops);
295         } while ((mg = mg->mg_next) != mc->mc_rotor);
296
297         return (0);
298 }
299
300 void
301 metaslab_class_space_update(metaslab_class_t *mc, int64_t alloc_delta,
302     int64_t defer_delta, int64_t space_delta, int64_t dspace_delta)
303 {
304         atomic_add_64(&mc->mc_alloc, alloc_delta);
305         atomic_add_64(&mc->mc_deferred, defer_delta);
306         atomic_add_64(&mc->mc_space, space_delta);
307         atomic_add_64(&mc->mc_dspace, dspace_delta);
308 }
309
310 void
311 metaslab_class_minblocksize_update(metaslab_class_t *mc)
312 {
313         metaslab_group_t *mg;
314         vdev_t *vd;
315         uint64_t minashift = UINT64_MAX;
316
317         if ((mg = mc->mc_rotor) == NULL) {
318                 mc->mc_minblocksize = SPA_MINBLOCKSIZE;
319                 return;
320         }
321
322         do {
323                 vd = mg->mg_vd;
324                 if (vd->vdev_ashift < minashift)
325                         minashift = vd->vdev_ashift;
326         } while ((mg = mg->mg_next) != mc->mc_rotor);
327
328         mc->mc_minblocksize = 1ULL << minashift;
329 }
330
331 uint64_t
332 metaslab_class_get_alloc(metaslab_class_t *mc)
333 {
334         return (mc->mc_alloc);
335 }
336
337 uint64_t
338 metaslab_class_get_deferred(metaslab_class_t *mc)
339 {
340         return (mc->mc_deferred);
341 }
342
343 uint64_t
344 metaslab_class_get_space(metaslab_class_t *mc)
345 {
346         return (mc->mc_space);
347 }
348
349 uint64_t
350 metaslab_class_get_dspace(metaslab_class_t *mc)
351 {
352         return (spa_deflate(mc->mc_spa) ? mc->mc_dspace : mc->mc_space);
353 }
354
355 uint64_t
356 metaslab_class_get_minblocksize(metaslab_class_t *mc)
357 {
358         return (mc->mc_minblocksize);
359 }
360
361 void
362 metaslab_class_histogram_verify(metaslab_class_t *mc)
363 {
364         vdev_t *rvd = mc->mc_spa->spa_root_vdev;
365         uint64_t *mc_hist;
366         int i;
367
368         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_HISTOGRAM_VERIFY) == 0)
369                 return;
370
371         mc_hist = kmem_zalloc(sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE,
372             KM_SLEEP);
373
374         for (int c = 0; c < rvd->vdev_children; c++) {
375                 vdev_t *tvd = rvd->vdev_child[c];
376                 metaslab_group_t *mg = tvd->vdev_mg;
377
378                 /*
379                  * Skip any holes, uninitialized top-levels, or
380                  * vdevs that are not in this metalab class.
381                  */
382                 if (tvd->vdev_ishole || tvd->vdev_ms_shift == 0 ||
383                     mg->mg_class != mc) {
384                         continue;
385                 }
386
387                 for (i = 0; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i++)
388                         mc_hist[i] += mg->mg_histogram[i];
389         }
390
391         for (i = 0; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i++)
392                 VERIFY3U(mc_hist[i], ==, mc->mc_histogram[i]);
393
394         kmem_free(mc_hist, sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE);
395 }
396
397 /*
398  * Calculate the metaslab class's fragmentation metric. The metric
399  * is weighted based on the space contribution of each metaslab group.
400  * The return value will be a number between 0 and 100 (inclusive), or
401  * ZFS_FRAG_INVALID if the metric has not been set. See comment above the
402  * zfs_frag_table for more information about the metric.
403  */
404 uint64_t
405 metaslab_class_fragmentation(metaslab_class_t *mc)
406 {
407         vdev_t *rvd = mc->mc_spa->spa_root_vdev;
408         uint64_t fragmentation = 0;
409
410         spa_config_enter(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
411
412         for (int c = 0; c < rvd->vdev_children; c++) {
413                 vdev_t *tvd = rvd->vdev_child[c];
414                 metaslab_group_t *mg = tvd->vdev_mg;
415
416                 /*
417                  * Skip any holes, uninitialized top-levels, or
418                  * vdevs that are not in this metalab class.
419                  */
420                 if (tvd->vdev_ishole || tvd->vdev_ms_shift == 0 ||
421                     mg->mg_class != mc) {
422                         continue;
423                 }
424
425                 /*
426                  * If a metaslab group does not contain a fragmentation
427                  * metric then just bail out.
428                  */
429                 if (mg->mg_fragmentation == ZFS_FRAG_INVALID) {
430                         spa_config_exit(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG);
431                         return (ZFS_FRAG_INVALID);
432                 }
433
434                 /*
435                  * Determine how much this metaslab_group is contributing
436                  * to the overall pool fragmentation metric.
437                  */
438                 fragmentation += mg->mg_fragmentation *
439                     metaslab_group_get_space(mg);
440         }
441         fragmentation /= metaslab_class_get_space(mc);
442
443         ASSERT3U(fragmentation, <=, 100);
444         spa_config_exit(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG);
445         return (fragmentation);
446 }
447
448 /*
449  * Calculate the amount of expandable space that is available in
450  * this metaslab class. If a device is expanded then its expandable
451  * space will be the amount of allocatable space that is currently not
452  * part of this metaslab class.
453  */
454 uint64_t
455 metaslab_class_expandable_space(metaslab_class_t *mc)
456 {
457         vdev_t *rvd = mc->mc_spa->spa_root_vdev;
458         uint64_t space = 0;
459
460         spa_config_enter(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
461         for (int c = 0; c < rvd->vdev_children; c++) {
462                 vdev_t *tvd = rvd->vdev_child[c];
463                 metaslab_group_t *mg = tvd->vdev_mg;
464
465                 if (tvd->vdev_ishole || tvd->vdev_ms_shift == 0 ||
466                     mg->mg_class != mc) {
467                         continue;
468                 }
469
470                 space += tvd->vdev_max_asize - tvd->vdev_asize;
471         }
472         spa_config_exit(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG);
473         return (space);
474 }
475
476 /*
477  * ==========================================================================
478  * Metaslab groups
479  * ==========================================================================
480  */
481 static int
482 metaslab_compare(const void *x1, const void *x2)
483 {
484         const metaslab_t *m1 = x1;
485         const metaslab_t *m2 = x2;
486
487         if (m1->ms_weight < m2->ms_weight)
488                 return (1);
489         if (m1->ms_weight > m2->ms_weight)
490                 return (-1);
491
492         /*
493          * If the weights are identical, use the offset to force uniqueness.
494          */
495         if (m1->ms_start < m2->ms_start)
496                 return (-1);
497         if (m1->ms_start > m2->ms_start)
498                 return (1);
499
500         ASSERT3P(m1, ==, m2);
501
502         return (0);
503 }
504
505 /*
506  * Update the allocatable flag and the metaslab group's capacity.
507  * The allocatable flag is set to true if the capacity is below
508  * the zfs_mg_noalloc_threshold. If a metaslab group transitions
509  * from allocatable to non-allocatable or vice versa then the metaslab
510  * group's class is updated to reflect the transition.
511  */
512 static void
513 metaslab_group_alloc_update(metaslab_group_t *mg)
514 {
515         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
516         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
517         vdev_stat_t *vs = &vd->vdev_stat;
518         boolean_t was_allocatable;
519
520         ASSERT(vd == vd->vdev_top);
521
522         mutex_enter(&mg->mg_lock);
523         was_allocatable = mg->mg_allocatable;
524
525         mg->mg_free_capacity = ((vs->vs_space - vs->vs_alloc) * 100) /
526             (vs->vs_space + 1);
527
528         /*
529          * A metaslab group is considered allocatable if it has plenty
530          * of free space or is not heavily fragmented. We only take
531          * fragmentation into account if the metaslab group has a valid
532          * fragmentation metric (i.e. a value between 0 and 100).
533          */
534         mg->mg_allocatable = (mg->mg_free_capacity > zfs_mg_noalloc_threshold &&
535             (mg->mg_fragmentation == ZFS_FRAG_INVALID ||
536             mg->mg_fragmentation <= zfs_mg_fragmentation_threshold));
537
538         /*
539          * The mc_alloc_groups maintains a count of the number of
540          * groups in this metaslab class that are still above the
541          * zfs_mg_noalloc_threshold. This is used by the allocating
542          * threads to determine if they should avoid allocations to
543          * a given group. The allocator will avoid allocations to a group
544          * if that group has reached or is below the zfs_mg_noalloc_threshold
545          * and there are still other groups that are above the threshold.
546          * When a group transitions from allocatable to non-allocatable or
547          * vice versa we update the metaslab class to reflect that change.
548          * When the mc_alloc_groups value drops to 0 that means that all
549          * groups have reached the zfs_mg_noalloc_threshold making all groups
550          * eligible for allocations. This effectively means that all devices
551          * are balanced again.
552          */
553         if (was_allocatable && !mg->mg_allocatable)
554                 mc->mc_alloc_groups--;
555         else if (!was_allocatable && mg->mg_allocatable)
556                 mc->mc_alloc_groups++;
557
558         mutex_exit(&mg->mg_lock);
559 }
560
561 metaslab_group_t *
562 metaslab_group_create(metaslab_class_t *mc, vdev_t *vd)
563 {
564         metaslab_group_t *mg;
565
566         mg = kmem_zalloc(sizeof (metaslab_group_t), KM_SLEEP);
567         mutex_init(&mg->mg_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
568         avl_create(&mg->mg_metaslab_tree, metaslab_compare,
569             sizeof (metaslab_t), offsetof(struct metaslab, ms_group_node));
570         mg->mg_vd = vd;
571         mg->mg_class = mc;
572         mg->mg_activation_count = 0;
573
574         mg->mg_taskq = taskq_create("metaslab_group_taskq", metaslab_load_pct,
575             minclsyspri, 10, INT_MAX, TASKQ_THREADS_CPU_PCT);
576
577         return (mg);
578 }
579
580 void
581 metaslab_group_destroy(metaslab_group_t *mg)
582 {
583         ASSERT(mg->mg_prev == NULL);
584         ASSERT(mg->mg_next == NULL);
585         /*
586          * We may have gone below zero with the activation count
587          * either because we never activated in the first place or
588          * because we're done, and possibly removing the vdev.
589          */
590         ASSERT(mg->mg_activation_count <= 0);
591
592         taskq_destroy(mg->mg_taskq);
593         avl_destroy(&mg->mg_metaslab_tree);
594         mutex_destroy(&mg->mg_lock);
595         kmem_free(mg, sizeof (metaslab_group_t));
596 }
597
598 void
599 metaslab_group_activate(metaslab_group_t *mg)
600 {
601         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
602         metaslab_group_t *mgprev, *mgnext;
603
604         ASSERT(spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALLOC, RW_WRITER));
605
606         ASSERT(mc->mc_rotor != mg);
607         ASSERT(mg->mg_prev == NULL);
608         ASSERT(mg->mg_next == NULL);
609         ASSERT(mg->mg_activation_count <= 0);
610
611         if (++mg->mg_activation_count <= 0)
612                 return;
613
614         mg->mg_aliquot = metaslab_aliquot * MAX(1, mg->mg_vd->vdev_children);
615         metaslab_group_alloc_update(mg);
616
617         if ((mgprev = mc->mc_rotor) == NULL) {
618                 mg->mg_prev = mg;
619                 mg->mg_next = mg;
620         } else {
621                 mgnext = mgprev->mg_next;
622                 mg->mg_prev = mgprev;
623                 mg->mg_next = mgnext;
624                 mgprev->mg_next = mg;
625                 mgnext->mg_prev = mg;
626         }
627         mc->mc_rotor = mg;
628         metaslab_class_minblocksize_update(mc);
629 }
630
631 void
632 metaslab_group_passivate(metaslab_group_t *mg)
633 {
634         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
635         metaslab_group_t *mgprev, *mgnext;
636
637         ASSERT(spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALLOC, RW_WRITER));
638
639         if (--mg->mg_activation_count != 0) {
640                 ASSERT(mc->mc_rotor != mg);
641                 ASSERT(mg->mg_prev == NULL);
642                 ASSERT(mg->mg_next == NULL);
643                 ASSERT(mg->mg_activation_count < 0);
644                 return;
645         }
646
647         taskq_wait(mg->mg_taskq);
648         metaslab_group_alloc_update(mg);
649
650         mgprev = mg->mg_prev;
651         mgnext = mg->mg_next;
652
653         if (mg == mgnext) {
654                 mc->mc_rotor = NULL;
655         } else {
656                 mc->mc_rotor = mgnext;
657                 mgprev->mg_next = mgnext;
658                 mgnext->mg_prev = mgprev;
659         }
660
661         mg->mg_prev = NULL;
662         mg->mg_next = NULL;
663         metaslab_class_minblocksize_update(mc);
664 }
665
666 uint64_t
667 metaslab_group_get_space(metaslab_group_t *mg)
668 {
669         return ((1ULL << mg->mg_vd->vdev_ms_shift) * mg->mg_vd->vdev_ms_count);
670 }
671
672 void
673 metaslab_group_histogram_verify(metaslab_group_t *mg)
674 {
675         uint64_t *mg_hist;
676         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
677         uint64_t ashift = vd->vdev_ashift;
678         int i;
679
680         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_HISTOGRAM_VERIFY) == 0)
681                 return;
682
683         mg_hist = kmem_zalloc(sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE,
684             KM_SLEEP);
685
686         ASSERT3U(RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE, >=,
687             SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE + ashift);
688
689         for (int m = 0; m < vd->vdev_ms_count; m++) {
690                 metaslab_t *msp = vd->vdev_ms[m];
691
692                 if (msp->ms_sm == NULL)
693                         continue;
694
695                 for (i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++)
696                         mg_hist[i + ashift] +=
697                             msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
698         }
699
700         for (i = 0; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i ++)
701                 VERIFY3U(mg_hist[i], ==, mg->mg_histogram[i]);
702
703         kmem_free(mg_hist, sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE);
704 }
705
706 static void
707 metaslab_group_histogram_add(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
708 {
709         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
710         uint64_t ashift = mg->mg_vd->vdev_ashift;
711
712         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
713         if (msp->ms_sm == NULL)
714                 return;
715
716         mutex_enter(&mg->mg_lock);
717         for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
718                 mg->mg_histogram[i + ashift] +=
719                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
720                 mc->mc_histogram[i + ashift] +=
721                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
722         }
723         mutex_exit(&mg->mg_lock);
724 }
725
726 void
727 metaslab_group_histogram_remove(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
728 {
729         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
730         uint64_t ashift = mg->mg_vd->vdev_ashift;
731
732         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
733         if (msp->ms_sm == NULL)
734                 return;
735
736         mutex_enter(&mg->mg_lock);
737         for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
738                 ASSERT3U(mg->mg_histogram[i + ashift], >=,
739                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i]);
740                 ASSERT3U(mc->mc_histogram[i + ashift], >=,
741                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i]);
742
743                 mg->mg_histogram[i + ashift] -=
744                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
745                 mc->mc_histogram[i + ashift] -=
746                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
747         }
748         mutex_exit(&mg->mg_lock);
749 }
750
751 static void
752 metaslab_group_add(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
753 {
754         ASSERT(msp->ms_group == NULL);
755         mutex_enter(&mg->mg_lock);
756         msp->ms_group = mg;
757         msp->ms_weight = 0;
758         avl_add(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
759         mutex_exit(&mg->mg_lock);
760
761         mutex_enter(&msp->ms_lock);
762         metaslab_group_histogram_add(mg, msp);
763         mutex_exit(&msp->ms_lock);
764 }
765
766 static void
767 metaslab_group_remove(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
768 {
769         mutex_enter(&msp->ms_lock);
770         metaslab_group_histogram_remove(mg, msp);
771         mutex_exit(&msp->ms_lock);
772
773         mutex_enter(&mg->mg_lock);
774         ASSERT(msp->ms_group == mg);
775         avl_remove(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
776         msp->ms_group = NULL;
777         mutex_exit(&mg->mg_lock);
778 }
779
780 static void
781 metaslab_group_sort(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp, uint64_t weight)
782 {
783         /*
784          * Although in principle the weight can be any value, in
785          * practice we do not use values in the range [1, 511].
786          */
787         ASSERT(weight >= SPA_MINBLOCKSIZE || weight == 0);
788         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
789
790         mutex_enter(&mg->mg_lock);
791         ASSERT(msp->ms_group == mg);
792         avl_remove(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
793         msp->ms_weight = weight;
794         avl_add(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
795         mutex_exit(&mg->mg_lock);
796 }
797
798 /*
799  * Calculate the fragmentation for a given metaslab group. We can use
800  * a simple average here since all metaslabs within the group must have
801  * the same size. The return value will be a value between 0 and 100
802  * (inclusive), or ZFS_FRAG_INVALID if less than half of the metaslab in this
803  * group have a fragmentation metric.
804  */
805 uint64_t
806 metaslab_group_fragmentation(metaslab_group_t *mg)
807 {
808         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
809         uint64_t fragmentation = 0;
810         uint64_t valid_ms = 0;
811
812         for (int m = 0; m < vd->vdev_ms_count; m++) {
813                 metaslab_t *msp = vd->vdev_ms[m];
814
815                 if (msp->ms_fragmentation == ZFS_FRAG_INVALID)
816                         continue;
817
818                 valid_ms++;
819                 fragmentation += msp->ms_fragmentation;
820         }
821
822         if (valid_ms <= vd->vdev_ms_count / 2)
823                 return (ZFS_FRAG_INVALID);
824
825         fragmentation /= valid_ms;
826         ASSERT3U(fragmentation, <=, 100);
827         return (fragmentation);
828 }
829
830 /*
831  * Determine if a given metaslab group should skip allocations. A metaslab
832  * group should avoid allocations if its free capacity is less than the
833  * zfs_mg_noalloc_threshold or its fragmentation metric is greater than
834  * zfs_mg_fragmentation_threshold and there is at least one metaslab group
835  * that can still handle allocations.
836  */
837 static boolean_t
838 metaslab_group_allocatable(metaslab_group_t *mg)
839 {
840         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
841         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
842         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
843
844         /*
845          * We use two key metrics to determine if a metaslab group is
846          * considered allocatable -- free space and fragmentation. If
847          * the free space is greater than the free space threshold and
848          * the fragmentation is less than the fragmentation threshold then
849          * consider the group allocatable. There are two case when we will
850          * not consider these key metrics. The first is if the group is
851          * associated with a slog device and the second is if all groups
852          * in this metaslab class have already been consider ineligible
853          * for allocations.
854          */
855         return ((mg->mg_free_capacity > zfs_mg_noalloc_threshold &&
856             (mg->mg_fragmentation == ZFS_FRAG_INVALID ||
857             mg->mg_fragmentation <= zfs_mg_fragmentation_threshold)) ||
858             mc != spa_normal_class(spa) || mc->mc_alloc_groups == 0);
859 }
860
861 /*
862  * ==========================================================================
863  * Range tree callbacks
864  * ==========================================================================
865  */
866
867 /*
868  * Comparison function for the private size-ordered tree. Tree is sorted
869  * by size, larger sizes at the end of the tree.
870  */
871 static int
872 metaslab_rangesize_compare(const void *x1, const void *x2)
873 {
874         const range_seg_t *r1 = x1;
875         const range_seg_t *r2 = x2;
876         uint64_t rs_size1 = r1->rs_end - r1->rs_start;
877         uint64_t rs_size2 = r2->rs_end - r2->rs_start;
878
879         if (rs_size1 < rs_size2)
880                 return (-1);
881         if (rs_size1 > rs_size2)
882                 return (1);
883
884         if (r1->rs_start < r2->rs_start)
885                 return (-1);
886
887         if (r1->rs_start > r2->rs_start)
888                 return (1);
889
890         return (0);
891 }
892
893 /*
894  * Create any block allocator specific components. The current allocators
895  * rely on using both a size-ordered range_tree_t and an array of uint64_t's.
896  */
897 static void
898 metaslab_rt_create(range_tree_t *rt, void *arg)
899 {
900         metaslab_t *msp = arg;
901
902         ASSERT3P(rt->rt_arg, ==, msp);
903         ASSERT(msp->ms_tree == NULL);
904
905         avl_create(&msp->ms_size_tree, metaslab_rangesize_compare,
906             sizeof (range_seg_t), offsetof(range_seg_t, rs_pp_node));
907 }
908
909 /*
910  * Destroy the block allocator specific components.
911  */
912 static void
913 metaslab_rt_destroy(range_tree_t *rt, void *arg)
914 {
915         metaslab_t *msp = arg;
916
917         ASSERT3P(rt->rt_arg, ==, msp);
918         ASSERT3P(msp->ms_tree, ==, rt);
919         ASSERT0(avl_numnodes(&msp->ms_size_tree));
920
921         avl_destroy(&msp->ms_size_tree);
922 }
923
924 static void
925 metaslab_rt_add(range_tree_t *rt, range_seg_t *rs, void *arg)
926 {
927         metaslab_t *msp = arg;
928
929         ASSERT3P(rt->rt_arg, ==, msp);
930         ASSERT3P(msp->ms_tree, ==, rt);
931         VERIFY(!msp->ms_condensing);
932         avl_add(&msp->ms_size_tree, rs);
933 }
934
935 static void
936 metaslab_rt_remove(range_tree_t *rt, range_seg_t *rs, void *arg)
937 {
938         metaslab_t *msp = arg;
939
940         ASSERT3P(rt->rt_arg, ==, msp);
941         ASSERT3P(msp->ms_tree, ==, rt);
942         VERIFY(!msp->ms_condensing);
943         avl_remove(&msp->ms_size_tree, rs);
944 }
945
946 static void
947 metaslab_rt_vacate(range_tree_t *rt, void *arg)
948 {
949         metaslab_t *msp = arg;
950
951         ASSERT3P(rt->rt_arg, ==, msp);
952         ASSERT3P(msp->ms_tree, ==, rt);
953
954         /*
955          * Normally one would walk the tree freeing nodes along the way.
956          * Since the nodes are shared with the range trees we can avoid
957          * walking all nodes and just reinitialize the avl tree. The nodes
958          * will be freed by the range tree, so we don't want to free them here.
959          */
960         avl_create(&msp->ms_size_tree, metaslab_rangesize_compare,
961             sizeof (range_seg_t), offsetof(range_seg_t, rs_pp_node));
962 }
963
964 static range_tree_ops_t metaslab_rt_ops = {
965         metaslab_rt_create,
966         metaslab_rt_destroy,
967         metaslab_rt_add,
968         metaslab_rt_remove,
969         metaslab_rt_vacate
970 };
971
972 /*
973  * ==========================================================================
974  * Metaslab block operations
975  * ==========================================================================
976  */
977
978 /*
979  * Return the maximum contiguous segment within the metaslab.
980  */
981 uint64_t
982 metaslab_block_maxsize(metaslab_t *msp)
983 {
984         avl_tree_t *t = &msp->ms_size_tree;
985         range_seg_t *rs;
986
987         if (t == NULL || (rs = avl_last(t)) == NULL)
988                 return (0ULL);
989
990         return (rs->rs_end - rs->rs_start);
991 }
992
993 uint64_t
994 metaslab_block_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
995 {
996         uint64_t start;
997         range_tree_t *rt = msp->ms_tree;
998
999         VERIFY(!msp->ms_condensing);
1000
1001         start = msp->ms_ops->msop_alloc(msp, size);
1002         if (start != -1ULL) {
1003                 vdev_t *vd = msp->ms_group->mg_vd;
1004
1005                 VERIFY0(P2PHASE(start, 1ULL << vd->vdev_ashift));
1006                 VERIFY0(P2PHASE(size, 1ULL << vd->vdev_ashift));
1007                 VERIFY3U(range_tree_space(rt) - size, <=, msp->ms_size);
1008                 range_tree_remove(rt, start, size);
1009         }
1010         return (start);
1011 }
1012
1013 /*
1014  * ==========================================================================
1015  * Common allocator routines
1016  * ==========================================================================
1017  */
1018
1019 /*
1020  * This is a helper function that can be used by the allocator to find
1021  * a suitable block to allocate. This will search the specified AVL
1022  * tree looking for a block that matches the specified criteria.
1023  */
1024 static uint64_t
1025 metaslab_block_picker(avl_tree_t *t, uint64_t *cursor, uint64_t size,
1026     uint64_t align)
1027 {
1028         range_seg_t *rs, rsearch;
1029         avl_index_t where;
1030
1031         rsearch.rs_start = *cursor;
1032         rsearch.rs_end = *cursor + size;
1033
1034         rs = avl_find(t, &rsearch, &where);
1035         if (rs == NULL)
1036                 rs = avl_nearest(t, where, AVL_AFTER);
1037
1038         while (rs != NULL) {
1039                 uint64_t offset = P2ROUNDUP(rs->rs_start, align);
1040
1041                 if (offset + size <= rs->rs_end) {
1042                         *cursor = offset + size;
1043                         return (offset);
1044                 }
1045                 rs = AVL_NEXT(t, rs);
1046         }
1047
1048         /*
1049          * If we know we've searched the whole map (*cursor == 0), give up.
1050          * Otherwise, reset the cursor to the beginning and try again.
1051          */
1052         if (*cursor == 0)
1053                 return (-1ULL);
1054
1055         *cursor = 0;
1056         return (metaslab_block_picker(t, cursor, size, align));
1057 }
1058
1059 /*
1060  * ==========================================================================
1061  * The first-fit block allocator
1062  * ==========================================================================
1063  */
1064 static uint64_t
1065 metaslab_ff_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1066 {
1067         /*
1068          * Find the largest power of 2 block size that evenly divides the
1069          * requested size. This is used to try to allocate blocks with similar
1070          * alignment from the same area of the metaslab (i.e. same cursor
1071          * bucket) but it does not guarantee that other allocations sizes
1072          * may exist in the same region.
1073          */
1074         uint64_t align = size & -size;
1075         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[highbit64(align) - 1];
1076         avl_tree_t *t = &msp->ms_tree->rt_root;
1077
1078         return (metaslab_block_picker(t, cursor, size, align));
1079 }
1080
1081 static metaslab_ops_t metaslab_ff_ops = {
1082         metaslab_ff_alloc
1083 };
1084
1085 /*
1086  * ==========================================================================
1087  * Dynamic block allocator -
1088  * Uses the first fit allocation scheme until space get low and then
1089  * adjusts to a best fit allocation method. Uses metaslab_df_alloc_threshold
1090  * and metaslab_df_free_pct to determine when to switch the allocation scheme.
1091  * ==========================================================================
1092  */
1093 static uint64_t
1094 metaslab_df_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1095 {
1096         /*
1097          * Find the largest power of 2 block size that evenly divides the
1098          * requested size. This is used to try to allocate blocks with similar
1099          * alignment from the same area of the metaslab (i.e. same cursor
1100          * bucket) but it does not guarantee that other allocations sizes
1101          * may exist in the same region.
1102          */
1103         uint64_t align = size & -size;
1104         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[highbit64(align) - 1];
1105         range_tree_t *rt = msp->ms_tree;
1106         avl_tree_t *t = &rt->rt_root;
1107         uint64_t max_size = metaslab_block_maxsize(msp);
1108         int free_pct = range_tree_space(rt) * 100 / msp->ms_size;
1109
1110         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1111         ASSERT3U(avl_numnodes(t), ==, avl_numnodes(&msp->ms_size_tree));
1112
1113         if (max_size < size)
1114                 return (-1ULL);
1115
1116         /*
1117          * If we're running low on space switch to using the size
1118          * sorted AVL tree (best-fit).
1119          */
1120         if (max_size < metaslab_df_alloc_threshold ||
1121             free_pct < metaslab_df_free_pct) {
1122                 t = &msp->ms_size_tree;
1123                 *cursor = 0;
1124         }
1125
1126         return (metaslab_block_picker(t, cursor, size, 1ULL));
1127 }
1128
1129 static metaslab_ops_t metaslab_df_ops = {
1130         metaslab_df_alloc
1131 };
1132
1133 /*
1134  * ==========================================================================
1135  * Cursor fit block allocator -
1136  * Select the largest region in the metaslab, set the cursor to the beginning
1137  * of the range and the cursor_end to the end of the range. As allocations
1138  * are made advance the cursor. Continue allocating from the cursor until
1139  * the range is exhausted and then find a new range.
1140  * ==========================================================================
1141  */
1142 static uint64_t
1143 metaslab_cf_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1144 {
1145         range_tree_t *rt = msp->ms_tree;
1146         avl_tree_t *t = &msp->ms_size_tree;
1147         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[0];
1148         uint64_t *cursor_end = &msp->ms_lbas[1];
1149         uint64_t offset = 0;
1150
1151         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1152         ASSERT3U(avl_numnodes(t), ==, avl_numnodes(&rt->rt_root));
1153
1154         ASSERT3U(*cursor_end, >=, *cursor);
1155
1156         if ((*cursor + size) > *cursor_end) {
1157                 range_seg_t *rs;
1158
1159                 rs = avl_last(&msp->ms_size_tree);
1160                 if (rs == NULL || (rs->rs_end - rs->rs_start) < size)
1161                         return (-1ULL);
1162
1163                 *cursor = rs->rs_start;
1164                 *cursor_end = rs->rs_end;
1165         }
1166
1167         offset = *cursor;
1168         *cursor += size;
1169
1170         return (offset);
1171 }
1172
1173 static metaslab_ops_t metaslab_cf_ops = {
1174         metaslab_cf_alloc
1175 };
1176
1177 /*
1178  * ==========================================================================
1179  * New dynamic fit allocator -
1180  * Select a region that is large enough to allocate 2^metaslab_ndf_clump_shift
1181  * contiguous blocks. If no region is found then just use the largest segment
1182  * that remains.
1183  * ==========================================================================
1184  */
1185
1186 /*
1187  * Determines desired number of contiguous blocks (2^metaslab_ndf_clump_shift)
1188  * to request from the allocator.
1189  */
1190 uint64_t metaslab_ndf_clump_shift = 4;
1191
1192 static uint64_t
1193 metaslab_ndf_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1194 {
1195         avl_tree_t *t = &msp->ms_tree->rt_root;
1196         avl_index_t where;
1197         range_seg_t *rs, rsearch;
1198         uint64_t hbit = highbit64(size);
1199         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[hbit - 1];
1200         uint64_t max_size = metaslab_block_maxsize(msp);
1201
1202         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1203         ASSERT3U(avl_numnodes(t), ==, avl_numnodes(&msp->ms_size_tree));
1204
1205         if (max_size < size)
1206                 return (-1ULL);
1207
1208         rsearch.rs_start = *cursor;
1209         rsearch.rs_end = *cursor + size;
1210
1211         rs = avl_find(t, &rsearch, &where);
1212         if (rs == NULL || (rs->rs_end - rs->rs_start) < size) {
1213                 t = &msp->ms_size_tree;
1214
1215                 rsearch.rs_start = 0;
1216                 rsearch.rs_end = MIN(max_size,
1217                     1ULL << (hbit + metaslab_ndf_clump_shift));
1218                 rs = avl_find(t, &rsearch, &where);
1219                 if (rs == NULL)
1220                         rs = avl_nearest(t, where, AVL_AFTER);
1221                 ASSERT(rs != NULL);
1222         }
1223
1224         if ((rs->rs_end - rs->rs_start) >= size) {
1225                 *cursor = rs->rs_start + size;
1226                 return (rs->rs_start);
1227         }
1228         return (-1ULL);
1229 }
1230
1231 static metaslab_ops_t metaslab_ndf_ops = {
1232         metaslab_ndf_alloc
1233 };
1234
1235 metaslab_ops_t *zfs_metaslab_ops = &metaslab_df_ops;
1236
1237 /*
1238  * ==========================================================================
1239  * Metaslabs
1240  * ==========================================================================
1241  */
1242
1243 /*
1244  * Wait for any in-progress metaslab loads to complete.
1245  */
1246 void
1247 metaslab_load_wait(metaslab_t *msp)
1248 {
1249         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1250
1251         while (msp->ms_loading) {
1252                 ASSERT(!msp->ms_loaded);
1253                 cv_wait(&msp->ms_load_cv, &msp->ms_lock);
1254         }
1255 }
1256
1257 int
1258 metaslab_load(metaslab_t *msp)
1259 {
1260         int error = 0;
1261
1262         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1263         ASSERT(!msp->ms_loaded);
1264         ASSERT(!msp->ms_loading);
1265
1266         msp->ms_loading = B_TRUE;
1267
1268         /*
1269          * If the space map has not been allocated yet, then treat
1270          * all the space in the metaslab as free and add it to the
1271          * ms_tree.
1272          */
1273         if (msp->ms_sm != NULL)
1274                 error = space_map_load(msp->ms_sm, msp->ms_tree, SM_FREE);
1275         else
1276                 range_tree_add(msp->ms_tree, msp->ms_start, msp->ms_size);
1277
1278         msp->ms_loaded = (error == 0);
1279         msp->ms_loading = B_FALSE;
1280
1281         if (msp->ms_loaded) {
1282                 for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
1283                         range_tree_walk(msp->ms_defertree[t],
1284                             range_tree_remove, msp->ms_tree);
1285                 }
1286         }
1287         cv_broadcast(&msp->ms_load_cv);
1288         return (error);
1289 }
1290
1291 void
1292 metaslab_unload(metaslab_t *msp)
1293 {
1294         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1295         range_tree_vacate(msp->ms_tree, NULL, NULL);
1296         msp->ms_loaded = B_FALSE;
1297         msp->ms_weight &= ~METASLAB_ACTIVE_MASK;
1298 }
1299
1300 metaslab_t *
1301 metaslab_init(metaslab_group_t *mg, uint64_t id, uint64_t object, uint64_t txg)
1302 {
1303         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
1304         objset_t *mos = vd->vdev_spa->spa_meta_objset;
1305         metaslab_t *msp;
1306
1307         msp = kmem_zalloc(sizeof (metaslab_t), KM_SLEEP);
1308         mutex_init(&msp->ms_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
1309         cv_init(&msp->ms_load_cv, NULL, CV_DEFAULT, NULL);
1310         msp->ms_id = id;
1311         msp->ms_start = id << vd->vdev_ms_shift;
1312         msp->ms_size = 1ULL << vd->vdev_ms_shift;
1313
1314         /*
1315          * We only open space map objects that already exist. All others
1316          * will be opened when we finally allocate an object for it.
1317          */
1318         if (object != 0) {
1319                 VERIFY0(space_map_open(&msp->ms_sm, mos, object, msp->ms_start,
1320                     msp->ms_size, vd->vdev_ashift, &msp->ms_lock));
1321                 ASSERT(msp->ms_sm != NULL);
1322         }
1323
1324         /*
1325          * We create the main range tree here, but we don't create the
1326          * alloctree and freetree until metaslab_sync_done().  This serves
1327          * two purposes: it allows metaslab_sync_done() to detect the
1328          * addition of new space; and for debugging, it ensures that we'd
1329          * data fault on any attempt to use this metaslab before it's ready.
1330          */
1331         msp->ms_tree = range_tree_create(&metaslab_rt_ops, msp, &msp->ms_lock);
1332         metaslab_group_add(mg, msp);
1333
1334         msp->ms_fragmentation = metaslab_fragmentation(msp);
1335         msp->ms_ops = mg->mg_class->mc_ops;
1336
1337         /*
1338          * If we're opening an existing pool (txg == 0) or creating
1339          * a new one (txg == TXG_INITIAL), all space is available now.
1340          * If we're adding space to an existing pool, the new space
1341          * does not become available until after this txg has synced.
1342          */
1343         if (txg <= TXG_INITIAL)
1344                 metaslab_sync_done(msp, 0);
1345
1346         /*
1347          * If metaslab_debug_load is set and we're initializing a metaslab
1348          * that has an allocated space_map object then load the its space
1349          * map so that can verify frees.
1350          */
1351         if (metaslab_debug_load && msp->ms_sm != NULL) {
1352                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
1353                 VERIFY0(metaslab_load(msp));
1354                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
1355         }
1356
1357         if (txg != 0) {
1358                 vdev_dirty(vd, 0, NULL, txg);
1359                 vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
1360         }
1361
1362         return (msp);
1363 }
1364
1365 void
1366 metaslab_fini(metaslab_t *msp)
1367 {
1368         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
1369
1370         metaslab_group_remove(mg, msp);
1371
1372         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1373
1374         VERIFY(msp->ms_group == NULL);
1375         vdev_space_update(mg->mg_vd, -space_map_allocated(msp->ms_sm),
1376             0, -msp->ms_size);
1377         space_map_close(msp->ms_sm);
1378
1379         metaslab_unload(msp);
1380         range_tree_destroy(msp->ms_tree);
1381
1382         for (int t = 0; t < TXG_SIZE; t++) {
1383                 range_tree_destroy(msp->ms_alloctree[t]);
1384                 range_tree_destroy(msp->ms_freetree[t]);
1385         }
1386
1387         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
1388                 range_tree_destroy(msp->ms_defertree[t]);
1389         }
1390
1391         ASSERT0(msp->ms_deferspace);
1392
1393         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1394         cv_destroy(&msp->ms_load_cv);
1395         mutex_destroy(&msp->ms_lock);
1396
1397         kmem_free(msp, sizeof (metaslab_t));
1398 }
1399
1400 #define FRAGMENTATION_TABLE_SIZE        17
1401
1402 /*
1403  * This table defines a segment size based fragmentation metric that will
1404  * allow each metaslab to derive its own fragmentation value. This is done
1405  * by calculating the space in each bucket of the spacemap histogram and
1406  * multiplying that by the fragmetation metric in this table. Doing
1407  * this for all buckets and dividing it by the total amount of free
1408  * space in this metaslab (i.e. the total free space in all buckets) gives
1409  * us the fragmentation metric. This means that a high fragmentation metric
1410  * equates to most of the free space being comprised of small segments.
1411  * Conversely, if the metric is low, then most of the free space is in
1412  * large segments. A 10% change in fragmentation equates to approximately
1413  * double the number of segments.
1414  *
1415  * This table defines 0% fragmented space using 16MB segments. Testing has
1416  * shown that segments that are greater than or equal to 16MB do not suffer
1417  * from drastic performance problems. Using this value, we derive the rest
1418  * of the table. Since the fragmentation value is never stored on disk, it
1419  * is possible to change these calculations in the future.
1420  */
1421 int zfs_frag_table[FRAGMENTATION_TABLE_SIZE] = {
1422         100,    /* 512B */
1423         100,    /* 1K   */
1424         98,     /* 2K   */
1425         95,     /* 4K   */
1426         90,     /* 8K   */
1427         80,     /* 16K  */
1428         70,     /* 32K  */
1429         60,     /* 64K  */
1430         50,     /* 128K */
1431         40,     /* 256K */
1432         30,     /* 512K */
1433         20,     /* 1M   */
1434         15,     /* 2M   */
1435         10,     /* 4M   */
1436         5,      /* 8M   */
1437         0       /* 16M  */
1438 };
1439
1440 /*
1441  * Calclate the metaslab's fragmentation metric. A return value
1442  * of ZFS_FRAG_INVALID means that the metaslab has not been upgraded and does
1443  * not support this metric. Otherwise, the return value should be in the
1444  * range [0, 100].
1445  */
1446 static uint64_t
1447 metaslab_fragmentation(metaslab_t *msp)
1448 {
1449         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
1450         uint64_t fragmentation = 0;
1451         uint64_t total = 0;
1452         boolean_t feature_enabled = spa_feature_is_enabled(spa,
1453             SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM);
1454
1455         if (!feature_enabled)
1456                 return (ZFS_FRAG_INVALID);
1457
1458         /*
1459          * A null space map means that the entire metaslab is free
1460          * and thus is not fragmented.
1461          */
1462         if (msp->ms_sm == NULL)
1463                 return (0);
1464
1465         /*
1466          * If this metaslab's space_map has not been upgraded, flag it
1467          * so that we upgrade next time we encounter it.
1468          */
1469         if (msp->ms_sm->sm_dbuf->db_size != sizeof (space_map_phys_t)) {
1470                 uint64_t txg = spa_syncing_txg(spa);
1471                 vdev_t *vd = msp->ms_group->mg_vd;
1472
1473                 if (spa_writeable(spa)) {
1474                         msp->ms_condense_wanted = B_TRUE;
1475                         vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg + 1);
1476                         spa_dbgmsg(spa, "txg %llu, requesting force condense: "
1477                             "msp %p, vd %p", txg, msp, vd);
1478                 }
1479                 return (ZFS_FRAG_INVALID);
1480         }
1481
1482         for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
1483                 uint64_t space = 0;
1484                 uint8_t shift = msp->ms_sm->sm_shift;
1485                 int idx = MIN(shift - SPA_MINBLOCKSHIFT + i,
1486                     FRAGMENTATION_TABLE_SIZE - 1);
1487
1488                 if (msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i] == 0)
1489                         continue;
1490
1491                 space = msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i] << (i + shift);
1492                 total += space;
1493
1494                 ASSERT3U(idx, <, FRAGMENTATION_TABLE_SIZE);
1495                 fragmentation += space * zfs_frag_table[idx];
1496         }
1497
1498         if (total > 0)
1499                 fragmentation /= total;
1500         ASSERT3U(fragmentation, <=, 100);
1501         return (fragmentation);
1502 }
1503
1504 /*
1505  * Compute a weight -- a selection preference value -- for the given metaslab.
1506  * This is based on the amount of free space, the level of fragmentation,
1507  * the LBA range, and whether the metaslab is loaded.
1508  */
1509 static uint64_t
1510 metaslab_weight(metaslab_t *msp)
1511 {
1512         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
1513         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
1514         uint64_t weight, space;
1515
1516         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1517
1518         /*
1519          * This vdev is in the process of being removed so there is nothing
1520          * for us to do here.
1521          */
1522         if (vd->vdev_removing) {
1523                 ASSERT0(space_map_allocated(msp->ms_sm));
1524                 ASSERT0(vd->vdev_ms_shift);
1525                 return (0);
1526         }
1527
1528         /*
1529          * The baseline weight is the metaslab's free space.
1530          */
1531         space = msp->ms_size - space_map_allocated(msp->ms_sm);
1532
1533         msp->ms_fragmentation = metaslab_fragmentation(msp);
1534         if (metaslab_fragmentation_factor_enabled &&
1535             msp->ms_fragmentation != ZFS_FRAG_INVALID) {
1536                 /*
1537                  * Use the fragmentation information to inversely scale
1538                  * down the baseline weight. We need to ensure that we
1539                  * don't exclude this metaslab completely when it's 100%
1540                  * fragmented. To avoid this we reduce the fragmented value
1541                  * by 1.
1542                  */
1543                 space = (space * (100 - (msp->ms_fragmentation - 1))) / 100;
1544
1545                 /*
1546                  * If space < SPA_MINBLOCKSIZE, then we will not allocate from
1547                  * this metaslab again. The fragmentation metric may have
1548                  * decreased the space to something smaller than
1549                  * SPA_MINBLOCKSIZE, so reset the space to SPA_MINBLOCKSIZE
1550                  * so that we can consume any remaining space.
1551                  */
1552                 if (space > 0 && space < SPA_MINBLOCKSIZE)
1553                         space = SPA_MINBLOCKSIZE;
1554         }
1555         weight = space;
1556
1557         /*
1558          * Modern disks have uniform bit density and constant angular velocity.
1559          * Therefore, the outer recording zones are faster (higher bandwidth)
1560          * than the inner zones by the ratio of outer to inner track diameter,
1561          * which is typically around 2:1.  We account for this by assigning
1562          * higher weight to lower metaslabs (multiplier ranging from 2x to 1x).
1563          * In effect, this means that we'll select the metaslab with the most
1564          * free bandwidth rather than simply the one with the most free space.
1565          */
1566         if (metaslab_lba_weighting_enabled) {
1567                 weight = 2 * weight - (msp->ms_id * weight) / vd->vdev_ms_count;
1568                 ASSERT(weight >= space && weight <= 2 * space);
1569         }
1570
1571         /*
1572          * If this metaslab is one we're actively using, adjust its
1573          * weight to make it preferable to any inactive metaslab so
1574          * we'll polish it off. If the fragmentation on this metaslab
1575          * has exceed our threshold, then don't mark it active.
1576          */
1577         if (msp->ms_loaded && msp->ms_fragmentation != ZFS_FRAG_INVALID &&
1578             msp->ms_fragmentation <= zfs_metaslab_fragmentation_threshold) {
1579                 weight |= (msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
1580         }
1581
1582         return (weight);
1583 }
1584
1585 static int
1586 metaslab_activate(metaslab_t *msp, uint64_t activation_weight)
1587 {
1588         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1589
1590         if ((msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) == 0) {
1591                 metaslab_load_wait(msp);
1592                 if (!msp->ms_loaded) {
1593                         int error = metaslab_load(msp);
1594                         if (error) {
1595                                 metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp, 0);
1596                                 return (error);
1597                         }
1598                 }
1599
1600                 metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp,
1601                     msp->ms_weight | activation_weight);
1602         }
1603         ASSERT(msp->ms_loaded);
1604         ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
1605
1606         return (0);
1607 }
1608
1609 static void
1610 metaslab_passivate(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1611 {
1612         /*
1613          * If size < SPA_MINBLOCKSIZE, then we will not allocate from
1614          * this metaslab again.  In that case, it had better be empty,
1615          * or we would be leaving space on the table.
1616          */
1617         ASSERT(size >= SPA_MINBLOCKSIZE || range_tree_space(msp->ms_tree) == 0);
1618         metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp, MIN(msp->ms_weight, size));
1619         ASSERT((msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) == 0);
1620 }
1621
1622 static void
1623 metaslab_preload(void *arg)
1624 {
1625         metaslab_t *msp = arg;
1626         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
1627
1628         ASSERT(!MUTEX_HELD(&msp->ms_group->mg_lock));
1629
1630         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1631         metaslab_load_wait(msp);
1632         if (!msp->ms_loaded)
1633                 (void) metaslab_load(msp);
1634
1635         /*
1636          * Set the ms_access_txg value so that we don't unload it right away.
1637          */
1638         msp->ms_access_txg = spa_syncing_txg(spa) + metaslab_unload_delay + 1;
1639         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1640 }
1641
1642 static void
1643 metaslab_group_preload(metaslab_group_t *mg)
1644 {
1645         spa_t *spa = mg->mg_vd->vdev_spa;
1646         metaslab_t *msp;
1647         avl_tree_t *t = &mg->mg_metaslab_tree;
1648         int m = 0;
1649
1650         if (spa_shutting_down(spa) || !metaslab_preload_enabled) {
1651                 taskq_wait(mg->mg_taskq);
1652                 return;
1653         }
1654
1655         mutex_enter(&mg->mg_lock);
1656         /*
1657          * Load the next potential metaslabs
1658          */
1659         msp = avl_first(t);
1660         while (msp != NULL) {
1661                 metaslab_t *msp_next = AVL_NEXT(t, msp);
1662
1663                 /*
1664                  * We preload only the maximum number of metaslabs specified
1665                  * by metaslab_preload_limit. If a metaslab is being forced
1666                  * to condense then we preload it too. This will ensure
1667                  * that force condensing happens in the next txg.
1668                  */
1669                 if (++m > metaslab_preload_limit && !msp->ms_condense_wanted) {
1670                         msp = msp_next;
1671                         continue;
1672                 }
1673
1674                 /*
1675                  * We must drop the metaslab group lock here to preserve
1676                  * lock ordering with the ms_lock (when grabbing both
1677                  * the mg_lock and the ms_lock, the ms_lock must be taken
1678                  * first).  As a result, it is possible that the ordering
1679                  * of the metaslabs within the avl tree may change before
1680                  * we reacquire the lock. The metaslab cannot be removed from
1681                  * the tree while we're in syncing context so it is safe to
1682                  * drop the mg_lock here. If the metaslabs are reordered
1683                  * nothing will break -- we just may end up loading a
1684                  * less than optimal one.
1685                  */
1686                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
1687                 VERIFY(taskq_dispatch(mg->mg_taskq, metaslab_preload,
1688                     msp, TQ_SLEEP) != 0);
1689                 mutex_enter(&mg->mg_lock);
1690                 msp = msp_next;
1691         }
1692         mutex_exit(&mg->mg_lock);
1693 }
1694
1695 /*
1696  * Determine if the space map's on-disk footprint is past our tolerance
1697  * for inefficiency. We would like to use the following criteria to make
1698  * our decision:
1699  *
1700  * 1. The size of the space map object should not dramatically increase as a
1701  * result of writing out the free space range tree.
1702  *
1703  * 2. The minimal on-disk space map representation is zfs_condense_pct/100
1704  * times the size than the free space range tree representation
1705  * (i.e. zfs_condense_pct = 110 and in-core = 1MB, minimal = 1.1.MB).
1706  *
1707  * 3. The on-disk size of the space map should actually decrease.
1708  *
1709  * Checking the first condition is tricky since we don't want to walk
1710  * the entire AVL tree calculating the estimated on-disk size. Instead we
1711  * use the size-ordered range tree in the metaslab and calculate the
1712  * size required to write out the largest segment in our free tree. If the
1713  * size required to represent that segment on disk is larger than the space
1714  * map object then we avoid condensing this map.
1715  *
1716  * To determine the second criterion we use a best-case estimate and assume
1717  * each segment can be represented on-disk as a single 64-bit entry. We refer
1718  * to this best-case estimate as the space map's minimal form.
1719  *
1720  * Unfortunately, we cannot compute the on-disk size of the space map in this
1721  * context because we cannot accurately compute the effects of compression, etc.
1722  * Instead, we apply the heuristic described in the block comment for
1723  * zfs_metaslab_condense_block_threshold - we only condense if the space used
1724  * is greater than a threshold number of blocks.
1725  */
1726 static boolean_t
1727 metaslab_should_condense(metaslab_t *msp)
1728 {
1729         space_map_t *sm = msp->ms_sm;
1730         range_seg_t *rs;
1731         uint64_t size, entries, segsz, object_size, optimal_size, record_size;
1732         dmu_object_info_t doi;
1733         uint64_t vdev_blocksize = 1 << msp->ms_group->mg_vd->vdev_ashift;
1734
1735         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1736         ASSERT(msp->ms_loaded);
1737
1738         /*
1739          * Use the ms_size_tree range tree, which is ordered by size, to
1740          * obtain the largest segment in the free tree. We always condense
1741          * metaslabs that are empty and metaslabs for which a condense
1742          * request has been made.
1743          */
1744         rs = avl_last(&msp->ms_size_tree);
1745         if (rs == NULL || msp->ms_condense_wanted)
1746                 return (B_TRUE);
1747
1748         /*
1749          * Calculate the number of 64-bit entries this segment would
1750          * require when written to disk. If this single segment would be
1751          * larger on-disk than the entire current on-disk structure, then
1752          * clearly condensing will increase the on-disk structure size.
1753          */
1754         size = (rs->rs_end - rs->rs_start) >> sm->sm_shift;
1755         entries = size / (MIN(size, SM_RUN_MAX));
1756         segsz = entries * sizeof (uint64_t);
1757
1758         optimal_size = sizeof (uint64_t) * avl_numnodes(&msp->ms_tree->rt_root);
1759         object_size = space_map_length(msp->ms_sm);
1760
1761         dmu_object_info_from_db(sm->sm_dbuf, &doi);
1762         record_size = MAX(doi.doi_data_block_size, vdev_blocksize);
1763
1764         return (segsz <= object_size &&
1765             object_size >= (optimal_size * zfs_condense_pct / 100) &&
1766             object_size > zfs_metaslab_condense_block_threshold * record_size);
1767 }
1768
1769 /*
1770  * Condense the on-disk space map representation to its minimized form.
1771  * The minimized form consists of a small number of allocations followed by
1772  * the entries of the free range tree.
1773  */
1774 static void
1775 metaslab_condense(metaslab_t *msp, uint64_t txg, dmu_tx_t *tx)
1776 {
1777         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
1778         range_tree_t *freetree = msp->ms_freetree[txg & TXG_MASK];
1779         range_tree_t *condense_tree;
1780         space_map_t *sm = msp->ms_sm;
1781
1782         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1783         ASSERT3U(spa_sync_pass(spa), ==, 1);
1784         ASSERT(msp->ms_loaded);
1785
1786
1787         spa_dbgmsg(spa, "condensing: txg %llu, msp[%llu] %p, "
1788             "smp size %llu, segments %lu, forcing condense=%s", txg,
1789             msp->ms_id, msp, space_map_length(msp->ms_sm),
1790             avl_numnodes(&msp->ms_tree->rt_root),
1791             msp->ms_condense_wanted ? "TRUE" : "FALSE");
1792
1793         msp->ms_condense_wanted = B_FALSE;
1794
1795         /*
1796          * Create an range tree that is 100% allocated. We remove segments
1797          * that have been freed in this txg, any deferred frees that exist,
1798          * and any allocation in the future. Removing segments should be
1799          * a relatively inexpensive operation since we expect these trees to
1800          * have a small number of nodes.
1801          */
1802         condense_tree = range_tree_create(NULL, NULL, &msp->ms_lock);
1803         range_tree_add(condense_tree, msp->ms_start, msp->ms_size);
1804
1805         /*
1806          * Remove what's been freed in this txg from the condense_tree.
1807          * Since we're in sync_pass 1, we know that all the frees from
1808          * this txg are in the freetree.
1809          */
1810         range_tree_walk(freetree, range_tree_remove, condense_tree);
1811
1812         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
1813                 range_tree_walk(msp->ms_defertree[t],
1814                     range_tree_remove, condense_tree);
1815         }
1816
1817         for (int t = 1; t < TXG_CONCURRENT_STATES; t++) {
1818                 range_tree_walk(msp->ms_alloctree[(txg + t) & TXG_MASK],
1819                     range_tree_remove, condense_tree);
1820         }
1821
1822         /*
1823          * We're about to drop the metaslab's lock thus allowing
1824          * other consumers to change it's content. Set the
1825          * metaslab's ms_condensing flag to ensure that
1826          * allocations on this metaslab do not occur while we're
1827          * in the middle of committing it to disk. This is only critical
1828          * for the ms_tree as all other range trees use per txg
1829          * views of their content.
1830          */
1831         msp->ms_condensing = B_TRUE;
1832
1833         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1834         space_map_truncate(sm, tx);
1835         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1836
1837         /*
1838          * While we would ideally like to create a space_map representation
1839          * that consists only of allocation records, doing so can be
1840          * prohibitively expensive because the in-core free tree can be
1841          * large, and therefore computationally expensive to subtract
1842          * from the condense_tree. Instead we sync out two trees, a cheap
1843          * allocation only tree followed by the in-core free tree. While not
1844          * optimal, this is typically close to optimal, and much cheaper to
1845          * compute.
1846          */
1847         space_map_write(sm, condense_tree, SM_ALLOC, tx);
1848         range_tree_vacate(condense_tree, NULL, NULL);
1849         range_tree_destroy(condense_tree);
1850
1851         space_map_write(sm, msp->ms_tree, SM_FREE, tx);
1852         msp->ms_condensing = B_FALSE;
1853 }
1854
1855 /*
1856  * Write a metaslab to disk in the context of the specified transaction group.
1857  */
1858 void
1859 metaslab_sync(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
1860 {
1861         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
1862         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
1863         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
1864         objset_t *mos = spa_meta_objset(spa);
1865         range_tree_t *alloctree = msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK];
1866         range_tree_t **freetree = &msp->ms_freetree[txg & TXG_MASK];
1867         range_tree_t **freed_tree =
1868             &msp->ms_freetree[TXG_CLEAN(txg) & TXG_MASK];
1869         dmu_tx_t *tx;
1870         uint64_t object = space_map_object(msp->ms_sm);
1871
1872         ASSERT(!vd->vdev_ishole);
1873
1874         /*
1875          * This metaslab has just been added so there's no work to do now.
1876          */
1877         if (*freetree == NULL) {
1878                 ASSERT3P(alloctree, ==, NULL);
1879                 return;
1880         }
1881
1882         ASSERT3P(alloctree, !=, NULL);
1883         ASSERT3P(*freetree, !=, NULL);
1884         ASSERT3P(*freed_tree, !=, NULL);
1885
1886         /*
1887          * Normally, we don't want to process a metaslab if there
1888          * are no allocations or frees to perform. However, if the metaslab
1889          * is being forced to condense we need to let it through.
1890          */
1891         if (range_tree_space(alloctree) == 0 &&
1892             range_tree_space(*freetree) == 0 &&
1893             !msp->ms_condense_wanted)
1894                 return;
1895
1896         /*
1897          * The only state that can actually be changing concurrently with
1898          * metaslab_sync() is the metaslab's ms_tree.  No other thread can
1899          * be modifying this txg's alloctree, freetree, freed_tree, or
1900          * space_map_phys_t. Therefore, we only hold ms_lock to satify
1901          * space_map ASSERTs. We drop it whenever we call into the DMU,
1902          * because the DMU can call down to us (e.g. via zio_free()) at
1903          * any time.
1904          */
1905
1906         tx = dmu_tx_create_assigned(spa_get_dsl(spa), txg);
1907
1908         if (msp->ms_sm == NULL) {
1909                 uint64_t new_object;
1910
1911                 new_object = space_map_alloc(mos, tx);
1912                 VERIFY3U(new_object, !=, 0);
1913
1914                 VERIFY0(space_map_open(&msp->ms_sm, mos, new_object,
1915                     msp->ms_start, msp->ms_size, vd->vdev_ashift,
1916                     &msp->ms_lock));
1917                 ASSERT(msp->ms_sm != NULL);
1918         }
1919
1920         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1921
1922         /*
1923          * Note: metaslab_condense() clears the space_map's histogram.
1924          * Therefore we must verify and remove this histogram before
1925          * condensing.
1926          */
1927         metaslab_group_histogram_verify(mg);
1928         metaslab_class_histogram_verify(mg->mg_class);
1929         metaslab_group_histogram_remove(mg, msp);
1930
1931         if (msp->ms_loaded && spa_sync_pass(spa) == 1 &&
1932             metaslab_should_condense(msp)) {
1933                 metaslab_condense(msp, txg, tx);
1934         } else {
1935                 space_map_write(msp->ms_sm, alloctree, SM_ALLOC, tx);
1936                 space_map_write(msp->ms_sm, *freetree, SM_FREE, tx);
1937         }
1938
1939         if (msp->ms_loaded) {
1940                 /*
1941                  * When the space map is loaded, we have an accruate
1942                  * histogram in the range tree. This gives us an opportunity
1943                  * to bring the space map's histogram up-to-date so we clear
1944                  * it first before updating it.
1945                  */
1946                 space_map_histogram_clear(msp->ms_sm);
1947                 space_map_histogram_add(msp->ms_sm, msp->ms_tree, tx);
1948         } else {
1949                 /*
1950                  * Since the space map is not loaded we simply update the
1951                  * exisiting histogram with what was freed in this txg. This
1952                  * means that the on-disk histogram may not have an accurate
1953                  * view of the free space but it's close enough to allow
1954                  * us to make allocation decisions.
1955                  */
1956                 space_map_histogram_add(msp->ms_sm, *freetree, tx);
1957         }
1958         metaslab_group_histogram_add(mg, msp);
1959         metaslab_group_histogram_verify(mg);
1960         metaslab_class_histogram_verify(mg->mg_class);
1961
1962         /*
1963          * For sync pass 1, we avoid traversing this txg's free range tree
1964          * and instead will just swap the pointers for freetree and
1965          * freed_tree. We can safely do this since the freed_tree is
1966          * guaranteed to be empty on the initial pass.
1967          */
1968         if (spa_sync_pass(spa) == 1) {
1969                 range_tree_swap(freetree, freed_tree);
1970         } else {
1971                 range_tree_vacate(*freetree, range_tree_add, *freed_tree);
1972         }
1973         range_tree_vacate(alloctree, NULL, NULL);
1974
1975         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK]));
1976         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freetree[txg & TXG_MASK]));
1977
1978         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1979
1980         if (object != space_map_object(msp->ms_sm)) {
1981                 object = space_map_object(msp->ms_sm);
1982                 dmu_write(mos, vd->vdev_ms_array, sizeof (uint64_t) *
1983                     msp->ms_id, sizeof (uint64_t), &object, tx);
1984         }
1985         dmu_tx_commit(tx);
1986 }
1987
1988 /*
1989  * Called after a transaction group has completely synced to mark
1990  * all of the metaslab's free space as usable.
1991  */
1992 void
1993 metaslab_sync_done(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
1994 {
1995         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
1996         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
1997         range_tree_t **freed_tree;
1998         range_tree_t **defer_tree;
1999         int64_t alloc_delta, defer_delta;
2000
2001         ASSERT(!vd->vdev_ishole);
2002
2003         mutex_enter(&msp->ms_lock);
2004
2005         /*
2006          * If this metaslab is just becoming available, initialize its
2007          * alloctrees, freetrees, and defertree and add its capacity to
2008          * the vdev.
2009          */
2010         if (msp->ms_freetree[TXG_CLEAN(txg) & TXG_MASK] == NULL) {
2011                 for (int t = 0; t < TXG_SIZE; t++) {
2012                         ASSERT(msp->ms_alloctree[t] == NULL);
2013                         ASSERT(msp->ms_freetree[t] == NULL);
2014
2015                         msp->ms_alloctree[t] = range_tree_create(NULL, msp,
2016                             &msp->ms_lock);
2017                         msp->ms_freetree[t] = range_tree_create(NULL, msp,
2018                             &msp->ms_lock);
2019                 }
2020
2021                 for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
2022                         ASSERT(msp->ms_defertree[t] == NULL);
2023
2024                         msp->ms_defertree[t] = range_tree_create(NULL, msp,
2025                             &msp->ms_lock);
2026                 }
2027
2028                 vdev_space_update(vd, 0, 0, msp->ms_size);
2029         }
2030
2031         freed_tree = &msp->ms_freetree[TXG_CLEAN(txg) & TXG_MASK];
2032         defer_tree = &msp->ms_defertree[txg % TXG_DEFER_SIZE];
2033
2034         alloc_delta = space_map_alloc_delta(msp->ms_sm);
2035         defer_delta = range_tree_space(*freed_tree) -
2036             range_tree_space(*defer_tree);
2037
2038         vdev_space_update(vd, alloc_delta + defer_delta, defer_delta, 0);
2039
2040         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK]));
2041         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freetree[txg & TXG_MASK]));
2042
2043         /*
2044          * If there's a metaslab_load() in progress, wait for it to complete
2045          * so that we have a consistent view of the in-core space map.
2046          */
2047         metaslab_load_wait(msp);
2048
2049         /*
2050          * Move the frees from the defer_tree back to the free
2051          * range tree (if it's loaded). Swap the freed_tree and the
2052          * defer_tree -- this is safe to do because we've just emptied out
2053          * the defer_tree.
2054          */
2055         range_tree_vacate(*defer_tree,
2056             msp->ms_loaded ? range_tree_add : NULL, msp->ms_tree);
2057         range_tree_swap(freed_tree, defer_tree);
2058
2059         space_map_update(msp->ms_sm);
2060
2061         msp->ms_deferspace += defer_delta;
2062         ASSERT3S(msp->ms_deferspace, >=, 0);
2063         ASSERT3S(msp->ms_deferspace, <=, msp->ms_size);
2064         if (msp->ms_deferspace != 0) {
2065                 /*
2066                  * Keep syncing this metaslab until all deferred frees
2067                  * are back in circulation.
2068                  */
2069                 vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg + 1);
2070         }
2071
2072         if (msp->ms_loaded && msp->ms_access_txg < txg) {
2073                 for (int t = 1; t < TXG_CONCURRENT_STATES; t++) {
2074                         VERIFY0(range_tree_space(
2075                             msp->ms_alloctree[(txg + t) & TXG_MASK]));
2076                 }
2077
2078                 if (!metaslab_debug_unload)
2079                         metaslab_unload(msp);
2080         }
2081
2082         metaslab_group_sort(mg, msp, metaslab_weight(msp));
2083         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2084 }
2085
2086 void
2087 metaslab_sync_reassess(metaslab_group_t *mg)
2088 {
2089         metaslab_group_alloc_update(mg);
2090         mg->mg_fragmentation = metaslab_group_fragmentation(mg);
2091
2092         /*
2093          * Preload the next potential metaslabs
2094          */
2095         metaslab_group_preload(mg);
2096 }
2097
2098 static uint64_t
2099 metaslab_distance(metaslab_t *msp, dva_t *dva)
2100 {
2101         uint64_t ms_shift = msp->ms_group->mg_vd->vdev_ms_shift;
2102         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva) >> ms_shift;
2103         uint64_t start = msp->ms_id;
2104
2105         if (msp->ms_group->mg_vd->vdev_id != DVA_GET_VDEV(dva))
2106                 return (1ULL << 63);
2107
2108         if (offset < start)
2109                 return ((start - offset) << ms_shift);
2110         if (offset > start)
2111                 return ((offset - start) << ms_shift);
2112         return (0);
2113 }
2114
2115 static uint64_t
2116 metaslab_group_alloc(metaslab_group_t *mg, uint64_t psize, uint64_t asize,
2117     uint64_t txg, uint64_t min_distance, dva_t *dva, int d)
2118 {
2119         spa_t *spa = mg->mg_vd->vdev_spa;
2120         metaslab_t *msp = NULL;
2121         uint64_t offset = -1ULL;
2122         avl_tree_t *t = &mg->mg_metaslab_tree;
2123         uint64_t activation_weight;
2124         uint64_t target_distance;
2125         int i;
2126
2127         activation_weight = METASLAB_WEIGHT_PRIMARY;
2128         for (i = 0; i < d; i++) {
2129                 if (DVA_GET_VDEV(&dva[i]) == mg->mg_vd->vdev_id) {
2130                         activation_weight = METASLAB_WEIGHT_SECONDARY;
2131                         break;
2132                 }
2133         }
2134
2135         for (;;) {
2136                 boolean_t was_active;
2137
2138                 mutex_enter(&mg->mg_lock);
2139                 for (msp = avl_first(t); msp; msp = AVL_NEXT(t, msp)) {
2140                         if (msp->ms_weight < asize) {
2141                                 spa_dbgmsg(spa, "%s: failed to meet weight "
2142                                     "requirement: vdev %llu, txg %llu, mg %p, "
2143                                     "msp %p, psize %llu, asize %llu, "
2144                                     "weight %llu", spa_name(spa),
2145                                     mg->mg_vd->vdev_id, txg,
2146                                     mg, msp, psize, asize, msp->ms_weight);
2147                                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
2148                                 return (-1ULL);
2149                         }
2150
2151                         /*
2152                          * If the selected metaslab is condensing, skip it.
2153                          */
2154                         if (msp->ms_condensing)
2155                                 continue;
2156
2157                         was_active = msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK;
2158                         if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY)
2159                                 break;
2160
2161                         target_distance = min_distance +
2162                             (space_map_allocated(msp->ms_sm) != 0 ? 0 :
2163                             min_distance >> 1);
2164
2165                         for (i = 0; i < d; i++)
2166                                 if (metaslab_distance(msp, &dva[i]) <
2167                                     target_distance)
2168                                         break;
2169                         if (i == d)
2170                                 break;
2171                 }
2172                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
2173                 if (msp == NULL)
2174                         return (-1ULL);
2175
2176                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
2177
2178                 /*
2179                  * Ensure that the metaslab we have selected is still
2180                  * capable of handling our request. It's possible that
2181                  * another thread may have changed the weight while we
2182                  * were blocked on the metaslab lock.
2183                  */
2184                 if (msp->ms_weight < asize || (was_active &&
2185                     !(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) &&
2186                     activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY)) {
2187                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2188                         continue;
2189                 }
2190
2191                 if ((msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_SECONDARY) &&
2192                     activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY) {
2193                         metaslab_passivate(msp,
2194                             msp->ms_weight & ~METASLAB_ACTIVE_MASK);
2195                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2196                         continue;
2197                 }
2198
2199                 if (metaslab_activate(msp, activation_weight) != 0) {
2200                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2201                         continue;
2202                 }
2203
2204                 /*
2205                  * If this metaslab is currently condensing then pick again as
2206                  * we can't manipulate this metaslab until it's committed
2207                  * to disk.
2208                  */
2209                 if (msp->ms_condensing) {
2210                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2211                         continue;
2212                 }
2213
2214                 if ((offset = metaslab_block_alloc(msp, asize)) != -1ULL)
2215                         break;
2216
2217                 metaslab_passivate(msp, metaslab_block_maxsize(msp));
2218                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
2219         }
2220
2221         if (range_tree_space(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK]) == 0)
2222                 vdev_dirty(mg->mg_vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
2223
2224         range_tree_add(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK], offset, asize);
2225         msp->ms_access_txg = txg + metaslab_unload_delay;
2226
2227         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2228
2229         return (offset);
2230 }
2231
2232 /*
2233  * Allocate a block for the specified i/o.
2234  */
2235 static int
2236 metaslab_alloc_dva(spa_t *spa, metaslab_class_t *mc, uint64_t psize,
2237     dva_t *dva, int d, dva_t *hintdva, uint64_t txg, int flags)
2238 {
2239         metaslab_group_t *mg, *rotor;
2240         vdev_t *vd;
2241         int dshift = 3;
2242         int all_zero;
2243         int zio_lock = B_FALSE;
2244         boolean_t allocatable;
2245         uint64_t offset = -1ULL;
2246         uint64_t asize;
2247         uint64_t distance;
2248
2249         ASSERT(!DVA_IS_VALID(&dva[d]));
2250
2251         /*
2252          * For testing, make some blocks above a certain size be gang blocks.
2253          */
2254         if (psize >= metaslab_gang_bang && (ddi_get_lbolt() & 3) == 0)
2255                 return (SET_ERROR(ENOSPC));
2256
2257         /*
2258          * Start at the rotor and loop through all mgs until we find something.
2259          * Note that there's no locking on mc_rotor or mc_aliquot because
2260          * nothing actually breaks if we miss a few updates -- we just won't
2261          * allocate quite as evenly.  It all balances out over time.
2262          *
2263          * If we are doing ditto or log blocks, try to spread them across
2264          * consecutive vdevs.  If we're forced to reuse a vdev before we've
2265          * allocated all of our ditto blocks, then try and spread them out on
2266          * that vdev as much as possible.  If it turns out to not be possible,
2267          * gradually lower our standards until anything becomes acceptable.
2268          * Also, allocating on consecutive vdevs (as opposed to random vdevs)
2269          * gives us hope of containing our fault domains to something we're
2270          * able to reason about.  Otherwise, any two top-level vdev failures
2271          * will guarantee the loss of data.  With consecutive allocation,
2272          * only two adjacent top-level vdev failures will result in data loss.
2273          *
2274          * If we are doing gang blocks (hintdva is non-NULL), try to keep
2275          * ourselves on the same vdev as our gang block header.  That
2276          * way, we can hope for locality in vdev_cache, plus it makes our
2277          * fault domains something tractable.
2278          */
2279         if (hintdva) {
2280                 vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&hintdva[d]));
2281
2282                 /*
2283                  * It's possible the vdev we're using as the hint no
2284                  * longer exists (i.e. removed). Consult the rotor when
2285                  * all else fails.
2286                  */
2287                 if (vd != NULL) {
2288                         mg = vd->vdev_mg;
2289
2290                         if (flags & METASLAB_HINTBP_AVOID &&
2291                             mg->mg_next != NULL)
2292                                 mg = mg->mg_next;
2293                 } else {
2294                         mg = mc->mc_rotor;
2295                 }
2296         } else if (d != 0) {
2297                 vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&dva[d - 1]));
2298                 mg = vd->vdev_mg->mg_next;
2299         } else {
2300                 mg = mc->mc_rotor;
2301         }
2302
2303         /*
2304          * If the hint put us into the wrong metaslab class, or into a
2305          * metaslab group that has been passivated, just follow the rotor.
2306          */
2307         if (mg->mg_class != mc || mg->mg_activation_count <= 0)
2308                 mg = mc->mc_rotor;
2309
2310         rotor = mg;
2311 top:
2312         all_zero = B_TRUE;
2313         do {
2314                 ASSERT(mg->mg_activation_count == 1);
2315
2316                 vd = mg->mg_vd;
2317
2318                 /*
2319                  * Don't allocate from faulted devices.
2320                  */
2321                 if (zio_lock) {
2322                         spa_config_enter(spa, SCL_ZIO, FTAG, RW_READER);
2323                         allocatable = vdev_allocatable(vd);
2324                         spa_config_exit(spa, SCL_ZIO, FTAG);
2325                 } else {
2326                         allocatable = vdev_allocatable(vd);
2327                 }
2328
2329                 /*
2330                  * Determine if the selected metaslab group is eligible
2331                  * for allocations. If we're ganging or have requested
2332                  * an allocation for the smallest gang block size
2333                  * then we don't want to avoid allocating to the this
2334                  * metaslab group. If we're in this condition we should
2335                  * try to allocate from any device possible so that we
2336                  * don't inadvertently return ENOSPC and suspend the pool
2337                  * even though space is still available.
2338                  */
2339                 if (allocatable && CAN_FASTGANG(flags) &&
2340                     psize > SPA_GANGBLOCKSIZE)
2341                         allocatable = metaslab_group_allocatable(mg);
2342
2343                 if (!allocatable)
2344                         goto next;
2345
2346                 /*
2347                  * Avoid writing single-copy data to a failing vdev
2348                  * unless the user instructs us that it is okay.
2349                  */
2350                 if ((vd->vdev_stat.vs_write_errors > 0 ||
2351                     vd->vdev_state < VDEV_STATE_HEALTHY) &&
2352                     d == 0 && dshift == 3 && vd->vdev_children == 0) {
2353                         all_zero = B_FALSE;
2354                         goto next;
2355                 }
2356
2357                 ASSERT(mg->mg_class == mc);
2358
2359                 distance = vd->vdev_asize >> dshift;
2360                 if (distance <= (1ULL << vd->vdev_ms_shift))
2361                         distance = 0;
2362                 else
2363                         all_zero = B_FALSE;
2364
2365                 asize = vdev_psize_to_asize(vd, psize);
2366                 ASSERT(P2PHASE(asize, 1ULL << vd->vdev_ashift) == 0);
2367
2368                 offset = metaslab_group_alloc(mg, psize, asize, txg, distance,
2369                     dva, d);
2370                 if (offset != -1ULL) {
2371                         /*
2372                          * If we've just selected this metaslab group,
2373                          * figure out whether the corresponding vdev is
2374                          * over- or under-used relative to the pool,
2375                          * and set an allocation bias to even it out.
2376                          */
2377                         if (mc->mc_aliquot == 0 && metaslab_bias_enabled) {
2378                                 vdev_stat_t *vs = &vd->vdev_stat;
2379                                 int64_t vu, cu;
2380
2381                                 vu = (vs->vs_alloc * 100) / (vs->vs_space + 1);
2382                                 cu = (mc->mc_alloc * 100) / (mc->mc_space + 1);
2383
2384                                 /*
2385                                  * Calculate how much more or less we should
2386                                  * try to allocate from this device during
2387                                  * this iteration around the rotor.
2388                                  * For example, if a device is 80% full
2389                                  * and the pool is 20% full then we should
2390                                  * reduce allocations by 60% on this device.
2391                                  *
2392                                  * mg_bias = (20 - 80) * 512K / 100 = -307K
2393                                  *
2394                                  * This reduces allocations by 307K for this
2395                                  * iteration.
2396                                  */
2397                                 mg->mg_bias = ((cu - vu) *
2398                                     (int64_t)mg->mg_aliquot) / 100;
2399                         } else if (!metaslab_bias_enabled) {
2400                                 mg->mg_bias = 0;
2401                         }
2402
2403                         if (atomic_add_64_nv(&mc->mc_aliquot, asize) >=
2404                             mg->mg_aliquot + mg->mg_bias) {
2405                                 mc->mc_rotor = mg->mg_next;
2406                                 mc->mc_aliquot = 0;
2407                         }
2408
2409                         DVA_SET_VDEV(&dva[d], vd->vdev_id);
2410                         DVA_SET_OFFSET(&dva[d], offset);
2411                         DVA_SET_GANG(&dva[d], !!(flags & METASLAB_GANG_HEADER));
2412                         DVA_SET_ASIZE(&dva[d], asize);
2413
2414                         return (0);
2415                 }
2416 next:
2417                 mc->mc_rotor = mg->mg_next;
2418                 mc->mc_aliquot = 0;
2419         } while ((mg = mg->mg_next) != rotor);
2420
2421         if (!all_zero) {
2422                 dshift++;
2423                 ASSERT(dshift < 64);
2424                 goto top;
2425         }
2426
2427         if (!allocatable && !zio_lock) {
2428                 dshift = 3;
2429                 zio_lock = B_TRUE;
2430                 goto top;
2431         }
2432
2433         bzero(&dva[d], sizeof (dva_t));
2434
2435         return (SET_ERROR(ENOSPC));
2436 }
2437
2438 /*
2439  * Free the block represented by DVA in the context of the specified
2440  * transaction group.
2441  */
2442 static void
2443 metaslab_free_dva(spa_t *spa, const dva_t *dva, uint64_t txg, boolean_t now)
2444 {
2445         uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(dva);
2446         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
2447         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
2448         vdev_t *vd;
2449         metaslab_t *msp;
2450
2451         ASSERT(DVA_IS_VALID(dva));
2452
2453         if (txg > spa_freeze_txg(spa))
2454                 return;
2455
2456         if ((vd = vdev_lookup_top(spa, vdev)) == NULL ||
2457             (offset >> vd->vdev_ms_shift) >= vd->vdev_ms_count) {
2458                 cmn_err(CE_WARN, "metaslab_free_dva(): bad DVA %llu:%llu",
2459                     (u_longlong_t)vdev, (u_longlong_t)offset);
2460                 ASSERT(0);
2461                 return;
2462         }
2463
2464         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
2465
2466         if (DVA_GET_GANG(dva))
2467                 size = vdev_psize_to_asize(vd, SPA_GANGBLOCKSIZE);
2468
2469         mutex_enter(&msp->ms_lock);
2470
2471         if (now) {
2472                 range_tree_remove(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK],
2473                     offset, size);
2474
2475                 VERIFY(!msp->ms_condensing);
2476                 VERIFY3U(offset, >=, msp->ms_start);
2477                 VERIFY3U(offset + size, <=, msp->ms_start + msp->ms_size);
2478                 VERIFY3U(range_tree_space(msp->ms_tree) + size, <=,
2479                     msp->ms_size);
2480                 VERIFY0(P2PHASE(offset, 1ULL << vd->vdev_ashift));
2481                 VERIFY0(P2PHASE(size, 1ULL << vd->vdev_ashift));
2482                 range_tree_add(msp->ms_tree, offset, size);
2483         } else {
2484                 if (range_tree_space(msp->ms_freetree[txg & TXG_MASK]) == 0)
2485                         vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
2486                 range_tree_add(msp->ms_freetree[txg & TXG_MASK],
2487                     offset, size);
2488         }
2489
2490         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2491 }
2492
2493 /*
2494  * Intent log support: upon opening the pool after a crash, notify the SPA
2495  * of blocks that the intent log has allocated for immediate write, but
2496  * which are still considered free by the SPA because the last transaction
2497  * group didn't commit yet.
2498  */
2499 static int
2500 metaslab_claim_dva(spa_t *spa, const dva_t *dva, uint64_t txg)
2501 {
2502         uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(dva);
2503         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
2504         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
2505         vdev_t *vd;
2506         metaslab_t *msp;
2507         int error = 0;
2508
2509         ASSERT(DVA_IS_VALID(dva));
2510
2511         if ((vd = vdev_lookup_top(spa, vdev)) == NULL ||
2512             (offset >> vd->vdev_ms_shift) >= vd->vdev_ms_count)
2513                 return (SET_ERROR(ENXIO));
2514
2515         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
2516
2517         if (DVA_GET_GANG(dva))
2518                 size = vdev_psize_to_asize(vd, SPA_GANGBLOCKSIZE);
2519
2520         mutex_enter(&msp->ms_lock);
2521
2522         if ((txg != 0 && spa_writeable(spa)) || !msp->ms_loaded)
2523                 error = metaslab_activate(msp, METASLAB_WEIGHT_SECONDARY);
2524
2525         if (error == 0 && !range_tree_contains(msp->ms_tree, offset, size))
2526                 error = SET_ERROR(ENOENT);
2527
2528         if (error || txg == 0) {        /* txg == 0 indicates dry run */
2529                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
2530                 return (error);
2531         }
2532
2533         VERIFY(!msp->ms_condensing);
2534         VERIFY0(P2PHASE(offset, 1ULL << vd->vdev_ashift));
2535         VERIFY0(P2PHASE(size, 1ULL << vd->vdev_ashift));
2536         VERIFY3U(range_tree_space(msp->ms_tree) - size, <=, msp->ms_size);
2537         range_tree_remove(msp->ms_tree, offset, size);
2538
2539         if (spa_writeable(spa)) {       /* don't dirty if we're zdb(1M) */
2540                 if (range_tree_space(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK]) == 0)
2541                         vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
2542                 range_tree_add(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK], offset, size);
2543         }
2544
2545         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2546
2547         return (0);
2548 }
2549
2550 int
2551 metaslab_alloc(spa_t *spa, metaslab_class_t *mc, uint64_t psize, blkptr_t *bp,
2552     int ndvas, uint64_t txg, blkptr_t *hintbp, int flags)
2553 {
2554         dva_t *dva = bp->blk_dva;
2555         dva_t *hintdva = hintbp->blk_dva;
2556         int error = 0;
2557
2558         ASSERT(bp->blk_birth == 0);
2559         ASSERT(BP_PHYSICAL_BIRTH(bp) == 0);
2560
2561         spa_config_enter(spa, SCL_ALLOC, FTAG, RW_READER);
2562
2563         if (mc->mc_rotor == NULL) {     /* no vdevs in this class */
2564                 spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
2565                 return (SET_ERROR(ENOSPC));
2566         }
2567
2568         ASSERT(ndvas > 0 && ndvas <= spa_max_replication(spa));
2569         ASSERT(BP_GET_NDVAS(bp) == 0);
2570         ASSERT(hintbp == NULL || ndvas <= BP_GET_NDVAS(hintbp));
2571
2572         for (int d = 0; d < ndvas; d++) {
2573                 error = metaslab_alloc_dva(spa, mc, psize, dva, d, hintdva,
2574                     txg, flags);
2575                 if (error != 0) {
2576                         for (d--; d >= 0; d--) {
2577                                 metaslab_free_dva(spa, &dva[d], txg, B_TRUE);
2578                                 bzero(&dva[d], sizeof (dva_t));
2579                         }
2580                         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
2581                         return (error);
2582                 }
2583         }
2584         ASSERT(error == 0);
2585         ASSERT(BP_GET_NDVAS(bp) == ndvas);
2586
2587         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
2588
2589         BP_SET_BIRTH(bp, txg, txg);
2590
2591         return (0);
2592 }
2593
2594 void
2595 metaslab_free(spa_t *spa, const blkptr_t *bp, uint64_t txg, boolean_t now)
2596 {
2597         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
2598         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
2599
2600         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
2601         ASSERT(!now || bp->blk_birth >= spa_syncing_txg(spa));
2602
2603         spa_config_enter(spa, SCL_FREE, FTAG, RW_READER);
2604
2605         for (int d = 0; d < ndvas; d++)
2606                 metaslab_free_dva(spa, &dva[d], txg, now);
2607
2608         spa_config_exit(spa, SCL_FREE, FTAG);
2609 }
2610
2611 int
2612 metaslab_claim(spa_t *spa, const blkptr_t *bp, uint64_t txg)
2613 {
2614         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
2615         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
2616         int error = 0;
2617
2618         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
2619
2620         if (txg != 0) {
2621                 /*
2622                  * First do a dry run to make sure all DVAs are claimable,
2623                  * so we don't have to unwind from partial failures below.
2624                  */
2625                 if ((error = metaslab_claim(spa, bp, 0)) != 0)
2626                         return (error);
2627         }
2628
2629         spa_config_enter(spa, SCL_ALLOC, FTAG, RW_READER);
2630
2631         for (int d = 0; d < ndvas; d++)
2632                 if ((error = metaslab_claim_dva(spa, &dva[d], txg)) != 0)
2633                         break;
2634
2635         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
2636
2637         ASSERT(error == 0 || txg == 0);
2638
2639         return (error);
2640 }
2641
2642 void
2643 metaslab_check_free(spa_t *spa, const blkptr_t *bp)
2644 {
2645         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_ZIO_FREE) == 0)
2646                 return;
2647
2648         spa_config_enter(spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
2649         for (int i = 0; i < BP_GET_NDVAS(bp); i++) {
2650                 uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(&bp->blk_dva[i]);
2651                 vdev_t *vd = vdev_lookup_top(spa, vdev);
2652                 uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(&bp->blk_dva[i]);
2653                 uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(&bp->blk_dva[i]);
2654                 metaslab_t *msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
2655
2656                 if (msp->ms_loaded)
2657                         range_tree_verify(msp->ms_tree, offset, size);
2658
2659                 for (int j = 0; j < TXG_SIZE; j++)
2660                         range_tree_verify(msp->ms_freetree[j], offset, size);
2661                 for (int j = 0; j < TXG_DEFER_SIZE; j++)
2662                         range_tree_verify(msp->ms_defertree[j], offset, size);
2663         }
2664         spa_config_exit(spa, SCL_VDEV, FTAG);
2665 }