]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - sys/cddl/contrib/opensolaris/uts/common/fs/zfs/metaslab.c
MFV 354917, 354918, 354919
[FreeBSD/FreeBSD.git] / sys / cddl / contrib / opensolaris / uts / common / fs / zfs / metaslab.c
1 /*
2  * CDDL HEADER START
3  *
4  * The contents of this file are subject to the terms of the
5  * Common Development and Distribution License (the "License").
6  * You may not use this file except in compliance with the License.
7  *
8  * You can obtain a copy of the license at usr/src/OPENSOLARIS.LICENSE
9  * or http://www.opensolaris.org/os/licensing.
10  * See the License for the specific language governing permissions
11  * and limitations under the License.
12  *
13  * When distributing Covered Code, include this CDDL HEADER in each
14  * file and include the License file at usr/src/OPENSOLARIS.LICENSE.
15  * If applicable, add the following below this CDDL HEADER, with the
16  * fields enclosed by brackets "[]" replaced with your own identifying
17  * information: Portions Copyright [yyyy] [name of copyright owner]
18  *
19  * CDDL HEADER END
20  */
21 /*
22  * Copyright (c) 2005, 2010, Oracle and/or its affiliates. All rights reserved.
23  * Copyright (c) 2011, 2018 by Delphix. All rights reserved.
24  * Copyright (c) 2013 by Saso Kiselkov. All rights reserved.
25  * Copyright (c) 2014 Integros [integros.com]
26  */
27
28 #include <sys/zfs_context.h>
29 #include <sys/dmu.h>
30 #include <sys/dmu_tx.h>
31 #include <sys/space_map.h>
32 #include <sys/metaslab_impl.h>
33 #include <sys/vdev_impl.h>
34 #include <sys/zio.h>
35 #include <sys/spa_impl.h>
36 #include <sys/zfeature.h>
37 #include <sys/vdev_indirect_mapping.h>
38 #include <sys/zap.h>
39
40 SYSCTL_DECL(_vfs_zfs);
41 SYSCTL_NODE(_vfs_zfs, OID_AUTO, metaslab, CTLFLAG_RW, 0, "ZFS metaslab");
42
43 #define GANG_ALLOCATION(flags) \
44         ((flags) & (METASLAB_GANG_CHILD | METASLAB_GANG_HEADER))
45
46 uint64_t metaslab_aliquot = 512ULL << 10;
47 uint64_t metaslab_force_ganging = SPA_MAXBLOCKSIZE + 1; /* force gang blocks */
48 SYSCTL_QUAD(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, force_ganging, CTLFLAG_RWTUN,
49     &metaslab_force_ganging, 0,
50     "Force gang block allocation for blocks larger than or equal to this value");
51
52 /*
53  * Since we can touch multiple metaslabs (and their respective space maps)
54  * with each transaction group, we benefit from having a smaller space map
55  * block size since it allows us to issue more I/O operations scattered
56  * around the disk.
57  */
58 int zfs_metaslab_sm_blksz = (1 << 12);
59 SYSCTL_INT(_vfs_zfs, OID_AUTO, metaslab_sm_blksz, CTLFLAG_RDTUN,
60     &zfs_metaslab_sm_blksz, 0,
61     "Block size for metaslab DTL space map.  Power of 2 and greater than 4096.");
62
63 /*
64  * The in-core space map representation is more compact than its on-disk form.
65  * The zfs_condense_pct determines how much more compact the in-core
66  * space map representation must be before we compact it on-disk.
67  * Values should be greater than or equal to 100.
68  */
69 int zfs_condense_pct = 200;
70 SYSCTL_INT(_vfs_zfs, OID_AUTO, condense_pct, CTLFLAG_RWTUN,
71     &zfs_condense_pct, 0,
72     "Condense on-disk spacemap when it is more than this many percents"
73     " of in-memory counterpart");
74
75 /*
76  * Condensing a metaslab is not guaranteed to actually reduce the amount of
77  * space used on disk. In particular, a space map uses data in increments of
78  * MAX(1 << ashift, space_map_blksize), so a metaslab might use the
79  * same number of blocks after condensing. Since the goal of condensing is to
80  * reduce the number of IOPs required to read the space map, we only want to
81  * condense when we can be sure we will reduce the number of blocks used by the
82  * space map. Unfortunately, we cannot precisely compute whether or not this is
83  * the case in metaslab_should_condense since we are holding ms_lock. Instead,
84  * we apply the following heuristic: do not condense a spacemap unless the
85  * uncondensed size consumes greater than zfs_metaslab_condense_block_threshold
86  * blocks.
87  */
88 int zfs_metaslab_condense_block_threshold = 4;
89
90 /*
91  * The zfs_mg_noalloc_threshold defines which metaslab groups should
92  * be eligible for allocation. The value is defined as a percentage of
93  * free space. Metaslab groups that have more free space than
94  * zfs_mg_noalloc_threshold are always eligible for allocations. Once
95  * a metaslab group's free space is less than or equal to the
96  * zfs_mg_noalloc_threshold the allocator will avoid allocating to that
97  * group unless all groups in the pool have reached zfs_mg_noalloc_threshold.
98  * Once all groups in the pool reach zfs_mg_noalloc_threshold then all
99  * groups are allowed to accept allocations. Gang blocks are always
100  * eligible to allocate on any metaslab group. The default value of 0 means
101  * no metaslab group will be excluded based on this criterion.
102  */
103 int zfs_mg_noalloc_threshold = 0;
104 SYSCTL_INT(_vfs_zfs, OID_AUTO, mg_noalloc_threshold, CTLFLAG_RWTUN,
105     &zfs_mg_noalloc_threshold, 0,
106     "Percentage of metaslab group size that should be free"
107     " to make it eligible for allocation");
108
109 /*
110  * Metaslab groups are considered eligible for allocations if their
111  * fragmenation metric (measured as a percentage) is less than or equal to
112  * zfs_mg_fragmentation_threshold. If a metaslab group exceeds this threshold
113  * then it will be skipped unless all metaslab groups within the metaslab
114  * class have also crossed this threshold.
115  */
116 int zfs_mg_fragmentation_threshold = 85;
117 SYSCTL_INT(_vfs_zfs, OID_AUTO, mg_fragmentation_threshold, CTLFLAG_RWTUN,
118     &zfs_mg_fragmentation_threshold, 0,
119     "Percentage of metaslab group size that should be considered "
120     "eligible for allocations unless all metaslab groups within the metaslab class "
121     "have also crossed this threshold");
122
123 /*
124  * Allow metaslabs to keep their active state as long as their fragmentation
125  * percentage is less than or equal to zfs_metaslab_fragmentation_threshold. An
126  * active metaslab that exceeds this threshold will no longer keep its active
127  * status allowing better metaslabs to be selected.
128  */
129 int zfs_metaslab_fragmentation_threshold = 70;
130 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, fragmentation_threshold, CTLFLAG_RWTUN,
131     &zfs_metaslab_fragmentation_threshold, 0,
132     "Maximum percentage of metaslab fragmentation level to keep their active state");
133
134 /*
135  * When set will load all metaslabs when pool is first opened.
136  */
137 int metaslab_debug_load = 0;
138 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, debug_load, CTLFLAG_RWTUN,
139     &metaslab_debug_load, 0,
140     "Load all metaslabs when pool is first opened");
141
142 /*
143  * When set will prevent metaslabs from being unloaded.
144  */
145 int metaslab_debug_unload = 0;
146 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, debug_unload, CTLFLAG_RWTUN,
147     &metaslab_debug_unload, 0,
148     "Prevent metaslabs from being unloaded");
149
150 /*
151  * Minimum size which forces the dynamic allocator to change
152  * it's allocation strategy.  Once the space map cannot satisfy
153  * an allocation of this size then it switches to using more
154  * aggressive strategy (i.e search by size rather than offset).
155  */
156 uint64_t metaslab_df_alloc_threshold = SPA_OLD_MAXBLOCKSIZE;
157 SYSCTL_QUAD(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, df_alloc_threshold, CTLFLAG_RWTUN,
158     &metaslab_df_alloc_threshold, 0,
159     "Minimum size which forces the dynamic allocator to change it's allocation strategy");
160
161 /*
162  * The minimum free space, in percent, which must be available
163  * in a space map to continue allocations in a first-fit fashion.
164  * Once the space map's free space drops below this level we dynamically
165  * switch to using best-fit allocations.
166  */
167 int metaslab_df_free_pct = 4;
168 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, df_free_pct, CTLFLAG_RWTUN,
169     &metaslab_df_free_pct, 0,
170     "The minimum free space, in percent, which must be available in a "
171     "space map to continue allocations in a first-fit fashion");
172
173 /*
174  * A metaslab is considered "free" if it contains a contiguous
175  * segment which is greater than metaslab_min_alloc_size.
176  */
177 uint64_t metaslab_min_alloc_size = DMU_MAX_ACCESS;
178 SYSCTL_QUAD(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, min_alloc_size, CTLFLAG_RWTUN,
179     &metaslab_min_alloc_size, 0,
180     "A metaslab is considered \"free\" if it contains a contiguous "
181     "segment which is greater than vfs.zfs.metaslab.min_alloc_size");
182
183 /*
184  * Percentage of all cpus that can be used by the metaslab taskq.
185  */
186 int metaslab_load_pct = 50;
187 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, load_pct, CTLFLAG_RWTUN,
188     &metaslab_load_pct, 0,
189     "Percentage of cpus that can be used by the metaslab taskq");
190
191 /*
192  * Determines how many txgs a metaslab may remain loaded without having any
193  * allocations from it. As long as a metaslab continues to be used we will
194  * keep it loaded.
195  */
196 int metaslab_unload_delay = TXG_SIZE * 2;
197 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, unload_delay, CTLFLAG_RWTUN,
198     &metaslab_unload_delay, 0,
199     "Number of TXGs that an unused metaslab can be kept in memory");
200
201 /*
202  * Max number of metaslabs per group to preload.
203  */
204 int metaslab_preload_limit = SPA_DVAS_PER_BP;
205 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, preload_limit, CTLFLAG_RWTUN,
206     &metaslab_preload_limit, 0,
207     "Max number of metaslabs per group to preload");
208
209 /*
210  * Enable/disable preloading of metaslab.
211  */
212 boolean_t metaslab_preload_enabled = B_TRUE;
213 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, preload_enabled, CTLFLAG_RWTUN,
214     &metaslab_preload_enabled, 0,
215     "Max number of metaslabs per group to preload");
216
217 /*
218  * Enable/disable fragmentation weighting on metaslabs.
219  */
220 boolean_t metaslab_fragmentation_factor_enabled = B_TRUE;
221 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, fragmentation_factor_enabled, CTLFLAG_RWTUN,
222     &metaslab_fragmentation_factor_enabled, 0,
223     "Enable fragmentation weighting on metaslabs");
224
225 /*
226  * Enable/disable lba weighting (i.e. outer tracks are given preference).
227  */
228 boolean_t metaslab_lba_weighting_enabled = B_TRUE;
229 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, lba_weighting_enabled, CTLFLAG_RWTUN,
230     &metaslab_lba_weighting_enabled, 0,
231     "Enable LBA weighting (i.e. outer tracks are given preference)");
232
233 /*
234  * Enable/disable metaslab group biasing.
235  */
236 boolean_t metaslab_bias_enabled = B_TRUE;
237 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, bias_enabled, CTLFLAG_RWTUN,
238     &metaslab_bias_enabled, 0,
239     "Enable metaslab group biasing");
240
241 /*
242  * Enable/disable remapping of indirect DVAs to their concrete vdevs.
243  */
244 boolean_t zfs_remap_blkptr_enable = B_TRUE;
245
246 /*
247  * Enable/disable segment-based metaslab selection.
248  */
249 boolean_t zfs_metaslab_segment_weight_enabled = B_TRUE;
250
251 /*
252  * When using segment-based metaslab selection, we will continue
253  * allocating from the active metaslab until we have exhausted
254  * zfs_metaslab_switch_threshold of its buckets.
255  */
256 int zfs_metaslab_switch_threshold = 2;
257
258 /*
259  * Internal switch to enable/disable the metaslab allocation tracing
260  * facility.
261  */
262 #ifdef _METASLAB_TRACING
263 boolean_t metaslab_trace_enabled = B_TRUE;
264 #endif
265
266 /*
267  * Maximum entries that the metaslab allocation tracing facility will keep
268  * in a given list when running in non-debug mode. We limit the number
269  * of entries in non-debug mode to prevent us from using up too much memory.
270  * The limit should be sufficiently large that we don't expect any allocation
271  * to every exceed this value. In debug mode, the system will panic if this
272  * limit is ever reached allowing for further investigation.
273  */
274 #ifdef _METASLAB_TRACING
275 uint64_t metaslab_trace_max_entries = 5000;
276 #endif
277
278 static uint64_t metaslab_weight(metaslab_t *);
279 static void metaslab_set_fragmentation(metaslab_t *);
280 static void metaslab_free_impl(vdev_t *, uint64_t, uint64_t, boolean_t);
281 static void metaslab_check_free_impl(vdev_t *, uint64_t, uint64_t);
282 static void metaslab_passivate(metaslab_t *msp, uint64_t weight);
283 static uint64_t metaslab_weight_from_range_tree(metaslab_t *msp);
284 #ifdef _METASLAB_TRACING
285 kmem_cache_t *metaslab_alloc_trace_cache;
286 #endif
287
288 /*
289  * ==========================================================================
290  * Metaslab classes
291  * ==========================================================================
292  */
293 metaslab_class_t *
294 metaslab_class_create(spa_t *spa, metaslab_ops_t *ops)
295 {
296         metaslab_class_t *mc;
297
298         mc = kmem_zalloc(sizeof (metaslab_class_t), KM_SLEEP);
299
300         mc->mc_spa = spa;
301         mc->mc_rotor = NULL;
302         mc->mc_ops = ops;
303         mutex_init(&mc->mc_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
304         mc->mc_alloc_slots = kmem_zalloc(spa->spa_alloc_count *
305             sizeof (zfs_refcount_t), KM_SLEEP);
306         mc->mc_alloc_max_slots = kmem_zalloc(spa->spa_alloc_count *
307             sizeof (uint64_t), KM_SLEEP);
308         for (int i = 0; i < spa->spa_alloc_count; i++)
309                 zfs_refcount_create_tracked(&mc->mc_alloc_slots[i]);
310
311         return (mc);
312 }
313
314 void
315 metaslab_class_destroy(metaslab_class_t *mc)
316 {
317         ASSERT(mc->mc_rotor == NULL);
318         ASSERT(mc->mc_alloc == 0);
319         ASSERT(mc->mc_deferred == 0);
320         ASSERT(mc->mc_space == 0);
321         ASSERT(mc->mc_dspace == 0);
322
323         for (int i = 0; i < mc->mc_spa->spa_alloc_count; i++)
324                 zfs_refcount_destroy(&mc->mc_alloc_slots[i]);
325         kmem_free(mc->mc_alloc_slots, mc->mc_spa->spa_alloc_count *
326             sizeof (zfs_refcount_t));
327         kmem_free(mc->mc_alloc_max_slots, mc->mc_spa->spa_alloc_count *
328             sizeof (uint64_t));
329         mutex_destroy(&mc->mc_lock);
330         kmem_free(mc, sizeof (metaslab_class_t));
331 }
332
333 int
334 metaslab_class_validate(metaslab_class_t *mc)
335 {
336         metaslab_group_t *mg;
337         vdev_t *vd;
338
339         /*
340          * Must hold one of the spa_config locks.
341          */
342         ASSERT(spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALL, RW_READER) ||
343             spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALL, RW_WRITER));
344
345         if ((mg = mc->mc_rotor) == NULL)
346                 return (0);
347
348         do {
349                 vd = mg->mg_vd;
350                 ASSERT(vd->vdev_mg != NULL);
351                 ASSERT3P(vd->vdev_top, ==, vd);
352                 ASSERT3P(mg->mg_class, ==, mc);
353                 ASSERT3P(vd->vdev_ops, !=, &vdev_hole_ops);
354         } while ((mg = mg->mg_next) != mc->mc_rotor);
355
356         return (0);
357 }
358
359 void
360 metaslab_class_space_update(metaslab_class_t *mc, int64_t alloc_delta,
361     int64_t defer_delta, int64_t space_delta, int64_t dspace_delta)
362 {
363         atomic_add_64(&mc->mc_alloc, alloc_delta);
364         atomic_add_64(&mc->mc_deferred, defer_delta);
365         atomic_add_64(&mc->mc_space, space_delta);
366         atomic_add_64(&mc->mc_dspace, dspace_delta);
367 }
368
369 void
370 metaslab_class_minblocksize_update(metaslab_class_t *mc)
371 {
372         metaslab_group_t *mg;
373         vdev_t *vd;
374         uint64_t minashift = UINT64_MAX;
375
376         if ((mg = mc->mc_rotor) == NULL) {
377                 mc->mc_minblocksize = SPA_MINBLOCKSIZE;
378                 return;
379         }
380
381         do {
382                 vd = mg->mg_vd;
383                 if (vd->vdev_ashift < minashift)
384                         minashift = vd->vdev_ashift;
385         } while ((mg = mg->mg_next) != mc->mc_rotor);
386
387         mc->mc_minblocksize = 1ULL << minashift;
388 }
389
390 uint64_t
391 metaslab_class_get_alloc(metaslab_class_t *mc)
392 {
393         return (mc->mc_alloc);
394 }
395
396 uint64_t
397 metaslab_class_get_deferred(metaslab_class_t *mc)
398 {
399         return (mc->mc_deferred);
400 }
401
402 uint64_t
403 metaslab_class_get_space(metaslab_class_t *mc)
404 {
405         return (mc->mc_space);
406 }
407
408 uint64_t
409 metaslab_class_get_dspace(metaslab_class_t *mc)
410 {
411         return (spa_deflate(mc->mc_spa) ? mc->mc_dspace : mc->mc_space);
412 }
413
414 uint64_t
415 metaslab_class_get_minblocksize(metaslab_class_t *mc)
416 {
417         return (mc->mc_minblocksize);
418 }
419
420 void
421 metaslab_class_histogram_verify(metaslab_class_t *mc)
422 {
423         vdev_t *rvd = mc->mc_spa->spa_root_vdev;
424         uint64_t *mc_hist;
425         int i;
426
427         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_HISTOGRAM_VERIFY) == 0)
428                 return;
429
430         mc_hist = kmem_zalloc(sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE,
431             KM_SLEEP);
432
433         for (int c = 0; c < rvd->vdev_children; c++) {
434                 vdev_t *tvd = rvd->vdev_child[c];
435                 metaslab_group_t *mg = tvd->vdev_mg;
436
437                 /*
438                  * Skip any holes, uninitialized top-levels, or
439                  * vdevs that are not in this metalab class.
440                  */
441                 if (!vdev_is_concrete(tvd) || tvd->vdev_ms_shift == 0 ||
442                     mg->mg_class != mc) {
443                         continue;
444                 }
445
446                 for (i = 0; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i++)
447                         mc_hist[i] += mg->mg_histogram[i];
448         }
449
450         for (i = 0; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i++)
451                 VERIFY3U(mc_hist[i], ==, mc->mc_histogram[i]);
452
453         kmem_free(mc_hist, sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE);
454 }
455
456 /*
457  * Calculate the metaslab class's fragmentation metric. The metric
458  * is weighted based on the space contribution of each metaslab group.
459  * The return value will be a number between 0 and 100 (inclusive), or
460  * ZFS_FRAG_INVALID if the metric has not been set. See comment above the
461  * zfs_frag_table for more information about the metric.
462  */
463 uint64_t
464 metaslab_class_fragmentation(metaslab_class_t *mc)
465 {
466         vdev_t *rvd = mc->mc_spa->spa_root_vdev;
467         uint64_t fragmentation = 0;
468
469         spa_config_enter(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
470
471         for (int c = 0; c < rvd->vdev_children; c++) {
472                 vdev_t *tvd = rvd->vdev_child[c];
473                 metaslab_group_t *mg = tvd->vdev_mg;
474
475                 /*
476                  * Skip any holes, uninitialized top-levels,
477                  * or vdevs that are not in this metalab class.
478                  */
479                 if (!vdev_is_concrete(tvd) || tvd->vdev_ms_shift == 0 ||
480                     mg->mg_class != mc) {
481                         continue;
482                 }
483
484                 /*
485                  * If a metaslab group does not contain a fragmentation
486                  * metric then just bail out.
487                  */
488                 if (mg->mg_fragmentation == ZFS_FRAG_INVALID) {
489                         spa_config_exit(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG);
490                         return (ZFS_FRAG_INVALID);
491                 }
492
493                 /*
494                  * Determine how much this metaslab_group is contributing
495                  * to the overall pool fragmentation metric.
496                  */
497                 fragmentation += mg->mg_fragmentation *
498                     metaslab_group_get_space(mg);
499         }
500         fragmentation /= metaslab_class_get_space(mc);
501
502         ASSERT3U(fragmentation, <=, 100);
503         spa_config_exit(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG);
504         return (fragmentation);
505 }
506
507 /*
508  * Calculate the amount of expandable space that is available in
509  * this metaslab class. If a device is expanded then its expandable
510  * space will be the amount of allocatable space that is currently not
511  * part of this metaslab class.
512  */
513 uint64_t
514 metaslab_class_expandable_space(metaslab_class_t *mc)
515 {
516         vdev_t *rvd = mc->mc_spa->spa_root_vdev;
517         uint64_t space = 0;
518
519         spa_config_enter(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
520         for (int c = 0; c < rvd->vdev_children; c++) {
521                 uint64_t tspace;
522                 vdev_t *tvd = rvd->vdev_child[c];
523                 metaslab_group_t *mg = tvd->vdev_mg;
524
525                 if (!vdev_is_concrete(tvd) || tvd->vdev_ms_shift == 0 ||
526                     mg->mg_class != mc) {
527                         continue;
528                 }
529
530                 /*
531                  * Calculate if we have enough space to add additional
532                  * metaslabs. We report the expandable space in terms
533                  * of the metaslab size since that's the unit of expansion.
534                  * Adjust by efi system partition size.
535                  */
536                 tspace = tvd->vdev_max_asize - tvd->vdev_asize;
537                 if (tspace > mc->mc_spa->spa_bootsize) {
538                         tspace -= mc->mc_spa->spa_bootsize;
539                 }
540                 space += P2ALIGN(tspace, 1ULL << tvd->vdev_ms_shift);
541         }
542         spa_config_exit(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG);
543         return (space);
544 }
545
546 static int
547 metaslab_compare(const void *x1, const void *x2)
548 {
549         const metaslab_t *m1 = (const metaslab_t *)x1;
550         const metaslab_t *m2 = (const metaslab_t *)x2;
551
552         int sort1 = 0;
553         int sort2 = 0;
554         if (m1->ms_allocator != -1 && m1->ms_primary)
555                 sort1 = 1;
556         else if (m1->ms_allocator != -1 && !m1->ms_primary)
557                 sort1 = 2;
558         if (m2->ms_allocator != -1 && m2->ms_primary)
559                 sort2 = 1;
560         else if (m2->ms_allocator != -1 && !m2->ms_primary)
561                 sort2 = 2;
562
563         /*
564          * Sort inactive metaslabs first, then primaries, then secondaries. When
565          * selecting a metaslab to allocate from, an allocator first tries its
566          * primary, then secondary active metaslab. If it doesn't have active
567          * metaslabs, or can't allocate from them, it searches for an inactive
568          * metaslab to activate. If it can't find a suitable one, it will steal
569          * a primary or secondary metaslab from another allocator.
570          */
571         if (sort1 < sort2)
572                 return (-1);
573         if (sort1 > sort2)
574                 return (1);
575
576         int cmp = AVL_CMP(m2->ms_weight, m1->ms_weight);
577         if (likely(cmp))
578                 return (cmp);
579
580         IMPLY(AVL_CMP(m1->ms_start, m2->ms_start) == 0, m1 == m2);
581
582         return (AVL_CMP(m1->ms_start, m2->ms_start));
583 }
584
585 /*
586  * Verify that the space accounting on disk matches the in-core range_trees.
587  */
588 void
589 metaslab_verify_space(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
590 {
591         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
592         uint64_t allocated = 0;
593         uint64_t sm_free_space, msp_free_space;
594
595         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
596
597         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_METASLAB_VERIFY) == 0)
598                 return;
599
600         /*
601          * We can only verify the metaslab space when we're called
602          * from syncing context with a loaded metaslab that has an allocated
603          * space map. Calling this in non-syncing context does not
604          * provide a consistent view of the metaslab since we're performing
605          * allocations in the future.
606          */
607         if (txg != spa_syncing_txg(spa) || msp->ms_sm == NULL ||
608             !msp->ms_loaded)
609                 return;
610
611         sm_free_space = msp->ms_size - space_map_allocated(msp->ms_sm) -
612             space_map_alloc_delta(msp->ms_sm);
613
614         /*
615          * Account for future allocations since we would have already
616          * deducted that space from the ms_freetree.
617          */
618         for (int t = 0; t < TXG_CONCURRENT_STATES; t++) {
619                 allocated +=
620                     range_tree_space(msp->ms_allocating[(txg + t) & TXG_MASK]);
621         }
622
623         msp_free_space = range_tree_space(msp->ms_allocatable) + allocated +
624             msp->ms_deferspace + range_tree_space(msp->ms_freed);
625
626         VERIFY3U(sm_free_space, ==, msp_free_space);
627 }
628
629 /*
630  * ==========================================================================
631  * Metaslab groups
632  * ==========================================================================
633  */
634 /*
635  * Update the allocatable flag and the metaslab group's capacity.
636  * The allocatable flag is set to true if the capacity is below
637  * the zfs_mg_noalloc_threshold or has a fragmentation value that is
638  * greater than zfs_mg_fragmentation_threshold. If a metaslab group
639  * transitions from allocatable to non-allocatable or vice versa then the
640  * metaslab group's class is updated to reflect the transition.
641  */
642 static void
643 metaslab_group_alloc_update(metaslab_group_t *mg)
644 {
645         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
646         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
647         vdev_stat_t *vs = &vd->vdev_stat;
648         boolean_t was_allocatable;
649         boolean_t was_initialized;
650
651         ASSERT(vd == vd->vdev_top);
652         ASSERT3U(spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALLOC, RW_READER), ==,
653             SCL_ALLOC);
654
655         mutex_enter(&mg->mg_lock);
656         was_allocatable = mg->mg_allocatable;
657         was_initialized = mg->mg_initialized;
658
659         mg->mg_free_capacity = ((vs->vs_space - vs->vs_alloc) * 100) /
660             (vs->vs_space + 1);
661
662         mutex_enter(&mc->mc_lock);
663
664         /*
665          * If the metaslab group was just added then it won't
666          * have any space until we finish syncing out this txg.
667          * At that point we will consider it initialized and available
668          * for allocations.  We also don't consider non-activated
669          * metaslab groups (e.g. vdevs that are in the middle of being removed)
670          * to be initialized, because they can't be used for allocation.
671          */
672         mg->mg_initialized = metaslab_group_initialized(mg);
673         if (!was_initialized && mg->mg_initialized) {
674                 mc->mc_groups++;
675         } else if (was_initialized && !mg->mg_initialized) {
676                 ASSERT3U(mc->mc_groups, >, 0);
677                 mc->mc_groups--;
678         }
679         if (mg->mg_initialized)
680                 mg->mg_no_free_space = B_FALSE;
681
682         /*
683          * A metaslab group is considered allocatable if it has plenty
684          * of free space or is not heavily fragmented. We only take
685          * fragmentation into account if the metaslab group has a valid
686          * fragmentation metric (i.e. a value between 0 and 100).
687          */
688         mg->mg_allocatable = (mg->mg_activation_count > 0 &&
689             mg->mg_free_capacity > zfs_mg_noalloc_threshold &&
690             (mg->mg_fragmentation == ZFS_FRAG_INVALID ||
691             mg->mg_fragmentation <= zfs_mg_fragmentation_threshold));
692
693         /*
694          * The mc_alloc_groups maintains a count of the number of
695          * groups in this metaslab class that are still above the
696          * zfs_mg_noalloc_threshold. This is used by the allocating
697          * threads to determine if they should avoid allocations to
698          * a given group. The allocator will avoid allocations to a group
699          * if that group has reached or is below the zfs_mg_noalloc_threshold
700          * and there are still other groups that are above the threshold.
701          * When a group transitions from allocatable to non-allocatable or
702          * vice versa we update the metaslab class to reflect that change.
703          * When the mc_alloc_groups value drops to 0 that means that all
704          * groups have reached the zfs_mg_noalloc_threshold making all groups
705          * eligible for allocations. This effectively means that all devices
706          * are balanced again.
707          */
708         if (was_allocatable && !mg->mg_allocatable)
709                 mc->mc_alloc_groups--;
710         else if (!was_allocatable && mg->mg_allocatable)
711                 mc->mc_alloc_groups++;
712         mutex_exit(&mc->mc_lock);
713
714         mutex_exit(&mg->mg_lock);
715 }
716
717 metaslab_group_t *
718 metaslab_group_create(metaslab_class_t *mc, vdev_t *vd, int allocators)
719 {
720         metaslab_group_t *mg;
721
722         mg = kmem_zalloc(sizeof (metaslab_group_t), KM_SLEEP);
723         mutex_init(&mg->mg_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
724         mutex_init(&mg->mg_ms_initialize_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
725         cv_init(&mg->mg_ms_initialize_cv, NULL, CV_DEFAULT, NULL);
726         mg->mg_primaries = kmem_zalloc(allocators * sizeof (metaslab_t *),
727             KM_SLEEP);
728         mg->mg_secondaries = kmem_zalloc(allocators * sizeof (metaslab_t *),
729             KM_SLEEP);
730         avl_create(&mg->mg_metaslab_tree, metaslab_compare,
731             sizeof (metaslab_t), offsetof(struct metaslab, ms_group_node));
732         mg->mg_vd = vd;
733         mg->mg_class = mc;
734         mg->mg_activation_count = 0;
735         mg->mg_initialized = B_FALSE;
736         mg->mg_no_free_space = B_TRUE;
737         mg->mg_allocators = allocators;
738
739         mg->mg_alloc_queue_depth = kmem_zalloc(allocators *
740             sizeof (zfs_refcount_t), KM_SLEEP);
741         mg->mg_cur_max_alloc_queue_depth = kmem_zalloc(allocators *
742             sizeof (uint64_t), KM_SLEEP);
743         for (int i = 0; i < allocators; i++) {
744                 zfs_refcount_create_tracked(&mg->mg_alloc_queue_depth[i]);
745                 mg->mg_cur_max_alloc_queue_depth[i] = 0;
746         }
747
748         mg->mg_taskq = taskq_create("metaslab_group_taskq", metaslab_load_pct,
749             minclsyspri, 10, INT_MAX, TASKQ_THREADS_CPU_PCT);
750
751         return (mg);
752 }
753
754 void
755 metaslab_group_destroy(metaslab_group_t *mg)
756 {
757         ASSERT(mg->mg_prev == NULL);
758         ASSERT(mg->mg_next == NULL);
759         /*
760          * We may have gone below zero with the activation count
761          * either because we never activated in the first place or
762          * because we're done, and possibly removing the vdev.
763          */
764         ASSERT(mg->mg_activation_count <= 0);
765
766         taskq_destroy(mg->mg_taskq);
767         avl_destroy(&mg->mg_metaslab_tree);
768         kmem_free(mg->mg_primaries, mg->mg_allocators * sizeof (metaslab_t *));
769         kmem_free(mg->mg_secondaries, mg->mg_allocators *
770             sizeof (metaslab_t *));
771         mutex_destroy(&mg->mg_lock);
772         mutex_destroy(&mg->mg_ms_initialize_lock);
773         cv_destroy(&mg->mg_ms_initialize_cv);
774
775         for (int i = 0; i < mg->mg_allocators; i++) {
776                 zfs_refcount_destroy(&mg->mg_alloc_queue_depth[i]);
777                 mg->mg_cur_max_alloc_queue_depth[i] = 0;
778         }
779         kmem_free(mg->mg_alloc_queue_depth, mg->mg_allocators *
780             sizeof (zfs_refcount_t));
781         kmem_free(mg->mg_cur_max_alloc_queue_depth, mg->mg_allocators *
782             sizeof (uint64_t));
783
784         kmem_free(mg, sizeof (metaslab_group_t));
785 }
786
787 void
788 metaslab_group_activate(metaslab_group_t *mg)
789 {
790         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
791         metaslab_group_t *mgprev, *mgnext;
792
793         ASSERT3U(spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALLOC, RW_WRITER), !=, 0);
794
795         ASSERT(mc->mc_rotor != mg);
796         ASSERT(mg->mg_prev == NULL);
797         ASSERT(mg->mg_next == NULL);
798         ASSERT(mg->mg_activation_count <= 0);
799
800         if (++mg->mg_activation_count <= 0)
801                 return;
802
803         mg->mg_aliquot = metaslab_aliquot * MAX(1, mg->mg_vd->vdev_children);
804         metaslab_group_alloc_update(mg);
805
806         if ((mgprev = mc->mc_rotor) == NULL) {
807                 mg->mg_prev = mg;
808                 mg->mg_next = mg;
809         } else {
810                 mgnext = mgprev->mg_next;
811                 mg->mg_prev = mgprev;
812                 mg->mg_next = mgnext;
813                 mgprev->mg_next = mg;
814                 mgnext->mg_prev = mg;
815         }
816         mc->mc_rotor = mg;
817         metaslab_class_minblocksize_update(mc);
818 }
819
820 /*
821  * Passivate a metaslab group and remove it from the allocation rotor.
822  * Callers must hold both the SCL_ALLOC and SCL_ZIO lock prior to passivating
823  * a metaslab group. This function will momentarily drop spa_config_locks
824  * that are lower than the SCL_ALLOC lock (see comment below).
825  */
826 void
827 metaslab_group_passivate(metaslab_group_t *mg)
828 {
829         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
830         spa_t *spa = mc->mc_spa;
831         metaslab_group_t *mgprev, *mgnext;
832         int locks = spa_config_held(spa, SCL_ALL, RW_WRITER);
833
834         ASSERT3U(spa_config_held(spa, SCL_ALLOC | SCL_ZIO, RW_WRITER), ==,
835             (SCL_ALLOC | SCL_ZIO));
836
837         if (--mg->mg_activation_count != 0) {
838                 ASSERT(mc->mc_rotor != mg);
839                 ASSERT(mg->mg_prev == NULL);
840                 ASSERT(mg->mg_next == NULL);
841                 ASSERT(mg->mg_activation_count < 0);
842                 return;
843         }
844
845         /*
846          * The spa_config_lock is an array of rwlocks, ordered as
847          * follows (from highest to lowest):
848          *      SCL_CONFIG > SCL_STATE > SCL_L2ARC > SCL_ALLOC >
849          *      SCL_ZIO > SCL_FREE > SCL_VDEV
850          * (For more information about the spa_config_lock see spa_misc.c)
851          * The higher the lock, the broader its coverage. When we passivate
852          * a metaslab group, we must hold both the SCL_ALLOC and the SCL_ZIO
853          * config locks. However, the metaslab group's taskq might be trying
854          * to preload metaslabs so we must drop the SCL_ZIO lock and any
855          * lower locks to allow the I/O to complete. At a minimum,
856          * we continue to hold the SCL_ALLOC lock, which prevents any future
857          * allocations from taking place and any changes to the vdev tree.
858          */
859         spa_config_exit(spa, locks & ~(SCL_ZIO - 1), spa);
860         taskq_wait(mg->mg_taskq);
861         spa_config_enter(spa, locks & ~(SCL_ZIO - 1), spa, RW_WRITER);
862         metaslab_group_alloc_update(mg);
863         for (int i = 0; i < mg->mg_allocators; i++) {
864                 metaslab_t *msp = mg->mg_primaries[i];
865                 if (msp != NULL) {
866                         mutex_enter(&msp->ms_lock);
867                         metaslab_passivate(msp,
868                             metaslab_weight_from_range_tree(msp));
869                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
870                 }
871                 msp = mg->mg_secondaries[i];
872                 if (msp != NULL) {
873                         mutex_enter(&msp->ms_lock);
874                         metaslab_passivate(msp,
875                             metaslab_weight_from_range_tree(msp));
876                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
877                 }
878         }
879
880         mgprev = mg->mg_prev;
881         mgnext = mg->mg_next;
882
883         if (mg == mgnext) {
884                 mc->mc_rotor = NULL;
885         } else {
886                 mc->mc_rotor = mgnext;
887                 mgprev->mg_next = mgnext;
888                 mgnext->mg_prev = mgprev;
889         }
890
891         mg->mg_prev = NULL;
892         mg->mg_next = NULL;
893         metaslab_class_minblocksize_update(mc);
894 }
895
896 boolean_t
897 metaslab_group_initialized(metaslab_group_t *mg)
898 {
899         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
900         vdev_stat_t *vs = &vd->vdev_stat;
901
902         return (vs->vs_space != 0 && mg->mg_activation_count > 0);
903 }
904
905 uint64_t
906 metaslab_group_get_space(metaslab_group_t *mg)
907 {
908         return ((1ULL << mg->mg_vd->vdev_ms_shift) * mg->mg_vd->vdev_ms_count);
909 }
910
911 void
912 metaslab_group_histogram_verify(metaslab_group_t *mg)
913 {
914         uint64_t *mg_hist;
915         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
916         uint64_t ashift = vd->vdev_ashift;
917         int i;
918
919         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_HISTOGRAM_VERIFY) == 0)
920                 return;
921
922         mg_hist = kmem_zalloc(sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE,
923             KM_SLEEP);
924
925         ASSERT3U(RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE, >=,
926             SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE + ashift);
927
928         for (int m = 0; m < vd->vdev_ms_count; m++) {
929                 metaslab_t *msp = vd->vdev_ms[m];
930
931                 if (msp->ms_sm == NULL)
932                         continue;
933
934                 for (i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++)
935                         mg_hist[i + ashift] +=
936                             msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
937         }
938
939         for (i = 0; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i ++)
940                 VERIFY3U(mg_hist[i], ==, mg->mg_histogram[i]);
941
942         kmem_free(mg_hist, sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE);
943 }
944
945 static void
946 metaslab_group_histogram_add(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
947 {
948         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
949         uint64_t ashift = mg->mg_vd->vdev_ashift;
950
951         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
952         if (msp->ms_sm == NULL)
953                 return;
954
955         mutex_enter(&mg->mg_lock);
956         for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
957                 mg->mg_histogram[i + ashift] +=
958                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
959                 mc->mc_histogram[i + ashift] +=
960                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
961         }
962         mutex_exit(&mg->mg_lock);
963 }
964
965 void
966 metaslab_group_histogram_remove(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
967 {
968         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
969         uint64_t ashift = mg->mg_vd->vdev_ashift;
970
971         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
972         if (msp->ms_sm == NULL)
973                 return;
974
975         mutex_enter(&mg->mg_lock);
976         for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
977                 ASSERT3U(mg->mg_histogram[i + ashift], >=,
978                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i]);
979                 ASSERT3U(mc->mc_histogram[i + ashift], >=,
980                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i]);
981
982                 mg->mg_histogram[i + ashift] -=
983                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
984                 mc->mc_histogram[i + ashift] -=
985                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
986         }
987         mutex_exit(&mg->mg_lock);
988 }
989
990 static void
991 metaslab_group_add(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
992 {
993         ASSERT(msp->ms_group == NULL);
994         mutex_enter(&mg->mg_lock);
995         msp->ms_group = mg;
996         msp->ms_weight = 0;
997         avl_add(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
998         mutex_exit(&mg->mg_lock);
999
1000         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1001         metaslab_group_histogram_add(mg, msp);
1002         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1003 }
1004
1005 static void
1006 metaslab_group_remove(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
1007 {
1008         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1009         metaslab_group_histogram_remove(mg, msp);
1010         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1011
1012         mutex_enter(&mg->mg_lock);
1013         ASSERT(msp->ms_group == mg);
1014         avl_remove(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
1015         msp->ms_group = NULL;
1016         mutex_exit(&mg->mg_lock);
1017 }
1018
1019 static void
1020 metaslab_group_sort_impl(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp, uint64_t weight)
1021 {
1022         ASSERT(MUTEX_HELD(&mg->mg_lock));
1023         ASSERT(msp->ms_group == mg);
1024         avl_remove(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
1025         msp->ms_weight = weight;
1026         avl_add(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
1027
1028 }
1029
1030 static void
1031 metaslab_group_sort(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp, uint64_t weight)
1032 {
1033         /*
1034          * Although in principle the weight can be any value, in
1035          * practice we do not use values in the range [1, 511].
1036          */
1037         ASSERT(weight >= SPA_MINBLOCKSIZE || weight == 0);
1038         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1039
1040         mutex_enter(&mg->mg_lock);
1041         metaslab_group_sort_impl(mg, msp, weight);
1042         mutex_exit(&mg->mg_lock);
1043 }
1044
1045 /*
1046  * Calculate the fragmentation for a given metaslab group. We can use
1047  * a simple average here since all metaslabs within the group must have
1048  * the same size. The return value will be a value between 0 and 100
1049  * (inclusive), or ZFS_FRAG_INVALID if less than half of the metaslab in this
1050  * group have a fragmentation metric.
1051  */
1052 uint64_t
1053 metaslab_group_fragmentation(metaslab_group_t *mg)
1054 {
1055         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
1056         uint64_t fragmentation = 0;
1057         uint64_t valid_ms = 0;
1058
1059         for (int m = 0; m < vd->vdev_ms_count; m++) {
1060                 metaslab_t *msp = vd->vdev_ms[m];
1061
1062                 if (msp->ms_fragmentation == ZFS_FRAG_INVALID)
1063                         continue;
1064
1065                 valid_ms++;
1066                 fragmentation += msp->ms_fragmentation;
1067         }
1068
1069         if (valid_ms <= vd->vdev_ms_count / 2)
1070                 return (ZFS_FRAG_INVALID);
1071
1072         fragmentation /= valid_ms;
1073         ASSERT3U(fragmentation, <=, 100);
1074         return (fragmentation);
1075 }
1076
1077 /*
1078  * Determine if a given metaslab group should skip allocations. A metaslab
1079  * group should avoid allocations if its free capacity is less than the
1080  * zfs_mg_noalloc_threshold or its fragmentation metric is greater than
1081  * zfs_mg_fragmentation_threshold and there is at least one metaslab group
1082  * that can still handle allocations. If the allocation throttle is enabled
1083  * then we skip allocations to devices that have reached their maximum
1084  * allocation queue depth unless the selected metaslab group is the only
1085  * eligible group remaining.
1086  */
1087 static boolean_t
1088 metaslab_group_allocatable(metaslab_group_t *mg, metaslab_group_t *rotor,
1089     uint64_t psize, int allocator, int d)
1090 {
1091         spa_t *spa = mg->mg_vd->vdev_spa;
1092         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
1093
1094         /*
1095          * We can only consider skipping this metaslab group if it's
1096          * in the normal metaslab class and there are other metaslab
1097          * groups to select from. Otherwise, we always consider it eligible
1098          * for allocations.
1099          */
1100         if (mc != spa_normal_class(spa) || mc->mc_groups <= 1)
1101                 return (B_TRUE);
1102
1103         /*
1104          * If the metaslab group's mg_allocatable flag is set (see comments
1105          * in metaslab_group_alloc_update() for more information) and
1106          * the allocation throttle is disabled then allow allocations to this
1107          * device. However, if the allocation throttle is enabled then
1108          * check if we have reached our allocation limit (mg_alloc_queue_depth)
1109          * to determine if we should allow allocations to this metaslab group.
1110          * If all metaslab groups are no longer considered allocatable
1111          * (mc_alloc_groups == 0) or we're trying to allocate the smallest
1112          * gang block size then we allow allocations on this metaslab group
1113          * regardless of the mg_allocatable or throttle settings.
1114          */
1115         if (mg->mg_allocatable) {
1116                 metaslab_group_t *mgp;
1117                 int64_t qdepth;
1118                 uint64_t qmax = mg->mg_cur_max_alloc_queue_depth[allocator];
1119
1120                 if (!mc->mc_alloc_throttle_enabled)
1121                         return (B_TRUE);
1122
1123                 /*
1124                  * If this metaslab group does not have any free space, then
1125                  * there is no point in looking further.
1126                  */
1127                 if (mg->mg_no_free_space)
1128                         return (B_FALSE);
1129
1130                 /*
1131                  * Relax allocation throttling for ditto blocks.  Due to
1132                  * random imbalances in allocation it tends to push copies
1133                  * to one vdev, that looks a bit better at the moment.
1134                  */
1135                 qmax = qmax * (4 + d) / 4;
1136
1137                 qdepth = zfs_refcount_count(
1138                     &mg->mg_alloc_queue_depth[allocator]);
1139
1140                 /*
1141                  * If this metaslab group is below its qmax or it's
1142                  * the only allocatable metasable group, then attempt
1143                  * to allocate from it.
1144                  */
1145                 if (qdepth < qmax || mc->mc_alloc_groups == 1)
1146                         return (B_TRUE);
1147                 ASSERT3U(mc->mc_alloc_groups, >, 1);
1148
1149                 /*
1150                  * Since this metaslab group is at or over its qmax, we
1151                  * need to determine if there are metaslab groups after this
1152                  * one that might be able to handle this allocation. This is
1153                  * racy since we can't hold the locks for all metaslab
1154                  * groups at the same time when we make this check.
1155                  */
1156                 for (mgp = mg->mg_next; mgp != rotor; mgp = mgp->mg_next) {
1157                         qmax = mgp->mg_cur_max_alloc_queue_depth[allocator];
1158                         qmax = qmax * (4 + d) / 4;
1159                         qdepth = zfs_refcount_count(
1160                             &mgp->mg_alloc_queue_depth[allocator]);
1161
1162                         /*
1163                          * If there is another metaslab group that
1164                          * might be able to handle the allocation, then
1165                          * we return false so that we skip this group.
1166                          */
1167                         if (qdepth < qmax && !mgp->mg_no_free_space)
1168                                 return (B_FALSE);
1169                 }
1170
1171                 /*
1172                  * We didn't find another group to handle the allocation
1173                  * so we can't skip this metaslab group even though
1174                  * we are at or over our qmax.
1175                  */
1176                 return (B_TRUE);
1177
1178         } else if (mc->mc_alloc_groups == 0 || psize == SPA_MINBLOCKSIZE) {
1179                 return (B_TRUE);
1180         }
1181         return (B_FALSE);
1182 }
1183
1184 /*
1185  * ==========================================================================
1186  * Range tree callbacks
1187  * ==========================================================================
1188  */
1189
1190 /*
1191  * Comparison function for the private size-ordered tree. Tree is sorted
1192  * by size, larger sizes at the end of the tree.
1193  */
1194 static int
1195 metaslab_rangesize_compare(const void *x1, const void *x2)
1196 {
1197         const range_seg_t *r1 = x1;
1198         const range_seg_t *r2 = x2;
1199         uint64_t rs_size1 = r1->rs_end - r1->rs_start;
1200         uint64_t rs_size2 = r2->rs_end - r2->rs_start;
1201
1202         int cmp = AVL_CMP(rs_size1, rs_size2);
1203         if (likely(cmp))
1204                 return (cmp);
1205
1206         return (AVL_CMP(r1->rs_start, r2->rs_start));
1207 }
1208
1209 /*
1210  * ==========================================================================
1211  * Common allocator routines
1212  * ==========================================================================
1213  */
1214
1215 /*
1216  * Return the maximum contiguous segment within the metaslab.
1217  */
1218 uint64_t
1219 metaslab_block_maxsize(metaslab_t *msp)
1220 {
1221         avl_tree_t *t = &msp->ms_allocatable_by_size;
1222         range_seg_t *rs;
1223
1224         if (t == NULL || (rs = avl_last(t)) == NULL)
1225                 return (0ULL);
1226
1227         return (rs->rs_end - rs->rs_start);
1228 }
1229
1230 static range_seg_t *
1231 metaslab_block_find(avl_tree_t *t, uint64_t start, uint64_t size)
1232 {
1233         range_seg_t *rs, rsearch;
1234         avl_index_t where;
1235
1236         rsearch.rs_start = start;
1237         rsearch.rs_end = start + size;
1238
1239         rs = avl_find(t, &rsearch, &where);
1240         if (rs == NULL) {
1241                 rs = avl_nearest(t, where, AVL_AFTER);
1242         }
1243
1244         return (rs);
1245 }
1246
1247 /*
1248  * This is a helper function that can be used by the allocator to find
1249  * a suitable block to allocate. This will search the specified AVL
1250  * tree looking for a block that matches the specified criteria.
1251  */
1252 static uint64_t
1253 metaslab_block_picker(avl_tree_t *t, uint64_t *cursor, uint64_t size,
1254     uint64_t align)
1255 {
1256         range_seg_t *rs = metaslab_block_find(t, *cursor, size);
1257
1258         while (rs != NULL) {
1259                 uint64_t offset = P2ROUNDUP(rs->rs_start, align);
1260
1261                 if (offset + size <= rs->rs_end) {
1262                         *cursor = offset + size;
1263                         return (offset);
1264                 }
1265                 rs = AVL_NEXT(t, rs);
1266         }
1267
1268         /*
1269          * If we know we've searched the whole map (*cursor == 0), give up.
1270          * Otherwise, reset the cursor to the beginning and try again.
1271          */
1272         if (*cursor == 0)
1273                 return (-1ULL);
1274
1275         *cursor = 0;
1276         return (metaslab_block_picker(t, cursor, size, align));
1277 }
1278
1279 /*
1280  * ==========================================================================
1281  * The first-fit block allocator
1282  * ==========================================================================
1283  */
1284 static uint64_t
1285 metaslab_ff_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1286 {
1287         /*
1288          * Find the largest power of 2 block size that evenly divides the
1289          * requested size. This is used to try to allocate blocks with similar
1290          * alignment from the same area of the metaslab (i.e. same cursor
1291          * bucket) but it does not guarantee that other allocations sizes
1292          * may exist in the same region.
1293          */
1294         uint64_t align = size & -size;
1295         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[highbit64(align) - 1];
1296         avl_tree_t *t = &msp->ms_allocatable->rt_root;
1297
1298         return (metaslab_block_picker(t, cursor, size, align));
1299 }
1300
1301 static metaslab_ops_t metaslab_ff_ops = {
1302         metaslab_ff_alloc
1303 };
1304
1305 /*
1306  * ==========================================================================
1307  * Dynamic block allocator -
1308  * Uses the first fit allocation scheme until space get low and then
1309  * adjusts to a best fit allocation method. Uses metaslab_df_alloc_threshold
1310  * and metaslab_df_free_pct to determine when to switch the allocation scheme.
1311  * ==========================================================================
1312  */
1313 static uint64_t
1314 metaslab_df_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1315 {
1316         /*
1317          * Find the largest power of 2 block size that evenly divides the
1318          * requested size. This is used to try to allocate blocks with similar
1319          * alignment from the same area of the metaslab (i.e. same cursor
1320          * bucket) but it does not guarantee that other allocations sizes
1321          * may exist in the same region.
1322          */
1323         uint64_t align = size & -size;
1324         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[highbit64(align) - 1];
1325         range_tree_t *rt = msp->ms_allocatable;
1326         avl_tree_t *t = &rt->rt_root;
1327         uint64_t max_size = metaslab_block_maxsize(msp);
1328         int free_pct = range_tree_space(rt) * 100 / msp->ms_size;
1329
1330         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1331         ASSERT3U(avl_numnodes(t), ==,
1332             avl_numnodes(&msp->ms_allocatable_by_size));
1333
1334         if (max_size < size)
1335                 return (-1ULL);
1336
1337         /*
1338          * If we're running low on space switch to using the size
1339          * sorted AVL tree (best-fit).
1340          */
1341         if (max_size < metaslab_df_alloc_threshold ||
1342             free_pct < metaslab_df_free_pct) {
1343                 t = &msp->ms_allocatable_by_size;
1344                 *cursor = 0;
1345         }
1346
1347         return (metaslab_block_picker(t, cursor, size, 1ULL));
1348 }
1349
1350 static metaslab_ops_t metaslab_df_ops = {
1351         metaslab_df_alloc
1352 };
1353
1354 /*
1355  * ==========================================================================
1356  * Cursor fit block allocator -
1357  * Select the largest region in the metaslab, set the cursor to the beginning
1358  * of the range and the cursor_end to the end of the range. As allocations
1359  * are made advance the cursor. Continue allocating from the cursor until
1360  * the range is exhausted and then find a new range.
1361  * ==========================================================================
1362  */
1363 static uint64_t
1364 metaslab_cf_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1365 {
1366         range_tree_t *rt = msp->ms_allocatable;
1367         avl_tree_t *t = &msp->ms_allocatable_by_size;
1368         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[0];
1369         uint64_t *cursor_end = &msp->ms_lbas[1];
1370         uint64_t offset = 0;
1371
1372         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1373         ASSERT3U(avl_numnodes(t), ==, avl_numnodes(&rt->rt_root));
1374
1375         ASSERT3U(*cursor_end, >=, *cursor);
1376
1377         if ((*cursor + size) > *cursor_end) {
1378                 range_seg_t *rs;
1379
1380                 rs = avl_last(&msp->ms_allocatable_by_size);
1381                 if (rs == NULL || (rs->rs_end - rs->rs_start) < size)
1382                         return (-1ULL);
1383
1384                 *cursor = rs->rs_start;
1385                 *cursor_end = rs->rs_end;
1386         }
1387
1388         offset = *cursor;
1389         *cursor += size;
1390
1391         return (offset);
1392 }
1393
1394 static metaslab_ops_t metaslab_cf_ops = {
1395         metaslab_cf_alloc
1396 };
1397
1398 /*
1399  * ==========================================================================
1400  * New dynamic fit allocator -
1401  * Select a region that is large enough to allocate 2^metaslab_ndf_clump_shift
1402  * contiguous blocks. If no region is found then just use the largest segment
1403  * that remains.
1404  * ==========================================================================
1405  */
1406
1407 /*
1408  * Determines desired number of contiguous blocks (2^metaslab_ndf_clump_shift)
1409  * to request from the allocator.
1410  */
1411 uint64_t metaslab_ndf_clump_shift = 4;
1412
1413 static uint64_t
1414 metaslab_ndf_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1415 {
1416         avl_tree_t *t = &msp->ms_allocatable->rt_root;
1417         avl_index_t where;
1418         range_seg_t *rs, rsearch;
1419         uint64_t hbit = highbit64(size);
1420         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[hbit - 1];
1421         uint64_t max_size = metaslab_block_maxsize(msp);
1422
1423         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1424         ASSERT3U(avl_numnodes(t), ==,
1425             avl_numnodes(&msp->ms_allocatable_by_size));
1426
1427         if (max_size < size)
1428                 return (-1ULL);
1429
1430         rsearch.rs_start = *cursor;
1431         rsearch.rs_end = *cursor + size;
1432
1433         rs = avl_find(t, &rsearch, &where);
1434         if (rs == NULL || (rs->rs_end - rs->rs_start) < size) {
1435                 t = &msp->ms_allocatable_by_size;
1436
1437                 rsearch.rs_start = 0;
1438                 rsearch.rs_end = MIN(max_size,
1439                     1ULL << (hbit + metaslab_ndf_clump_shift));
1440                 rs = avl_find(t, &rsearch, &where);
1441                 if (rs == NULL)
1442                         rs = avl_nearest(t, where, AVL_AFTER);
1443                 ASSERT(rs != NULL);
1444         }
1445
1446         if ((rs->rs_end - rs->rs_start) >= size) {
1447                 *cursor = rs->rs_start + size;
1448                 return (rs->rs_start);
1449         }
1450         return (-1ULL);
1451 }
1452
1453 static metaslab_ops_t metaslab_ndf_ops = {
1454         metaslab_ndf_alloc
1455 };
1456
1457 metaslab_ops_t *zfs_metaslab_ops = &metaslab_df_ops;
1458
1459 /*
1460  * ==========================================================================
1461  * Metaslabs
1462  * ==========================================================================
1463  */
1464
1465 /*
1466  * Wait for any in-progress metaslab loads to complete.
1467  */
1468 static void
1469 metaslab_load_wait(metaslab_t *msp)
1470 {
1471         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1472
1473         while (msp->ms_loading) {
1474                 ASSERT(!msp->ms_loaded);
1475                 cv_wait(&msp->ms_load_cv, &msp->ms_lock);
1476         }
1477 }
1478
1479 static int
1480 metaslab_load_impl(metaslab_t *msp)
1481 {
1482         int error = 0;
1483
1484         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1485         ASSERT(msp->ms_loading);
1486
1487         /*
1488          * Nobody else can manipulate a loading metaslab, so it's now safe
1489          * to drop the lock. This way we don't have to hold the lock while
1490          * reading the spacemap from disk.
1491          */
1492         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1493
1494         /*
1495          * If the space map has not been allocated yet, then treat
1496          * all the space in the metaslab as free and add it to ms_allocatable.
1497          */
1498         if (msp->ms_sm != NULL) {
1499                 error = space_map_load(msp->ms_sm, msp->ms_allocatable,
1500                     SM_FREE);
1501         } else {
1502                 range_tree_add(msp->ms_allocatable,
1503                     msp->ms_start, msp->ms_size);
1504         }
1505
1506         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1507
1508         if (error != 0)
1509                 return (error);
1510
1511         ASSERT3P(msp->ms_group, !=, NULL);
1512         msp->ms_loaded = B_TRUE;
1513
1514         /*
1515          * If the metaslab already has a spacemap, then we need to
1516          * remove all segments from the defer tree; otherwise, the
1517          * metaslab is completely empty and we can skip this.
1518          */
1519         if (msp->ms_sm != NULL) {
1520                 for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
1521                         range_tree_walk(msp->ms_defer[t],
1522                             range_tree_remove, msp->ms_allocatable);
1523                 }
1524         }
1525         msp->ms_max_size = metaslab_block_maxsize(msp);
1526
1527         return (0);
1528 }
1529
1530 int
1531 metaslab_load(metaslab_t *msp)
1532 {
1533         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1534
1535         /*
1536          * There may be another thread loading the same metaslab, if that's
1537          * the case just wait until the other thread is done and return.
1538          */
1539         metaslab_load_wait(msp);
1540         if (msp->ms_loaded)
1541                 return (0);
1542         VERIFY(!msp->ms_loading);
1543
1544         msp->ms_loading = B_TRUE;
1545         int error = metaslab_load_impl(msp);
1546         msp->ms_loading = B_FALSE;
1547         cv_broadcast(&msp->ms_load_cv);
1548
1549         return (error);
1550 }
1551
1552 void
1553 metaslab_unload(metaslab_t *msp)
1554 {
1555         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1556         range_tree_vacate(msp->ms_allocatable, NULL, NULL);
1557         msp->ms_loaded = B_FALSE;
1558         msp->ms_weight &= ~METASLAB_ACTIVE_MASK;
1559         msp->ms_max_size = 0;
1560 }
1561
1562 int
1563 metaslab_init(metaslab_group_t *mg, uint64_t id, uint64_t object, uint64_t txg,
1564     metaslab_t **msp)
1565 {
1566         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
1567         objset_t *mos = vd->vdev_spa->spa_meta_objset;
1568         metaslab_t *ms;
1569         int error;
1570
1571         ms = kmem_zalloc(sizeof (metaslab_t), KM_SLEEP);
1572         mutex_init(&ms->ms_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
1573         mutex_init(&ms->ms_sync_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
1574         cv_init(&ms->ms_load_cv, NULL, CV_DEFAULT, NULL);
1575
1576         ms->ms_id = id;
1577         ms->ms_start = id << vd->vdev_ms_shift;
1578         ms->ms_size = 1ULL << vd->vdev_ms_shift;
1579         ms->ms_allocator = -1;
1580         ms->ms_new = B_TRUE;
1581
1582         /*
1583          * We only open space map objects that already exist. All others
1584          * will be opened when we finally allocate an object for it.
1585          */
1586         if (object != 0) {
1587                 error = space_map_open(&ms->ms_sm, mos, object, ms->ms_start,
1588                     ms->ms_size, vd->vdev_ashift);
1589
1590                 if (error != 0) {
1591                         kmem_free(ms, sizeof (metaslab_t));
1592                         return (error);
1593                 }
1594
1595                 ASSERT(ms->ms_sm != NULL);
1596         }
1597
1598         /*
1599          * We create the main range tree here, but we don't create the
1600          * other range trees until metaslab_sync_done().  This serves
1601          * two purposes: it allows metaslab_sync_done() to detect the
1602          * addition of new space; and for debugging, it ensures that we'd
1603          * data fault on any attempt to use this metaslab before it's ready.
1604          */
1605         ms->ms_allocatable = range_tree_create_impl(&rt_avl_ops, &ms->ms_allocatable_by_size,
1606             metaslab_rangesize_compare, 0);
1607         metaslab_group_add(mg, ms);
1608
1609         metaslab_set_fragmentation(ms);
1610
1611         /*
1612          * If we're opening an existing pool (txg == 0) or creating
1613          * a new one (txg == TXG_INITIAL), all space is available now.
1614          * If we're adding space to an existing pool, the new space
1615          * does not become available until after this txg has synced.
1616          * The metaslab's weight will also be initialized when we sync
1617          * out this txg. This ensures that we don't attempt to allocate
1618          * from it before we have initialized it completely.
1619          */
1620         if (txg <= TXG_INITIAL)
1621                 metaslab_sync_done(ms, 0);
1622
1623         /*
1624          * If metaslab_debug_load is set and we're initializing a metaslab
1625          * that has an allocated space map object then load the its space
1626          * map so that can verify frees.
1627          */
1628         if (metaslab_debug_load && ms->ms_sm != NULL) {
1629                 mutex_enter(&ms->ms_lock);
1630                 VERIFY0(metaslab_load(ms));
1631                 mutex_exit(&ms->ms_lock);
1632         }
1633
1634         if (txg != 0) {
1635                 vdev_dirty(vd, 0, NULL, txg);
1636                 vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, ms, txg);
1637         }
1638
1639         *msp = ms;
1640
1641         return (0);
1642 }
1643
1644 void
1645 metaslab_fini(metaslab_t *msp)
1646 {
1647         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
1648
1649         metaslab_group_remove(mg, msp);
1650
1651         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1652         VERIFY(msp->ms_group == NULL);
1653         vdev_space_update(mg->mg_vd, -space_map_allocated(msp->ms_sm),
1654             0, -msp->ms_size);
1655         space_map_close(msp->ms_sm);
1656
1657         metaslab_unload(msp);
1658         range_tree_destroy(msp->ms_allocatable);
1659         range_tree_destroy(msp->ms_freeing);
1660         range_tree_destroy(msp->ms_freed);
1661
1662         for (int t = 0; t < TXG_SIZE; t++) {
1663                 range_tree_destroy(msp->ms_allocating[t]);
1664         }
1665
1666         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
1667                 range_tree_destroy(msp->ms_defer[t]);
1668         }
1669         ASSERT0(msp->ms_deferspace);
1670
1671         range_tree_destroy(msp->ms_checkpointing);
1672
1673         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1674         cv_destroy(&msp->ms_load_cv);
1675         mutex_destroy(&msp->ms_lock);
1676         mutex_destroy(&msp->ms_sync_lock);
1677         ASSERT3U(msp->ms_allocator, ==, -1);
1678
1679         kmem_free(msp, sizeof (metaslab_t));
1680 }
1681
1682 #define FRAGMENTATION_TABLE_SIZE        17
1683
1684 /*
1685  * This table defines a segment size based fragmentation metric that will
1686  * allow each metaslab to derive its own fragmentation value. This is done
1687  * by calculating the space in each bucket of the spacemap histogram and
1688  * multiplying that by the fragmetation metric in this table. Doing
1689  * this for all buckets and dividing it by the total amount of free
1690  * space in this metaslab (i.e. the total free space in all buckets) gives
1691  * us the fragmentation metric. This means that a high fragmentation metric
1692  * equates to most of the free space being comprised of small segments.
1693  * Conversely, if the metric is low, then most of the free space is in
1694  * large segments. A 10% change in fragmentation equates to approximately
1695  * double the number of segments.
1696  *
1697  * This table defines 0% fragmented space using 16MB segments. Testing has
1698  * shown that segments that are greater than or equal to 16MB do not suffer
1699  * from drastic performance problems. Using this value, we derive the rest
1700  * of the table. Since the fragmentation value is never stored on disk, it
1701  * is possible to change these calculations in the future.
1702  */
1703 int zfs_frag_table[FRAGMENTATION_TABLE_SIZE] = {
1704         100,    /* 512B */
1705         100,    /* 1K   */
1706         98,     /* 2K   */
1707         95,     /* 4K   */
1708         90,     /* 8K   */
1709         80,     /* 16K  */
1710         70,     /* 32K  */
1711         60,     /* 64K  */
1712         50,     /* 128K */
1713         40,     /* 256K */
1714         30,     /* 512K */
1715         20,     /* 1M   */
1716         15,     /* 2M   */
1717         10,     /* 4M   */
1718         5,      /* 8M   */
1719         0       /* 16M  */
1720 };
1721
1722 /*
1723  * Calclate the metaslab's fragmentation metric. A return value
1724  * of ZFS_FRAG_INVALID means that the metaslab has not been upgraded and does
1725  * not support this metric. Otherwise, the return value should be in the
1726  * range [0, 100].
1727  */
1728 static void
1729 metaslab_set_fragmentation(metaslab_t *msp)
1730 {
1731         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
1732         uint64_t fragmentation = 0;
1733         uint64_t total = 0;
1734         boolean_t feature_enabled = spa_feature_is_enabled(spa,
1735             SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM);
1736
1737         if (!feature_enabled) {
1738                 msp->ms_fragmentation = ZFS_FRAG_INVALID;
1739                 return;
1740         }
1741
1742         /*
1743          * A null space map means that the entire metaslab is free
1744          * and thus is not fragmented.
1745          */
1746         if (msp->ms_sm == NULL) {
1747                 msp->ms_fragmentation = 0;
1748                 return;
1749         }
1750
1751         /*
1752          * If this metaslab's space map has not been upgraded, flag it
1753          * so that we upgrade next time we encounter it.
1754          */
1755         if (msp->ms_sm->sm_dbuf->db_size != sizeof (space_map_phys_t)) {
1756                 uint64_t txg = spa_syncing_txg(spa);
1757                 vdev_t *vd = msp->ms_group->mg_vd;
1758
1759                 /*
1760                  * If we've reached the final dirty txg, then we must
1761                  * be shutting down the pool. We don't want to dirty
1762                  * any data past this point so skip setting the condense
1763                  * flag. We can retry this action the next time the pool
1764                  * is imported.
1765                  */
1766                 if (spa_writeable(spa) && txg < spa_final_dirty_txg(spa)) {
1767                         msp->ms_condense_wanted = B_TRUE;
1768                         vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg + 1);
1769                         zfs_dbgmsg("txg %llu, requesting force condense: "
1770                             "ms_id %llu, vdev_id %llu", txg, msp->ms_id,
1771                             vd->vdev_id);
1772                 }
1773                 msp->ms_fragmentation = ZFS_FRAG_INVALID;
1774                 return;
1775         }
1776
1777         for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
1778                 uint64_t space = 0;
1779                 uint8_t shift = msp->ms_sm->sm_shift;
1780
1781                 int idx = MIN(shift - SPA_MINBLOCKSHIFT + i,
1782                     FRAGMENTATION_TABLE_SIZE - 1);
1783
1784                 if (msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i] == 0)
1785                         continue;
1786
1787                 space = msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i] << (i + shift);
1788                 total += space;
1789
1790                 ASSERT3U(idx, <, FRAGMENTATION_TABLE_SIZE);
1791                 fragmentation += space * zfs_frag_table[idx];
1792         }
1793
1794         if (total > 0)
1795                 fragmentation /= total;
1796         ASSERT3U(fragmentation, <=, 100);
1797
1798         msp->ms_fragmentation = fragmentation;
1799 }
1800
1801 /*
1802  * Compute a weight -- a selection preference value -- for the given metaslab.
1803  * This is based on the amount of free space, the level of fragmentation,
1804  * the LBA range, and whether the metaslab is loaded.
1805  */
1806 static uint64_t
1807 metaslab_space_weight(metaslab_t *msp)
1808 {
1809         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
1810         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
1811         uint64_t weight, space;
1812
1813         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1814         ASSERT(!vd->vdev_removing);
1815
1816         /*
1817          * The baseline weight is the metaslab's free space.
1818          */
1819         space = msp->ms_size - space_map_allocated(msp->ms_sm);
1820
1821         if (metaslab_fragmentation_factor_enabled &&
1822             msp->ms_fragmentation != ZFS_FRAG_INVALID) {
1823                 /*
1824                  * Use the fragmentation information to inversely scale
1825                  * down the baseline weight. We need to ensure that we
1826                  * don't exclude this metaslab completely when it's 100%
1827                  * fragmented. To avoid this we reduce the fragmented value
1828                  * by 1.
1829                  */
1830                 space = (space * (100 - (msp->ms_fragmentation - 1))) / 100;
1831
1832                 /*
1833                  * If space < SPA_MINBLOCKSIZE, then we will not allocate from
1834                  * this metaslab again. The fragmentation metric may have
1835                  * decreased the space to something smaller than
1836                  * SPA_MINBLOCKSIZE, so reset the space to SPA_MINBLOCKSIZE
1837                  * so that we can consume any remaining space.
1838                  */
1839                 if (space > 0 && space < SPA_MINBLOCKSIZE)
1840                         space = SPA_MINBLOCKSIZE;
1841         }
1842         weight = space;
1843
1844         /*
1845          * Modern disks have uniform bit density and constant angular velocity.
1846          * Therefore, the outer recording zones are faster (higher bandwidth)
1847          * than the inner zones by the ratio of outer to inner track diameter,
1848          * which is typically around 2:1.  We account for this by assigning
1849          * higher weight to lower metaslabs (multiplier ranging from 2x to 1x).
1850          * In effect, this means that we'll select the metaslab with the most
1851          * free bandwidth rather than simply the one with the most free space.
1852          */
1853         if (!vd->vdev_nonrot && metaslab_lba_weighting_enabled) {
1854                 weight = 2 * weight - (msp->ms_id * weight) / vd->vdev_ms_count;
1855                 ASSERT(weight >= space && weight <= 2 * space);
1856         }
1857
1858         /*
1859          * If this metaslab is one we're actively using, adjust its
1860          * weight to make it preferable to any inactive metaslab so
1861          * we'll polish it off. If the fragmentation on this metaslab
1862          * has exceed our threshold, then don't mark it active.
1863          */
1864         if (msp->ms_loaded && msp->ms_fragmentation != ZFS_FRAG_INVALID &&
1865             msp->ms_fragmentation <= zfs_metaslab_fragmentation_threshold) {
1866                 weight |= (msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
1867         }
1868
1869         WEIGHT_SET_SPACEBASED(weight);
1870         return (weight);
1871 }
1872
1873 /*
1874  * Return the weight of the specified metaslab, according to the segment-based
1875  * weighting algorithm. The metaslab must be loaded. This function can
1876  * be called within a sync pass since it relies only on the metaslab's
1877  * range tree which is always accurate when the metaslab is loaded.
1878  */
1879 static uint64_t
1880 metaslab_weight_from_range_tree(metaslab_t *msp)
1881 {
1882         uint64_t weight = 0;
1883         uint32_t segments = 0;
1884
1885         ASSERT(msp->ms_loaded);
1886
1887         for (int i = RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE - 1; i >= SPA_MINBLOCKSHIFT;
1888             i--) {
1889                 uint8_t shift = msp->ms_group->mg_vd->vdev_ashift;
1890                 int max_idx = SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE + shift - 1;
1891
1892                 segments <<= 1;
1893                 segments += msp->ms_allocatable->rt_histogram[i];
1894
1895                 /*
1896                  * The range tree provides more precision than the space map
1897                  * and must be downgraded so that all values fit within the
1898                  * space map's histogram. This allows us to compare loaded
1899                  * vs. unloaded metaslabs to determine which metaslab is
1900                  * considered "best".
1901                  */
1902                 if (i > max_idx)
1903                         continue;
1904
1905                 if (segments != 0) {
1906                         WEIGHT_SET_COUNT(weight, segments);
1907                         WEIGHT_SET_INDEX(weight, i);
1908                         WEIGHT_SET_ACTIVE(weight, 0);
1909                         break;
1910                 }
1911         }
1912         return (weight);
1913 }
1914
1915 /*
1916  * Calculate the weight based on the on-disk histogram. This should only
1917  * be called after a sync pass has completely finished since the on-disk
1918  * information is updated in metaslab_sync().
1919  */
1920 static uint64_t
1921 metaslab_weight_from_spacemap(metaslab_t *msp)
1922 {
1923         uint64_t weight = 0;
1924
1925         for (int i = SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE - 1; i >= 0; i--) {
1926                 if (msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i] != 0) {
1927                         WEIGHT_SET_COUNT(weight,
1928                             msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i]);
1929                         WEIGHT_SET_INDEX(weight, i +
1930                             msp->ms_sm->sm_shift);
1931                         WEIGHT_SET_ACTIVE(weight, 0);
1932                         break;
1933                 }
1934         }
1935         return (weight);
1936 }
1937
1938 /*
1939  * Compute a segment-based weight for the specified metaslab. The weight
1940  * is determined by highest bucket in the histogram. The information
1941  * for the highest bucket is encoded into the weight value.
1942  */
1943 static uint64_t
1944 metaslab_segment_weight(metaslab_t *msp)
1945 {
1946         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
1947         uint64_t weight = 0;
1948         uint8_t shift = mg->mg_vd->vdev_ashift;
1949
1950         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1951
1952         /*
1953          * The metaslab is completely free.
1954          */
1955         if (space_map_allocated(msp->ms_sm) == 0) {
1956                 int idx = highbit64(msp->ms_size) - 1;
1957                 int max_idx = SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE + shift - 1;
1958
1959                 if (idx < max_idx) {
1960                         WEIGHT_SET_COUNT(weight, 1ULL);
1961                         WEIGHT_SET_INDEX(weight, idx);
1962                 } else {
1963                         WEIGHT_SET_COUNT(weight, 1ULL << (idx - max_idx));
1964                         WEIGHT_SET_INDEX(weight, max_idx);
1965                 }
1966                 WEIGHT_SET_ACTIVE(weight, 0);
1967                 ASSERT(!WEIGHT_IS_SPACEBASED(weight));
1968
1969                 return (weight);
1970         }
1971
1972         ASSERT3U(msp->ms_sm->sm_dbuf->db_size, ==, sizeof (space_map_phys_t));
1973
1974         /*
1975          * If the metaslab is fully allocated then just make the weight 0.
1976          */
1977         if (space_map_allocated(msp->ms_sm) == msp->ms_size)
1978                 return (0);
1979         /*
1980          * If the metaslab is already loaded, then use the range tree to
1981          * determine the weight. Otherwise, we rely on the space map information
1982          * to generate the weight.
1983          */
1984         if (msp->ms_loaded) {
1985                 weight = metaslab_weight_from_range_tree(msp);
1986         } else {
1987                 weight = metaslab_weight_from_spacemap(msp);
1988         }
1989
1990         /*
1991          * If the metaslab was active the last time we calculated its weight
1992          * then keep it active. We want to consume the entire region that
1993          * is associated with this weight.
1994          */
1995         if (msp->ms_activation_weight != 0 && weight != 0)
1996                 WEIGHT_SET_ACTIVE(weight, WEIGHT_GET_ACTIVE(msp->ms_weight));
1997         return (weight);
1998 }
1999
2000 /*
2001  * Determine if we should attempt to allocate from this metaslab. If the
2002  * metaslab has a maximum size then we can quickly determine if the desired
2003  * allocation size can be satisfied. Otherwise, if we're using segment-based
2004  * weighting then we can determine the maximum allocation that this metaslab
2005  * can accommodate based on the index encoded in the weight. If we're using
2006  * space-based weights then rely on the entire weight (excluding the weight
2007  * type bit).
2008  */
2009 boolean_t
2010 metaslab_should_allocate(metaslab_t *msp, uint64_t asize)
2011 {
2012         boolean_t should_allocate;
2013
2014         if (msp->ms_max_size != 0)
2015                 return (msp->ms_max_size >= asize);
2016
2017         if (!WEIGHT_IS_SPACEBASED(msp->ms_weight)) {
2018                 /*
2019                  * The metaslab segment weight indicates segments in the
2020                  * range [2^i, 2^(i+1)), where i is the index in the weight.
2021                  * Since the asize might be in the middle of the range, we
2022                  * should attempt the allocation if asize < 2^(i+1).
2023                  */
2024                 should_allocate = (asize <
2025                     1ULL << (WEIGHT_GET_INDEX(msp->ms_weight) + 1));
2026         } else {
2027                 should_allocate = (asize <=
2028                     (msp->ms_weight & ~METASLAB_WEIGHT_TYPE));
2029         }
2030         return (should_allocate);
2031 }
2032
2033 static uint64_t
2034 metaslab_weight(metaslab_t *msp)
2035 {
2036         vdev_t *vd = msp->ms_group->mg_vd;
2037         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
2038         uint64_t weight;
2039
2040         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2041
2042         /*
2043          * If this vdev is in the process of being removed, there is nothing
2044          * for us to do here.
2045          */
2046         if (vd->vdev_removing)
2047                 return (0);
2048
2049         metaslab_set_fragmentation(msp);
2050
2051         /*
2052          * Update the maximum size if the metaslab is loaded. This will
2053          * ensure that we get an accurate maximum size if newly freed space
2054          * has been added back into the free tree.
2055          */
2056         if (msp->ms_loaded)
2057                 msp->ms_max_size = metaslab_block_maxsize(msp);
2058
2059         /*
2060          * Segment-based weighting requires space map histogram support.
2061          */
2062         if (zfs_metaslab_segment_weight_enabled &&
2063             spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM) &&
2064             (msp->ms_sm == NULL || msp->ms_sm->sm_dbuf->db_size ==
2065             sizeof (space_map_phys_t))) {
2066                 weight = metaslab_segment_weight(msp);
2067         } else {
2068                 weight = metaslab_space_weight(msp);
2069         }
2070         return (weight);
2071 }
2072
2073 static int
2074 metaslab_activate_allocator(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp,
2075     int allocator, uint64_t activation_weight)
2076 {
2077         /*
2078          * If we're activating for the claim code, we don't want to actually
2079          * set the metaslab up for a specific allocator.
2080          */
2081         if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_CLAIM)
2082                 return (0);
2083         metaslab_t **arr = (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY ?
2084             mg->mg_primaries : mg->mg_secondaries);
2085
2086         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2087         mutex_enter(&mg->mg_lock);
2088         if (arr[allocator] != NULL) {
2089                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
2090                 return (EEXIST);
2091         }
2092
2093         arr[allocator] = msp;
2094         ASSERT3S(msp->ms_allocator, ==, -1);
2095         msp->ms_allocator = allocator;
2096         msp->ms_primary = (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY);
2097         mutex_exit(&mg->mg_lock);
2098
2099         return (0);
2100 }
2101
2102 static int
2103 metaslab_activate(metaslab_t *msp, int allocator, uint64_t activation_weight)
2104 {
2105         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2106
2107         if ((msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) == 0) {
2108                 int error = metaslab_load(msp);
2109                 if (error != 0) {
2110                         metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp, 0);
2111                         return (error);
2112                 }
2113                 if ((msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) != 0) {
2114                         /*
2115                          * The metaslab was activated for another allocator
2116                          * while we were waiting, we should reselect.
2117                          */
2118                         return (EBUSY);
2119                 }
2120                 if ((error = metaslab_activate_allocator(msp->ms_group, msp,
2121                     allocator, activation_weight)) != 0) {
2122                         return (error);
2123                 }
2124
2125                 msp->ms_activation_weight = msp->ms_weight;
2126                 metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp,
2127                     msp->ms_weight | activation_weight);
2128         }
2129         ASSERT(msp->ms_loaded);
2130         ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
2131
2132         return (0);
2133 }
2134
2135 static void
2136 metaslab_passivate_allocator(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp,
2137     uint64_t weight)
2138 {
2139         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2140         if (msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_CLAIM) {
2141                 metaslab_group_sort(mg, msp, weight);
2142                 return;
2143         }
2144
2145         mutex_enter(&mg->mg_lock);
2146         ASSERT3P(msp->ms_group, ==, mg);
2147         if (msp->ms_primary) {
2148                 ASSERT3U(0, <=, msp->ms_allocator);
2149                 ASSERT3U(msp->ms_allocator, <, mg->mg_allocators);
2150                 ASSERT3P(mg->mg_primaries[msp->ms_allocator], ==, msp);
2151                 ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_PRIMARY);
2152                 mg->mg_primaries[msp->ms_allocator] = NULL;
2153         } else {
2154                 ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_SECONDARY);
2155                 ASSERT3P(mg->mg_secondaries[msp->ms_allocator], ==, msp);
2156                 mg->mg_secondaries[msp->ms_allocator] = NULL;
2157         }
2158         msp->ms_allocator = -1;
2159         metaslab_group_sort_impl(mg, msp, weight);
2160         mutex_exit(&mg->mg_lock);
2161 }
2162
2163 static void
2164 metaslab_passivate(metaslab_t *msp, uint64_t weight)
2165 {
2166         uint64_t size = weight & ~METASLAB_WEIGHT_TYPE;
2167
2168         /*
2169          * If size < SPA_MINBLOCKSIZE, then we will not allocate from
2170          * this metaslab again.  In that case, it had better be empty,
2171          * or we would be leaving space on the table.
2172          */
2173         ASSERT(size >= SPA_MINBLOCKSIZE ||
2174             range_tree_is_empty(msp->ms_allocatable));
2175         ASSERT0(weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
2176
2177         msp->ms_activation_weight = 0;
2178         metaslab_passivate_allocator(msp->ms_group, msp, weight);
2179         ASSERT((msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) == 0);
2180 }
2181
2182 /*
2183  * Segment-based metaslabs are activated once and remain active until
2184  * we either fail an allocation attempt (similar to space-based metaslabs)
2185  * or have exhausted the free space in zfs_metaslab_switch_threshold
2186  * buckets since the metaslab was activated. This function checks to see
2187  * if we've exhaused the zfs_metaslab_switch_threshold buckets in the
2188  * metaslab and passivates it proactively. This will allow us to select a
2189  * metaslabs with larger contiguous region if any remaining within this
2190  * metaslab group. If we're in sync pass > 1, then we continue using this
2191  * metaslab so that we don't dirty more block and cause more sync passes.
2192  */
2193 void
2194 metaslab_segment_may_passivate(metaslab_t *msp)
2195 {
2196         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
2197
2198         if (WEIGHT_IS_SPACEBASED(msp->ms_weight) || spa_sync_pass(spa) > 1)
2199                 return;
2200
2201         /*
2202          * Since we are in the middle of a sync pass, the most accurate
2203          * information that is accessible to us is the in-core range tree
2204          * histogram; calculate the new weight based on that information.
2205          */
2206         uint64_t weight = metaslab_weight_from_range_tree(msp);
2207         int activation_idx = WEIGHT_GET_INDEX(msp->ms_activation_weight);
2208         int current_idx = WEIGHT_GET_INDEX(weight);
2209
2210         if (current_idx <= activation_idx - zfs_metaslab_switch_threshold)
2211                 metaslab_passivate(msp, weight);
2212 }
2213
2214 static void
2215 metaslab_preload(void *arg)
2216 {
2217         metaslab_t *msp = arg;
2218         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
2219
2220         ASSERT(!MUTEX_HELD(&msp->ms_group->mg_lock));
2221
2222         mutex_enter(&msp->ms_lock);
2223         (void) metaslab_load(msp);
2224         msp->ms_selected_txg = spa_syncing_txg(spa);
2225         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2226 }
2227
2228 static void
2229 metaslab_group_preload(metaslab_group_t *mg)
2230 {
2231         spa_t *spa = mg->mg_vd->vdev_spa;
2232         metaslab_t *msp;
2233         avl_tree_t *t = &mg->mg_metaslab_tree;
2234         int m = 0;
2235
2236         if (spa_shutting_down(spa) || !metaslab_preload_enabled) {
2237                 taskq_wait(mg->mg_taskq);
2238                 return;
2239         }
2240
2241         mutex_enter(&mg->mg_lock);
2242
2243         /*
2244          * Load the next potential metaslabs
2245          */
2246         for (msp = avl_first(t); msp != NULL; msp = AVL_NEXT(t, msp)) {
2247                 ASSERT3P(msp->ms_group, ==, mg);
2248
2249                 /*
2250                  * We preload only the maximum number of metaslabs specified
2251                  * by metaslab_preload_limit. If a metaslab is being forced
2252                  * to condense then we preload it too. This will ensure
2253                  * that force condensing happens in the next txg.
2254                  */
2255                 if (++m > metaslab_preload_limit && !msp->ms_condense_wanted) {
2256                         continue;
2257                 }
2258
2259                 VERIFY(taskq_dispatch(mg->mg_taskq, metaslab_preload,
2260                     msp, TQ_SLEEP) != 0);
2261         }
2262         mutex_exit(&mg->mg_lock);
2263 }
2264
2265 /*
2266  * Determine if the space map's on-disk footprint is past our tolerance
2267  * for inefficiency. We would like to use the following criteria to make
2268  * our decision:
2269  *
2270  * 1. The size of the space map object should not dramatically increase as a
2271  * result of writing out the free space range tree.
2272  *
2273  * 2. The minimal on-disk space map representation is zfs_condense_pct/100
2274  * times the size than the free space range tree representation
2275  * (i.e. zfs_condense_pct = 110 and in-core = 1MB, minimal = 1.1MB).
2276  *
2277  * 3. The on-disk size of the space map should actually decrease.
2278  *
2279  * Unfortunately, we cannot compute the on-disk size of the space map in this
2280  * context because we cannot accurately compute the effects of compression, etc.
2281  * Instead, we apply the heuristic described in the block comment for
2282  * zfs_metaslab_condense_block_threshold - we only condense if the space used
2283  * is greater than a threshold number of blocks.
2284  */
2285 static boolean_t
2286 metaslab_should_condense(metaslab_t *msp)
2287 {
2288         space_map_t *sm = msp->ms_sm;
2289         vdev_t *vd = msp->ms_group->mg_vd;
2290         uint64_t vdev_blocksize = 1 << vd->vdev_ashift;
2291         uint64_t current_txg = spa_syncing_txg(vd->vdev_spa);
2292
2293         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2294         ASSERT(msp->ms_loaded);
2295
2296         /*
2297          * Allocations and frees in early passes are generally more space
2298          * efficient (in terms of blocks described in space map entries)
2299          * than the ones in later passes (e.g. we don't compress after
2300          * sync pass 5) and condensing a metaslab multiple times in a txg
2301          * could degrade performance.
2302          *
2303          * Thus we prefer condensing each metaslab at most once every txg at
2304          * the earliest sync pass possible. If a metaslab is eligible for
2305          * condensing again after being considered for condensing within the
2306          * same txg, it will hopefully be dirty in the next txg where it will
2307          * be condensed at an earlier pass.
2308          */
2309         if (msp->ms_condense_checked_txg == current_txg)
2310                 return (B_FALSE);
2311         msp->ms_condense_checked_txg = current_txg;
2312
2313         /*
2314          * We always condense metaslabs that are empty and metaslabs for
2315          * which a condense request has been made.
2316          */
2317         if (avl_is_empty(&msp->ms_allocatable_by_size) ||
2318             msp->ms_condense_wanted)
2319                 return (B_TRUE);
2320
2321         uint64_t object_size = space_map_length(msp->ms_sm);
2322         uint64_t optimal_size = space_map_estimate_optimal_size(sm,
2323             msp->ms_allocatable, SM_NO_VDEVID);
2324
2325         dmu_object_info_t doi;
2326         dmu_object_info_from_db(sm->sm_dbuf, &doi);
2327         uint64_t record_size = MAX(doi.doi_data_block_size, vdev_blocksize);
2328
2329         return (object_size >= (optimal_size * zfs_condense_pct / 100) &&
2330             object_size > zfs_metaslab_condense_block_threshold * record_size);
2331 }
2332
2333 /*
2334  * Condense the on-disk space map representation to its minimized form.
2335  * The minimized form consists of a small number of allocations followed by
2336  * the entries of the free range tree.
2337  */
2338 static void
2339 metaslab_condense(metaslab_t *msp, uint64_t txg, dmu_tx_t *tx)
2340 {
2341         range_tree_t *condense_tree;
2342         space_map_t *sm = msp->ms_sm;
2343
2344         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2345         ASSERT(msp->ms_loaded);
2346
2347         zfs_dbgmsg("condensing: txg %llu, msp[%llu] %p, vdev id %llu, "
2348             "spa %s, smp size %llu, segments %lu, forcing condense=%s", txg,
2349             msp->ms_id, msp, msp->ms_group->mg_vd->vdev_id,
2350             msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa->spa_name,
2351             space_map_length(msp->ms_sm),
2352             avl_numnodes(&msp->ms_allocatable->rt_root),
2353             msp->ms_condense_wanted ? "TRUE" : "FALSE");
2354
2355         msp->ms_condense_wanted = B_FALSE;
2356
2357         /*
2358          * Create an range tree that is 100% allocated. We remove segments
2359          * that have been freed in this txg, any deferred frees that exist,
2360          * and any allocation in the future. Removing segments should be
2361          * a relatively inexpensive operation since we expect these trees to
2362          * have a small number of nodes.
2363          */
2364         condense_tree = range_tree_create(NULL, NULL);
2365         range_tree_add(condense_tree, msp->ms_start, msp->ms_size);
2366
2367         range_tree_walk(msp->ms_freeing, range_tree_remove, condense_tree);
2368         range_tree_walk(msp->ms_freed, range_tree_remove, condense_tree);
2369
2370         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
2371                 range_tree_walk(msp->ms_defer[t],
2372                     range_tree_remove, condense_tree);
2373         }
2374
2375         for (int t = 1; t < TXG_CONCURRENT_STATES; t++) {
2376                 range_tree_walk(msp->ms_allocating[(txg + t) & TXG_MASK],
2377                     range_tree_remove, condense_tree);
2378         }
2379
2380         /*
2381          * We're about to drop the metaslab's lock thus allowing
2382          * other consumers to change it's content. Set the
2383          * metaslab's ms_condensing flag to ensure that
2384          * allocations on this metaslab do not occur while we're
2385          * in the middle of committing it to disk. This is only critical
2386          * for ms_allocatable as all other range trees use per txg
2387          * views of their content.
2388          */
2389         msp->ms_condensing = B_TRUE;
2390
2391         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2392         space_map_truncate(sm, zfs_metaslab_sm_blksz, tx);
2393
2394         /*
2395          * While we would ideally like to create a space map representation
2396          * that consists only of allocation records, doing so can be
2397          * prohibitively expensive because the in-core free tree can be
2398          * large, and therefore computationally expensive to subtract
2399          * from the condense_tree. Instead we sync out two trees, a cheap
2400          * allocation only tree followed by the in-core free tree. While not
2401          * optimal, this is typically close to optimal, and much cheaper to
2402          * compute.
2403          */
2404         space_map_write(sm, condense_tree, SM_ALLOC, SM_NO_VDEVID, tx);
2405         range_tree_vacate(condense_tree, NULL, NULL);
2406         range_tree_destroy(condense_tree);
2407
2408         space_map_write(sm, msp->ms_allocatable, SM_FREE, SM_NO_VDEVID, tx);
2409         mutex_enter(&msp->ms_lock);
2410         msp->ms_condensing = B_FALSE;
2411 }
2412
2413 /*
2414  * Write a metaslab to disk in the context of the specified transaction group.
2415  */
2416 void
2417 metaslab_sync(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
2418 {
2419         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
2420         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
2421         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
2422         objset_t *mos = spa_meta_objset(spa);
2423         range_tree_t *alloctree = msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK];
2424         dmu_tx_t *tx;
2425         uint64_t object = space_map_object(msp->ms_sm);
2426
2427         ASSERT(!vd->vdev_ishole);
2428
2429         /*
2430          * This metaslab has just been added so there's no work to do now.
2431          */
2432         if (msp->ms_freeing == NULL) {
2433                 ASSERT3P(alloctree, ==, NULL);
2434                 return;
2435         }
2436
2437         ASSERT3P(alloctree, !=, NULL);
2438         ASSERT3P(msp->ms_freeing, !=, NULL);
2439         ASSERT3P(msp->ms_freed, !=, NULL);
2440         ASSERT3P(msp->ms_checkpointing, !=, NULL);
2441
2442         /*
2443          * Normally, we don't want to process a metaslab if there are no
2444          * allocations or frees to perform. However, if the metaslab is being
2445          * forced to condense and it's loaded, we need to let it through.
2446          */
2447         if (range_tree_is_empty(alloctree) &&
2448             range_tree_is_empty(msp->ms_freeing) &&
2449             range_tree_is_empty(msp->ms_checkpointing) &&
2450             !(msp->ms_loaded && msp->ms_condense_wanted))
2451                 return;
2452
2453
2454         VERIFY(txg <= spa_final_dirty_txg(spa));
2455
2456         /*
2457          * The only state that can actually be changing concurrently with
2458          * metaslab_sync() is the metaslab's ms_allocatable.  No other
2459          * thread can be modifying this txg's alloc, freeing,
2460          * freed, or space_map_phys_t.  We drop ms_lock whenever we
2461          * could call into the DMU, because the DMU can call down to us
2462          * (e.g. via zio_free()) at any time.
2463          *
2464          * The spa_vdev_remove_thread() can be reading metaslab state
2465          * concurrently, and it is locked out by the ms_sync_lock.  Note
2466          * that the ms_lock is insufficient for this, because it is dropped
2467          * by space_map_write().
2468          */
2469         tx = dmu_tx_create_assigned(spa_get_dsl(spa), txg);
2470
2471         if (msp->ms_sm == NULL) {
2472                 uint64_t new_object;
2473
2474                 new_object = space_map_alloc(mos, zfs_metaslab_sm_blksz, tx);
2475                 VERIFY3U(new_object, !=, 0);
2476
2477                 VERIFY0(space_map_open(&msp->ms_sm, mos, new_object,
2478                     msp->ms_start, msp->ms_size, vd->vdev_ashift));
2479                 ASSERT(msp->ms_sm != NULL);
2480         }
2481
2482         if (!range_tree_is_empty(msp->ms_checkpointing) &&
2483             vd->vdev_checkpoint_sm == NULL) {
2484                 ASSERT(spa_has_checkpoint(spa));
2485
2486                 uint64_t new_object = space_map_alloc(mos,
2487                     vdev_standard_sm_blksz, tx);
2488                 VERIFY3U(new_object, !=, 0);
2489
2490                 VERIFY0(space_map_open(&vd->vdev_checkpoint_sm,
2491                     mos, new_object, 0, vd->vdev_asize, vd->vdev_ashift));
2492                 ASSERT3P(vd->vdev_checkpoint_sm, !=, NULL);
2493
2494                 /*
2495                  * We save the space map object as an entry in vdev_top_zap
2496                  * so it can be retrieved when the pool is reopened after an
2497                  * export or through zdb.
2498                  */
2499                 VERIFY0(zap_add(vd->vdev_spa->spa_meta_objset,
2500                     vd->vdev_top_zap, VDEV_TOP_ZAP_POOL_CHECKPOINT_SM,
2501                     sizeof (new_object), 1, &new_object, tx));
2502         }
2503
2504         mutex_enter(&msp->ms_sync_lock);
2505         mutex_enter(&msp->ms_lock);
2506
2507         /*
2508          * Note: metaslab_condense() clears the space map's histogram.
2509          * Therefore we must verify and remove this histogram before
2510          * condensing.
2511          */
2512         metaslab_group_histogram_verify(mg);
2513         metaslab_class_histogram_verify(mg->mg_class);
2514         metaslab_group_histogram_remove(mg, msp);
2515
2516         if (msp->ms_loaded && metaslab_should_condense(msp)) {
2517                 metaslab_condense(msp, txg, tx);
2518         } else {
2519                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
2520                 space_map_write(msp->ms_sm, alloctree, SM_ALLOC,
2521                     SM_NO_VDEVID, tx);
2522                 space_map_write(msp->ms_sm, msp->ms_freeing, SM_FREE,
2523                     SM_NO_VDEVID, tx);
2524                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
2525         }
2526
2527         if (!range_tree_is_empty(msp->ms_checkpointing)) {
2528                 ASSERT(spa_has_checkpoint(spa));
2529                 ASSERT3P(vd->vdev_checkpoint_sm, !=, NULL);
2530
2531                 /*
2532                  * Since we are doing writes to disk and the ms_checkpointing
2533                  * tree won't be changing during that time, we drop the
2534                  * ms_lock while writing to the checkpoint space map.
2535                  */
2536                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
2537                 space_map_write(vd->vdev_checkpoint_sm,
2538                     msp->ms_checkpointing, SM_FREE, SM_NO_VDEVID, tx);
2539                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
2540                 space_map_update(vd->vdev_checkpoint_sm);
2541
2542                 spa->spa_checkpoint_info.sci_dspace +=
2543                     range_tree_space(msp->ms_checkpointing);
2544                 vd->vdev_stat.vs_checkpoint_space +=
2545                     range_tree_space(msp->ms_checkpointing);
2546                 ASSERT3U(vd->vdev_stat.vs_checkpoint_space, ==,
2547                     -vd->vdev_checkpoint_sm->sm_alloc);
2548
2549                 range_tree_vacate(msp->ms_checkpointing, NULL, NULL);
2550         }
2551
2552         if (msp->ms_loaded) {
2553                 /*
2554                  * When the space map is loaded, we have an accurate
2555                  * histogram in the range tree. This gives us an opportunity
2556                  * to bring the space map's histogram up-to-date so we clear
2557                  * it first before updating it.
2558                  */
2559                 space_map_histogram_clear(msp->ms_sm);
2560                 space_map_histogram_add(msp->ms_sm, msp->ms_allocatable, tx);
2561
2562                 /*
2563                  * Since we've cleared the histogram we need to add back
2564                  * any free space that has already been processed, plus
2565                  * any deferred space. This allows the on-disk histogram
2566                  * to accurately reflect all free space even if some space
2567                  * is not yet available for allocation (i.e. deferred).
2568                  */
2569                 space_map_histogram_add(msp->ms_sm, msp->ms_freed, tx);
2570
2571                 /*
2572                  * Add back any deferred free space that has not been
2573                  * added back into the in-core free tree yet. This will
2574                  * ensure that we don't end up with a space map histogram
2575                  * that is completely empty unless the metaslab is fully
2576                  * allocated.
2577                  */
2578                 for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
2579                         space_map_histogram_add(msp->ms_sm,
2580                             msp->ms_defer[t], tx);
2581                 }
2582         }
2583
2584         /*
2585          * Always add the free space from this sync pass to the space
2586          * map histogram. We want to make sure that the on-disk histogram
2587          * accounts for all free space. If the space map is not loaded,
2588          * then we will lose some accuracy but will correct it the next
2589          * time we load the space map.
2590          */
2591         space_map_histogram_add(msp->ms_sm, msp->ms_freeing, tx);
2592
2593         metaslab_group_histogram_add(mg, msp);
2594         metaslab_group_histogram_verify(mg);
2595         metaslab_class_histogram_verify(mg->mg_class);
2596
2597         /*
2598          * For sync pass 1, we avoid traversing this txg's free range tree
2599          * and instead will just swap the pointers for freeing and
2600          * freed. We can safely do this since the freed_tree is
2601          * guaranteed to be empty on the initial pass.
2602          */
2603         if (spa_sync_pass(spa) == 1) {
2604                 range_tree_swap(&msp->ms_freeing, &msp->ms_freed);
2605         } else {
2606                 range_tree_vacate(msp->ms_freeing,
2607                     range_tree_add, msp->ms_freed);
2608         }
2609         range_tree_vacate(alloctree, NULL, NULL);
2610
2611         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK]));
2612         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_allocating[TXG_CLEAN(txg)
2613             & TXG_MASK]));
2614         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freeing));
2615         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_checkpointing));
2616
2617         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2618
2619         if (object != space_map_object(msp->ms_sm)) {
2620                 object = space_map_object(msp->ms_sm);
2621                 dmu_write(mos, vd->vdev_ms_array, sizeof (uint64_t) *
2622                     msp->ms_id, sizeof (uint64_t), &object, tx);
2623         }
2624         mutex_exit(&msp->ms_sync_lock);
2625         dmu_tx_commit(tx);
2626 }
2627
2628 /*
2629  * Called after a transaction group has completely synced to mark
2630  * all of the metaslab's free space as usable.
2631  */
2632 void
2633 metaslab_sync_done(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
2634 {
2635         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
2636         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
2637         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
2638         range_tree_t **defer_tree;
2639         int64_t alloc_delta, defer_delta;
2640         boolean_t defer_allowed = B_TRUE;
2641
2642         ASSERT(!vd->vdev_ishole);
2643
2644         mutex_enter(&msp->ms_lock);
2645
2646         /*
2647          * If this metaslab is just becoming available, initialize its
2648          * range trees and add its capacity to the vdev.
2649          */
2650         if (msp->ms_freed == NULL) {
2651                 for (int t = 0; t < TXG_SIZE; t++) {
2652                         ASSERT(msp->ms_allocating[t] == NULL);
2653
2654                         msp->ms_allocating[t] = range_tree_create(NULL, NULL);
2655                 }
2656
2657                 ASSERT3P(msp->ms_freeing, ==, NULL);
2658                 msp->ms_freeing = range_tree_create(NULL, NULL);
2659
2660                 ASSERT3P(msp->ms_freed, ==, NULL);
2661                 msp->ms_freed = range_tree_create(NULL, NULL);
2662
2663                 for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
2664                         ASSERT(msp->ms_defer[t] == NULL);
2665
2666                         msp->ms_defer[t] = range_tree_create(NULL, NULL);
2667                 }
2668
2669                 ASSERT3P(msp->ms_checkpointing, ==, NULL);
2670                 msp->ms_checkpointing = range_tree_create(NULL, NULL);
2671
2672                 vdev_space_update(vd, 0, 0, msp->ms_size);
2673         }
2674         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freeing));
2675         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_checkpointing));
2676
2677         defer_tree = &msp->ms_defer[txg % TXG_DEFER_SIZE];
2678
2679         uint64_t free_space = metaslab_class_get_space(spa_normal_class(spa)) -
2680             metaslab_class_get_alloc(spa_normal_class(spa));
2681         if (free_space <= spa_get_slop_space(spa) || vd->vdev_removing) {
2682                 defer_allowed = B_FALSE;
2683         }
2684
2685         defer_delta = 0;
2686         alloc_delta = space_map_alloc_delta(msp->ms_sm);
2687         if (defer_allowed) {
2688                 defer_delta = range_tree_space(msp->ms_freed) -
2689                     range_tree_space(*defer_tree);
2690         } else {
2691                 defer_delta -= range_tree_space(*defer_tree);
2692         }
2693
2694         vdev_space_update(vd, alloc_delta + defer_delta, defer_delta, 0);
2695
2696         /*
2697          * If there's a metaslab_load() in progress, wait for it to complete
2698          * so that we have a consistent view of the in-core space map.
2699          */
2700         metaslab_load_wait(msp);
2701
2702         /*
2703          * Move the frees from the defer_tree back to the free
2704          * range tree (if it's loaded). Swap the freed_tree and
2705          * the defer_tree -- this is safe to do because we've
2706          * just emptied out the defer_tree.
2707          */
2708         range_tree_vacate(*defer_tree,
2709             msp->ms_loaded ? range_tree_add : NULL, msp->ms_allocatable);
2710         if (defer_allowed) {
2711                 range_tree_swap(&msp->ms_freed, defer_tree);
2712         } else {
2713                 range_tree_vacate(msp->ms_freed,
2714                     msp->ms_loaded ? range_tree_add : NULL,
2715                     msp->ms_allocatable);
2716         }
2717         space_map_update(msp->ms_sm);
2718
2719         msp->ms_deferspace += defer_delta;
2720         ASSERT3S(msp->ms_deferspace, >=, 0);
2721         ASSERT3S(msp->ms_deferspace, <=, msp->ms_size);
2722         if (msp->ms_deferspace != 0) {
2723                 /*
2724                  * Keep syncing this metaslab until all deferred frees
2725                  * are back in circulation.
2726                  */
2727                 vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg + 1);
2728         }
2729
2730         if (msp->ms_new) {
2731                 msp->ms_new = B_FALSE;
2732                 mutex_enter(&mg->mg_lock);
2733                 mg->mg_ms_ready++;
2734                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
2735         }
2736         /*
2737          * Calculate the new weights before unloading any metaslabs.
2738          * This will give us the most accurate weighting.
2739          */
2740         metaslab_group_sort(mg, msp, metaslab_weight(msp) |
2741             (msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK));
2742
2743         /*
2744          * If the metaslab is loaded and we've not tried to load or allocate
2745          * from it in 'metaslab_unload_delay' txgs, then unload it.
2746          */
2747         if (msp->ms_loaded &&
2748             msp->ms_initializing == 0 &&
2749             msp->ms_selected_txg + metaslab_unload_delay < txg) {
2750                 for (int t = 1; t < TXG_CONCURRENT_STATES; t++) {
2751                         VERIFY0(range_tree_space(
2752                             msp->ms_allocating[(txg + t) & TXG_MASK]));
2753                 }
2754                 if (msp->ms_allocator != -1) {
2755                         metaslab_passivate(msp, msp->ms_weight &
2756                             ~METASLAB_ACTIVE_MASK);
2757                 }
2758
2759                 if (!metaslab_debug_unload)
2760                         metaslab_unload(msp);
2761         }
2762
2763         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK]));
2764         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freeing));
2765         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freed));
2766         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_checkpointing));
2767
2768         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2769 }
2770
2771 void
2772 metaslab_sync_reassess(metaslab_group_t *mg)
2773 {
2774         spa_t *spa = mg->mg_class->mc_spa;
2775
2776         spa_config_enter(spa, SCL_ALLOC, FTAG, RW_READER);
2777         metaslab_group_alloc_update(mg);
2778         mg->mg_fragmentation = metaslab_group_fragmentation(mg);
2779
2780         /*
2781          * Preload the next potential metaslabs but only on active
2782          * metaslab groups. We can get into a state where the metaslab
2783          * is no longer active since we dirty metaslabs as we remove a
2784          * a device, thus potentially making the metaslab group eligible
2785          * for preloading.
2786          */
2787         if (mg->mg_activation_count > 0) {
2788                 metaslab_group_preload(mg);
2789         }
2790         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
2791 }
2792
2793 static uint64_t
2794 metaslab_distance(metaslab_t *msp, dva_t *dva)
2795 {
2796         uint64_t ms_shift = msp->ms_group->mg_vd->vdev_ms_shift;
2797         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva) >> ms_shift;
2798         uint64_t start = msp->ms_id;
2799
2800         if (msp->ms_group->mg_vd->vdev_id != DVA_GET_VDEV(dva))
2801                 return (1ULL << 63);
2802
2803         if (offset < start)
2804                 return ((start - offset) << ms_shift);
2805         if (offset > start)
2806                 return ((offset - start) << ms_shift);
2807         return (0);
2808 }
2809
2810 /*
2811  * ==========================================================================
2812  * Metaslab allocation tracing facility
2813  * ==========================================================================
2814  */
2815 #ifdef _METASLAB_TRACING
2816 kstat_t *metaslab_trace_ksp;
2817 kstat_named_t metaslab_trace_over_limit;
2818
2819 void
2820 metaslab_alloc_trace_init(void)
2821 {
2822         ASSERT(metaslab_alloc_trace_cache == NULL);
2823         metaslab_alloc_trace_cache = kmem_cache_create(
2824             "metaslab_alloc_trace_cache", sizeof (metaslab_alloc_trace_t),
2825             0, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, 0);
2826         metaslab_trace_ksp = kstat_create("zfs", 0, "metaslab_trace_stats",
2827             "misc", KSTAT_TYPE_NAMED, 1, KSTAT_FLAG_VIRTUAL);
2828         if (metaslab_trace_ksp != NULL) {
2829                 metaslab_trace_ksp->ks_data = &metaslab_trace_over_limit;
2830                 kstat_named_init(&metaslab_trace_over_limit,
2831                     "metaslab_trace_over_limit", KSTAT_DATA_UINT64);
2832                 kstat_install(metaslab_trace_ksp);
2833         }
2834 }
2835
2836 void
2837 metaslab_alloc_trace_fini(void)
2838 {
2839         if (metaslab_trace_ksp != NULL) {
2840                 kstat_delete(metaslab_trace_ksp);
2841                 metaslab_trace_ksp = NULL;
2842         }
2843         kmem_cache_destroy(metaslab_alloc_trace_cache);
2844         metaslab_alloc_trace_cache = NULL;
2845 }
2846
2847 /*
2848  * Add an allocation trace element to the allocation tracing list.
2849  */
2850 static void
2851 metaslab_trace_add(zio_alloc_list_t *zal, metaslab_group_t *mg,
2852     metaslab_t *msp, uint64_t psize, uint32_t dva_id, uint64_t offset,
2853     int allocator)
2854 {
2855         if (!metaslab_trace_enabled)
2856                 return;
2857
2858         /*
2859          * When the tracing list reaches its maximum we remove
2860          * the second element in the list before adding a new one.
2861          * By removing the second element we preserve the original
2862          * entry as a clue to what allocations steps have already been
2863          * performed.
2864          */
2865         if (zal->zal_size == metaslab_trace_max_entries) {
2866                 metaslab_alloc_trace_t *mat_next;
2867 #ifdef DEBUG
2868                 panic("too many entries in allocation list");
2869 #endif
2870                 atomic_inc_64(&metaslab_trace_over_limit.value.ui64);
2871                 zal->zal_size--;
2872                 mat_next = list_next(&zal->zal_list, list_head(&zal->zal_list));
2873                 list_remove(&zal->zal_list, mat_next);
2874                 kmem_cache_free(metaslab_alloc_trace_cache, mat_next);
2875         }
2876
2877         metaslab_alloc_trace_t *mat =
2878             kmem_cache_alloc(metaslab_alloc_trace_cache, KM_SLEEP);
2879         list_link_init(&mat->mat_list_node);
2880         mat->mat_mg = mg;
2881         mat->mat_msp = msp;
2882         mat->mat_size = psize;
2883         mat->mat_dva_id = dva_id;
2884         mat->mat_offset = offset;
2885         mat->mat_weight = 0;
2886         mat->mat_allocator = allocator;
2887
2888         if (msp != NULL)
2889                 mat->mat_weight = msp->ms_weight;
2890
2891         /*
2892          * The list is part of the zio so locking is not required. Only
2893          * a single thread will perform allocations for a given zio.
2894          */
2895         list_insert_tail(&zal->zal_list, mat);
2896         zal->zal_size++;
2897
2898         ASSERT3U(zal->zal_size, <=, metaslab_trace_max_entries);
2899 }
2900
2901 void
2902 metaslab_trace_init(zio_alloc_list_t *zal)
2903 {
2904         list_create(&zal->zal_list, sizeof (metaslab_alloc_trace_t),
2905             offsetof(metaslab_alloc_trace_t, mat_list_node));
2906         zal->zal_size = 0;
2907 }
2908
2909 void
2910 metaslab_trace_fini(zio_alloc_list_t *zal)
2911 {
2912         metaslab_alloc_trace_t *mat;
2913
2914         while ((mat = list_remove_head(&zal->zal_list)) != NULL)
2915                 kmem_cache_free(metaslab_alloc_trace_cache, mat);
2916         list_destroy(&zal->zal_list);
2917         zal->zal_size = 0;
2918 }
2919
2920 #else
2921
2922 #define metaslab_trace_add(zal, mg, msp, psize, id, off, alloc)
2923
2924 void
2925 metaslab_alloc_trace_init(void)
2926 {
2927 }
2928
2929 void
2930 metaslab_alloc_trace_fini(void)
2931 {
2932 }
2933
2934 void
2935 metaslab_trace_init(zio_alloc_list_t *zal)
2936 {
2937 }
2938
2939 void
2940 metaslab_trace_fini(zio_alloc_list_t *zal)
2941 {
2942 }
2943
2944 #endif /* _METASLAB_TRACING */
2945
2946 /*
2947  * ==========================================================================
2948  * Metaslab block operations
2949  * ==========================================================================
2950  */
2951
2952 static void
2953 metaslab_group_alloc_increment(spa_t *spa, uint64_t vdev, void *tag, int flags,
2954     int allocator)
2955 {
2956         if (!(flags & METASLAB_ASYNC_ALLOC) ||
2957             (flags & METASLAB_DONT_THROTTLE))
2958                 return;
2959
2960         metaslab_group_t *mg = vdev_lookup_top(spa, vdev)->vdev_mg;
2961         if (!mg->mg_class->mc_alloc_throttle_enabled)
2962                 return;
2963
2964         (void) zfs_refcount_add(&mg->mg_alloc_queue_depth[allocator], tag);
2965 }
2966
2967 static void
2968 metaslab_group_increment_qdepth(metaslab_group_t *mg, int allocator)
2969 {
2970         uint64_t max = mg->mg_max_alloc_queue_depth;
2971         uint64_t cur = mg->mg_cur_max_alloc_queue_depth[allocator];
2972         while (cur < max) {
2973                 if (atomic_cas_64(&mg->mg_cur_max_alloc_queue_depth[allocator],
2974                     cur, cur + 1) == cur) {
2975                         atomic_inc_64(
2976                             &mg->mg_class->mc_alloc_max_slots[allocator]);
2977                         return;
2978                 }
2979                 cur = mg->mg_cur_max_alloc_queue_depth[allocator];
2980         }
2981 }
2982
2983 void
2984 metaslab_group_alloc_decrement(spa_t *spa, uint64_t vdev, void *tag, int flags,
2985     int allocator, boolean_t io_complete)
2986 {
2987         if (!(flags & METASLAB_ASYNC_ALLOC) ||
2988             (flags & METASLAB_DONT_THROTTLE))
2989                 return;
2990
2991         metaslab_group_t *mg = vdev_lookup_top(spa, vdev)->vdev_mg;
2992         if (!mg->mg_class->mc_alloc_throttle_enabled)
2993                 return;
2994
2995         (void) zfs_refcount_remove(&mg->mg_alloc_queue_depth[allocator], tag);
2996         if (io_complete)
2997                 metaslab_group_increment_qdepth(mg, allocator);
2998 }
2999
3000 void
3001 metaslab_group_alloc_verify(spa_t *spa, const blkptr_t *bp, void *tag,
3002     int allocator)
3003 {
3004 #ifdef ZFS_DEBUG
3005         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
3006         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
3007
3008         for (int d = 0; d < ndvas; d++) {
3009                 uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(&dva[d]);
3010                 metaslab_group_t *mg = vdev_lookup_top(spa, vdev)->vdev_mg;
3011                 VERIFY(zfs_refcount_not_held(
3012                     &mg->mg_alloc_queue_depth[allocator], tag));
3013         }
3014 #endif
3015 }
3016
3017 static uint64_t
3018 metaslab_block_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size, uint64_t txg)
3019 {
3020         uint64_t start;
3021         range_tree_t *rt = msp->ms_allocatable;
3022         metaslab_class_t *mc = msp->ms_group->mg_class;
3023
3024         VERIFY(!msp->ms_condensing);
3025         VERIFY0(msp->ms_initializing);
3026
3027         start = mc->mc_ops->msop_alloc(msp, size);
3028         if (start != -1ULL) {
3029                 metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
3030                 vdev_t *vd = mg->mg_vd;
3031
3032                 VERIFY0(P2PHASE(start, 1ULL << vd->vdev_ashift));
3033                 VERIFY0(P2PHASE(size, 1ULL << vd->vdev_ashift));
3034                 VERIFY3U(range_tree_space(rt) - size, <=, msp->ms_size);
3035                 range_tree_remove(rt, start, size);
3036
3037                 if (range_tree_is_empty(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK]))
3038                         vdev_dirty(mg->mg_vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
3039
3040                 range_tree_add(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK], start, size);
3041
3042                 /* Track the last successful allocation */
3043                 msp->ms_alloc_txg = txg;
3044                 metaslab_verify_space(msp, txg);
3045         }
3046
3047         /*
3048          * Now that we've attempted the allocation we need to update the
3049          * metaslab's maximum block size since it may have changed.
3050          */
3051         msp->ms_max_size = metaslab_block_maxsize(msp);
3052         return (start);
3053 }
3054
3055 /*
3056  * Find the metaslab with the highest weight that is less than what we've
3057  * already tried.  In the common case, this means that we will examine each
3058  * metaslab at most once. Note that concurrent callers could reorder metaslabs
3059  * by activation/passivation once we have dropped the mg_lock. If a metaslab is
3060  * activated by another thread, and we fail to allocate from the metaslab we
3061  * have selected, we may not try the newly-activated metaslab, and instead
3062  * activate another metaslab.  This is not optimal, but generally does not cause
3063  * any problems (a possible exception being if every metaslab is completely full
3064  * except for the the newly-activated metaslab which we fail to examine).
3065  */
3066 static metaslab_t *
3067 find_valid_metaslab(metaslab_group_t *mg, uint64_t activation_weight,
3068     dva_t *dva, int d, uint64_t min_distance, uint64_t asize, int allocator,
3069     zio_alloc_list_t *zal, metaslab_t *search, boolean_t *was_active)
3070 {
3071         avl_index_t idx;
3072         avl_tree_t *t = &mg->mg_metaslab_tree;
3073         metaslab_t *msp = avl_find(t, search, &idx);
3074         if (msp == NULL)
3075                 msp = avl_nearest(t, idx, AVL_AFTER);
3076
3077         for (; msp != NULL; msp = AVL_NEXT(t, msp)) {
3078                 int i;
3079                 if (!metaslab_should_allocate(msp, asize)) {
3080                         metaslab_trace_add(zal, mg, msp, asize, d,
3081                             TRACE_TOO_SMALL, allocator);
3082                         continue;
3083                 }
3084
3085                 /*
3086                  * If the selected metaslab is condensing or being
3087                  * initialized, skip it.
3088                  */
3089                 if (msp->ms_condensing || msp->ms_initializing > 0)
3090                         continue;
3091
3092                 *was_active = msp->ms_allocator != -1;
3093                 /*
3094                  * If we're activating as primary, this is our first allocation
3095                  * from this disk, so we don't need to check how close we are.
3096                  * If the metaslab under consideration was already active,
3097                  * we're getting desperate enough to steal another allocator's
3098                  * metaslab, so we still don't care about distances.
3099                  */
3100                 if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY || *was_active)
3101                         break;
3102
3103                 uint64_t target_distance = min_distance
3104                     + (space_map_allocated(msp->ms_sm) != 0 ? 0 :
3105                     min_distance >> 1);
3106
3107                 for (i = 0; i < d; i++) {
3108                         if (metaslab_distance(msp, &dva[i]) < target_distance)
3109                                 break;
3110                 }
3111                 if (i == d)
3112                         break;
3113         }
3114
3115         if (msp != NULL) {
3116                 search->ms_weight = msp->ms_weight;
3117                 search->ms_start = msp->ms_start + 1;
3118                 search->ms_allocator = msp->ms_allocator;
3119                 search->ms_primary = msp->ms_primary;
3120         }
3121         return (msp);
3122 }
3123
3124 /* ARGSUSED */
3125 static uint64_t
3126 metaslab_group_alloc_normal(metaslab_group_t *mg, zio_alloc_list_t *zal,
3127     uint64_t asize, uint64_t txg, uint64_t min_distance, dva_t *dva, int d,
3128     int allocator)
3129 {
3130         metaslab_t *msp = NULL;
3131         uint64_t offset = -1ULL;
3132         uint64_t activation_weight;
3133
3134         activation_weight = METASLAB_WEIGHT_PRIMARY;
3135         for (int i = 0; i < d; i++) {
3136                 if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY &&
3137                     DVA_GET_VDEV(&dva[i]) == mg->mg_vd->vdev_id) {
3138                         activation_weight = METASLAB_WEIGHT_SECONDARY;
3139                 } else if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_SECONDARY &&
3140                     DVA_GET_VDEV(&dva[i]) == mg->mg_vd->vdev_id) {
3141                         activation_weight = METASLAB_WEIGHT_CLAIM;
3142                         break;
3143                 }
3144         }
3145
3146         /*
3147          * If we don't have enough metaslabs active to fill the entire array, we
3148          * just use the 0th slot.
3149          */
3150         if (mg->mg_ms_ready < mg->mg_allocators * 3)
3151                 allocator = 0;
3152
3153         ASSERT3U(mg->mg_vd->vdev_ms_count, >=, 2);
3154
3155         metaslab_t *search = kmem_alloc(sizeof (*search), KM_SLEEP);
3156         search->ms_weight = UINT64_MAX;
3157         search->ms_start = 0;
3158         /*
3159          * At the end of the metaslab tree are the already-active metaslabs,
3160          * first the primaries, then the secondaries. When we resume searching
3161          * through the tree, we need to consider ms_allocator and ms_primary so
3162          * we start in the location right after where we left off, and don't
3163          * accidentally loop forever considering the same metaslabs.
3164          */
3165         search->ms_allocator = -1;
3166         search->ms_primary = B_TRUE;
3167         for (;;) {
3168                 boolean_t was_active = B_FALSE;
3169
3170                 mutex_enter(&mg->mg_lock);
3171
3172                 if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY &&
3173                     mg->mg_primaries[allocator] != NULL) {
3174                         msp = mg->mg_primaries[allocator];
3175                         was_active = B_TRUE;
3176                 } else if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_SECONDARY &&
3177                     mg->mg_secondaries[allocator] != NULL) {
3178                         msp = mg->mg_secondaries[allocator];
3179                         was_active = B_TRUE;
3180                 } else {
3181                         msp = find_valid_metaslab(mg, activation_weight, dva, d,
3182                             min_distance, asize, allocator, zal, search,
3183                             &was_active);
3184                 }
3185
3186                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
3187                 if (msp == NULL) {
3188                         kmem_free(search, sizeof (*search));
3189                         return (-1ULL);
3190                 }
3191
3192                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
3193                 /*
3194                  * Ensure that the metaslab we have selected is still
3195                  * capable of handling our request. It's possible that
3196                  * another thread may have changed the weight while we
3197                  * were blocked on the metaslab lock. We check the
3198                  * active status first to see if we need to reselect
3199                  * a new metaslab.
3200                  */
3201                 if (was_active && !(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK)) {
3202                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
3203                         continue;
3204                 }
3205
3206                 /*
3207                  * If the metaslab is freshly activated for an allocator that
3208                  * isn't the one we're allocating from, or if it's a primary and
3209                  * we're seeking a secondary (or vice versa), we go back and
3210                  * select a new metaslab.
3211                  */
3212                 if (!was_active && (msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) &&
3213                     (msp->ms_allocator != -1) &&
3214                     (msp->ms_allocator != allocator || ((activation_weight ==
3215                     METASLAB_WEIGHT_PRIMARY) != msp->ms_primary))) {
3216                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
3217                         continue;
3218                 }
3219
3220                 if (msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_CLAIM &&
3221                     activation_weight != METASLAB_WEIGHT_CLAIM) {
3222                         metaslab_passivate(msp, msp->ms_weight &
3223                             ~METASLAB_WEIGHT_CLAIM);
3224                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
3225                         continue;
3226                 }
3227
3228                 if (metaslab_activate(msp, allocator, activation_weight) != 0) {
3229                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
3230                         continue;
3231                 }
3232
3233                 msp->ms_selected_txg = txg;
3234
3235                 /*
3236                  * Now that we have the lock, recheck to see if we should
3237                  * continue to use this metaslab for this allocation. The
3238                  * the metaslab is now loaded so metaslab_should_allocate() can
3239                  * accurately determine if the allocation attempt should
3240                  * proceed.
3241                  */
3242                 if (!metaslab_should_allocate(msp, asize)) {
3243                         /* Passivate this metaslab and select a new one. */
3244                         metaslab_trace_add(zal, mg, msp, asize, d,
3245                             TRACE_TOO_SMALL, allocator);
3246                         goto next;
3247                 }
3248
3249                 /*
3250                  * If this metaslab is currently condensing then pick again as
3251                  * we can't manipulate this metaslab until it's committed
3252                  * to disk. If this metaslab is being initialized, we shouldn't
3253                  * allocate from it since the allocated region might be
3254                  * overwritten after allocation.
3255                  */
3256                 if (msp->ms_condensing) {
3257                         metaslab_trace_add(zal, mg, msp, asize, d,
3258                             TRACE_CONDENSING, allocator);
3259                         metaslab_passivate(msp, msp->ms_weight &
3260                             ~METASLAB_ACTIVE_MASK);
3261                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
3262                         continue;
3263                 } else if (msp->ms_initializing > 0) {
3264                         metaslab_trace_add(zal, mg, msp, asize, d,
3265                             TRACE_INITIALIZING, allocator);
3266                         metaslab_passivate(msp, msp->ms_weight &
3267                             ~METASLAB_ACTIVE_MASK);
3268                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
3269                         continue;
3270                 }
3271
3272                 offset = metaslab_block_alloc(msp, asize, txg);
3273                 metaslab_trace_add(zal, mg, msp, asize, d, offset, allocator);
3274
3275                 if (offset != -1ULL) {
3276                         /* Proactively passivate the metaslab, if needed */
3277                         metaslab_segment_may_passivate(msp);
3278                         break;
3279                 }
3280 next:
3281                 ASSERT(msp->ms_loaded);
3282
3283                 /*
3284                  * We were unable to allocate from this metaslab so determine
3285                  * a new weight for this metaslab. Now that we have loaded
3286                  * the metaslab we can provide a better hint to the metaslab
3287                  * selector.
3288                  *
3289                  * For space-based metaslabs, we use the maximum block size.
3290                  * This information is only available when the metaslab
3291                  * is loaded and is more accurate than the generic free
3292                  * space weight that was calculated by metaslab_weight().
3293                  * This information allows us to quickly compare the maximum
3294                  * available allocation in the metaslab to the allocation
3295                  * size being requested.
3296                  *
3297                  * For segment-based metaslabs, determine the new weight
3298                  * based on the highest bucket in the range tree. We
3299                  * explicitly use the loaded segment weight (i.e. the range
3300                  * tree histogram) since it contains the space that is
3301                  * currently available for allocation and is accurate
3302                  * even within a sync pass.
3303                  */
3304                 if (WEIGHT_IS_SPACEBASED(msp->ms_weight)) {
3305                         uint64_t weight = metaslab_block_maxsize(msp);
3306                         WEIGHT_SET_SPACEBASED(weight);
3307                         metaslab_passivate(msp, weight);
3308                 } else {
3309                         metaslab_passivate(msp,
3310                             metaslab_weight_from_range_tree(msp));
3311                 }
3312
3313                 /*
3314                  * We have just failed an allocation attempt, check
3315                  * that metaslab_should_allocate() agrees. Otherwise,
3316                  * we may end up in an infinite loop retrying the same
3317                  * metaslab.
3318                  */
3319                 ASSERT(!metaslab_should_allocate(msp, asize));
3320                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
3321         }
3322         mutex_exit(&msp->ms_lock);
3323         kmem_free(search, sizeof (*search));
3324         return (offset);
3325 }
3326
3327 static uint64_t
3328 metaslab_group_alloc(metaslab_group_t *mg, zio_alloc_list_t *zal,
3329     uint64_t asize, uint64_t txg, uint64_t min_distance, dva_t *dva, int d,
3330     int allocator)
3331 {
3332         uint64_t offset;
3333         ASSERT(mg->mg_initialized);
3334
3335         offset = metaslab_group_alloc_normal(mg, zal, asize, txg,
3336             min_distance, dva, d, allocator);
3337
3338         mutex_enter(&mg->mg_lock);
3339         if (offset == -1ULL) {
3340                 mg->mg_failed_allocations++;
3341                 metaslab_trace_add(zal, mg, NULL, asize, d,
3342                     TRACE_GROUP_FAILURE, allocator);
3343                 if (asize == SPA_GANGBLOCKSIZE) {
3344                         /*
3345                          * This metaslab group was unable to allocate
3346                          * the minimum gang block size so it must be out of
3347                          * space. We must notify the allocation throttle
3348                          * to start skipping allocation attempts to this
3349                          * metaslab group until more space becomes available.
3350                          * Note: this failure cannot be caused by the
3351                          * allocation throttle since the allocation throttle
3352                          * is only responsible for skipping devices and
3353                          * not failing block allocations.
3354                          */
3355                         mg->mg_no_free_space = B_TRUE;
3356                 }
3357         }
3358         mg->mg_allocations++;
3359         mutex_exit(&mg->mg_lock);
3360         return (offset);
3361 }
3362
3363 /*
3364  * If we have to write a ditto block (i.e. more than one DVA for a given BP)
3365  * on the same vdev as an existing DVA of this BP, then try to allocate it
3366  * at least (vdev_asize / (2 ^ ditto_same_vdev_distance_shift)) away from the
3367  * existing DVAs.
3368  */
3369 int ditto_same_vdev_distance_shift = 3;
3370
3371 /*
3372  * Allocate a block for the specified i/o.
3373  */
3374 int
3375 metaslab_alloc_dva(spa_t *spa, metaslab_class_t *mc, uint64_t psize,
3376     dva_t *dva, int d, dva_t *hintdva, uint64_t txg, int flags,
3377     zio_alloc_list_t *zal, int allocator)
3378 {
3379         metaslab_group_t *mg, *rotor;
3380         vdev_t *vd;
3381         boolean_t try_hard = B_FALSE;
3382
3383         ASSERT(!DVA_IS_VALID(&dva[d]));
3384
3385         /*
3386          * For testing, make some blocks above a certain size be gang blocks.
3387          */
3388         if (psize >= metaslab_force_ganging && (ddi_get_lbolt() & 3) == 0) {
3389                 metaslab_trace_add(zal, NULL, NULL, psize, d, TRACE_FORCE_GANG,
3390                     allocator);
3391                 return (SET_ERROR(ENOSPC));
3392         }
3393
3394         /*
3395          * Start at the rotor and loop through all mgs until we find something.
3396          * Note that there's no locking on mc_rotor or mc_aliquot because
3397          * nothing actually breaks if we miss a few updates -- we just won't
3398          * allocate quite as evenly.  It all balances out over time.
3399          *
3400          * If we are doing ditto or log blocks, try to spread them across
3401          * consecutive vdevs.  If we're forced to reuse a vdev before we've
3402          * allocated all of our ditto blocks, then try and spread them out on
3403          * that vdev as much as possible.  If it turns out to not be possible,
3404          * gradually lower our standards until anything becomes acceptable.
3405          * Also, allocating on consecutive vdevs (as opposed to random vdevs)
3406          * gives us hope of containing our fault domains to something we're
3407          * able to reason about.  Otherwise, any two top-level vdev failures
3408          * will guarantee the loss of data.  With consecutive allocation,
3409          * only two adjacent top-level vdev failures will result in data loss.
3410          *
3411          * If we are doing gang blocks (hintdva is non-NULL), try to keep
3412          * ourselves on the same vdev as our gang block header.  That
3413          * way, we can hope for locality in vdev_cache, plus it makes our
3414          * fault domains something tractable.
3415          */
3416         if (hintdva) {
3417                 vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&hintdva[d]));
3418
3419                 /*
3420                  * It's possible the vdev we're using as the hint no
3421                  * longer exists or its mg has been closed (e.g. by
3422                  * device removal).  Consult the rotor when
3423                  * all else fails.
3424                  */
3425                 if (vd != NULL && vd->vdev_mg != NULL) {
3426                         mg = vd->vdev_mg;
3427
3428                         if (flags & METASLAB_HINTBP_AVOID &&
3429                             mg->mg_next != NULL)
3430                                 mg = mg->mg_next;
3431                 } else {
3432                         mg = mc->mc_rotor;
3433                 }
3434         } else if (d != 0) {
3435                 vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&dva[d - 1]));
3436                 mg = vd->vdev_mg->mg_next;
3437         } else {
3438                 mg = mc->mc_rotor;
3439         }
3440
3441         /*
3442          * If the hint put us into the wrong metaslab class, or into a
3443          * metaslab group that has been passivated, just follow the rotor.
3444          */
3445         if (mg->mg_class != mc || mg->mg_activation_count <= 0)
3446                 mg = mc->mc_rotor;
3447
3448         rotor = mg;
3449 top:
3450         do {
3451                 boolean_t allocatable;
3452
3453                 ASSERT(mg->mg_activation_count == 1);
3454                 vd = mg->mg_vd;
3455
3456                 /*
3457                  * Don't allocate from faulted devices.
3458                  */
3459                 if (try_hard) {
3460                         spa_config_enter(spa, SCL_ZIO, FTAG, RW_READER);
3461                         allocatable = vdev_allocatable(vd);
3462                         spa_config_exit(spa, SCL_ZIO, FTAG);
3463                 } else {
3464                         allocatable = vdev_allocatable(vd);
3465                 }
3466
3467                 /*
3468                  * Determine if the selected metaslab group is eligible
3469                  * for allocations. If we're ganging then don't allow
3470                  * this metaslab group to skip allocations since that would
3471                  * inadvertently return ENOSPC and suspend the pool
3472                  * even though space is still available.
3473                  */
3474                 if (allocatable && !GANG_ALLOCATION(flags) && !try_hard) {
3475                         allocatable = metaslab_group_allocatable(mg, rotor,
3476                             psize, allocator, d);
3477                 }
3478
3479                 if (!allocatable) {
3480                         metaslab_trace_add(zal, mg, NULL, psize, d,
3481                             TRACE_NOT_ALLOCATABLE, allocator);
3482                         goto next;
3483                 }
3484
3485                 ASSERT(mg->mg_initialized);
3486
3487                 /*
3488                  * Avoid writing single-copy data to a failing,
3489                  * non-redundant vdev, unless we've already tried all
3490                  * other vdevs.
3491                  */
3492                 if ((vd->vdev_stat.vs_write_errors > 0 ||
3493                     vd->vdev_state < VDEV_STATE_HEALTHY) &&
3494                     d == 0 && !try_hard && vd->vdev_children == 0) {
3495                         metaslab_trace_add(zal, mg, NULL, psize, d,
3496                             TRACE_VDEV_ERROR, allocator);
3497                         goto next;
3498                 }
3499
3500                 ASSERT(mg->mg_class == mc);
3501
3502                 /*
3503                  * If we don't need to try hard, then require that the
3504                  * block be 1/8th of the device away from any other DVAs
3505                  * in this BP.  If we are trying hard, allow any offset
3506                  * to be used (distance=0).
3507                  */
3508                 uint64_t distance = 0;
3509                 if (!try_hard) {
3510                         distance = vd->vdev_asize >>
3511                             ditto_same_vdev_distance_shift;
3512                         if (distance <= (1ULL << vd->vdev_ms_shift))
3513                                 distance = 0;
3514                 }
3515
3516                 uint64_t asize = vdev_psize_to_asize(vd, psize);
3517                 ASSERT(P2PHASE(asize, 1ULL << vd->vdev_ashift) == 0);
3518
3519                 uint64_t offset = metaslab_group_alloc(mg, zal, asize, txg,
3520                     distance, dva, d, allocator);
3521
3522                 if (offset != -1ULL) {
3523                         /*
3524                          * If we've just selected this metaslab group,
3525                          * figure out whether the corresponding vdev is
3526                          * over- or under-used relative to the pool,
3527                          * and set an allocation bias to even it out.
3528                          */
3529                         if (mc->mc_aliquot == 0 && metaslab_bias_enabled) {
3530                                 vdev_stat_t *vs = &vd->vdev_stat;
3531                                 int64_t vu, cu;
3532
3533                                 vu = (vs->vs_alloc * 100) / (vs->vs_space + 1);
3534                                 cu = (mc->mc_alloc * 100) / (mc->mc_space + 1);
3535
3536                                 /*
3537                                  * Calculate how much more or less we should
3538                                  * try to allocate from this device during
3539                                  * this iteration around the rotor.
3540                                  * For example, if a device is 80% full
3541                                  * and the pool is 20% full then we should
3542                                  * reduce allocations by 60% on this device.
3543                                  *
3544                                  * mg_bias = (20 - 80) * 512K / 100 = -307K
3545                                  *
3546                                  * This reduces allocations by 307K for this
3547                                  * iteration.
3548                                  */
3549                                 mg->mg_bias = ((cu - vu) *
3550                                     (int64_t)mg->mg_aliquot) / 100;
3551                         } else if (!metaslab_bias_enabled) {
3552                                 mg->mg_bias = 0;
3553                         }
3554
3555                         if (atomic_add_64_nv(&mc->mc_aliquot, asize) >=
3556                             mg->mg_aliquot + mg->mg_bias) {
3557                                 mc->mc_rotor = mg->mg_next;
3558                                 mc->mc_aliquot = 0;
3559                         }
3560
3561                         DVA_SET_VDEV(&dva[d], vd->vdev_id);
3562                         DVA_SET_OFFSET(&dva[d], offset);
3563                         DVA_SET_GANG(&dva[d], !!(flags & METASLAB_GANG_HEADER));
3564                         DVA_SET_ASIZE(&dva[d], asize);
3565
3566                         return (0);
3567                 }
3568 next:
3569                 mc->mc_rotor = mg->mg_next;
3570                 mc->mc_aliquot = 0;
3571         } while ((mg = mg->mg_next) != rotor);
3572
3573         /*
3574          * If we haven't tried hard, do so now.
3575          */
3576         if (!try_hard) {
3577                 try_hard = B_TRUE;
3578                 goto top;
3579         }
3580
3581         bzero(&dva[d], sizeof (dva_t));
3582
3583         metaslab_trace_add(zal, rotor, NULL, psize, d, TRACE_ENOSPC, allocator);
3584         return (SET_ERROR(ENOSPC));
3585 }
3586
3587 void
3588 metaslab_free_concrete(vdev_t *vd, uint64_t offset, uint64_t asize,
3589     boolean_t checkpoint)
3590 {
3591         metaslab_t *msp;
3592         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
3593
3594         ASSERT(vdev_is_concrete(vd));
3595         ASSERT3U(spa_config_held(spa, SCL_ALL, RW_READER), !=, 0);
3596         ASSERT3U(offset >> vd->vdev_ms_shift, <, vd->vdev_ms_count);
3597
3598         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
3599
3600         VERIFY(!msp->ms_condensing);
3601         VERIFY3U(offset, >=, msp->ms_start);
3602         VERIFY3U(offset + asize, <=, msp->ms_start + msp->ms_size);
3603         VERIFY0(P2PHASE(offset, 1ULL << vd->vdev_ashift));
3604         VERIFY0(P2PHASE(asize, 1ULL << vd->vdev_ashift));
3605
3606         metaslab_check_free_impl(vd, offset, asize);
3607
3608         mutex_enter(&msp->ms_lock);
3609         if (range_tree_is_empty(msp->ms_freeing) &&
3610             range_tree_is_empty(msp->ms_checkpointing)) {
3611                 vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, spa_syncing_txg(spa));
3612         }
3613
3614         if (checkpoint) {
3615                 ASSERT(spa_has_checkpoint(spa));
3616                 range_tree_add(msp->ms_checkpointing, offset, asize);
3617         } else {
3618                 range_tree_add(msp->ms_freeing, offset, asize);
3619         }
3620         mutex_exit(&msp->ms_lock);
3621 }
3622
3623 /* ARGSUSED */
3624 void
3625 metaslab_free_impl_cb(uint64_t inner_offset, vdev_t *vd, uint64_t offset,
3626     uint64_t size, void *arg)
3627 {
3628         boolean_t *checkpoint = arg;
3629
3630         ASSERT3P(checkpoint, !=, NULL);
3631
3632         if (vd->vdev_ops->vdev_op_remap != NULL)
3633                 vdev_indirect_mark_obsolete(vd, offset, size);
3634         else
3635                 metaslab_free_impl(vd, offset, size, *checkpoint);
3636 }
3637
3638 static void
3639 metaslab_free_impl(vdev_t *vd, uint64_t offset, uint64_t size,
3640     boolean_t checkpoint)
3641 {
3642         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
3643
3644         ASSERT3U(spa_config_held(spa, SCL_ALL, RW_READER), !=, 0);
3645
3646         if (spa_syncing_txg(spa) > spa_freeze_txg(spa))
3647                 return;
3648
3649         if (spa->spa_vdev_removal != NULL &&
3650             spa->spa_vdev_removal->svr_vdev_id == vd->vdev_id &&
3651             vdev_is_concrete(vd)) {
3652                 /*
3653                  * Note: we check if the vdev is concrete because when
3654                  * we complete the removal, we first change the vdev to be
3655                  * an indirect vdev (in open context), and then (in syncing
3656                  * context) clear spa_vdev_removal.
3657                  */
3658                 free_from_removing_vdev(vd, offset, size);
3659         } else if (vd->vdev_ops->vdev_op_remap != NULL) {
3660                 vdev_indirect_mark_obsolete(vd, offset, size);
3661                 vd->vdev_ops->vdev_op_remap(vd, offset, size,
3662                     metaslab_free_impl_cb, &checkpoint);
3663         } else {
3664                 metaslab_free_concrete(vd, offset, size, checkpoint);
3665         }
3666 }
3667
3668 typedef struct remap_blkptr_cb_arg {
3669         blkptr_t *rbca_bp;
3670         spa_remap_cb_t rbca_cb;
3671         vdev_t *rbca_remap_vd;
3672         uint64_t rbca_remap_offset;
3673         void *rbca_cb_arg;
3674 } remap_blkptr_cb_arg_t;
3675
3676 void
3677 remap_blkptr_cb(uint64_t inner_offset, vdev_t *vd, uint64_t offset,
3678     uint64_t size, void *arg)
3679 {
3680         remap_blkptr_cb_arg_t *rbca = arg;
3681         blkptr_t *bp = rbca->rbca_bp;
3682
3683         /* We can not remap split blocks. */
3684         if (size != DVA_GET_ASIZE(&bp->blk_dva[0]))
3685                 return;
3686         ASSERT0(inner_offset);
3687
3688         if (rbca->rbca_cb != NULL) {
3689                 /*
3690                  * At this point we know that we are not handling split
3691                  * blocks and we invoke the callback on the previous
3692                  * vdev which must be indirect.
3693                  */
3694                 ASSERT3P(rbca->rbca_remap_vd->vdev_ops, ==, &vdev_indirect_ops);
3695
3696                 rbca->rbca_cb(rbca->rbca_remap_vd->vdev_id,
3697                     rbca->rbca_remap_offset, size, rbca->rbca_cb_arg);
3698
3699                 /* set up remap_blkptr_cb_arg for the next call */
3700                 rbca->rbca_remap_vd = vd;
3701                 rbca->rbca_remap_offset = offset;
3702         }
3703
3704         /*
3705          * The phys birth time is that of dva[0].  This ensures that we know
3706          * when each dva was written, so that resilver can determine which
3707          * blocks need to be scrubbed (i.e. those written during the time
3708          * the vdev was offline).  It also ensures that the key used in
3709          * the ARC hash table is unique (i.e. dva[0] + phys_birth).  If
3710          * we didn't change the phys_birth, a lookup in the ARC for a
3711          * remapped BP could find the data that was previously stored at
3712          * this vdev + offset.
3713          */
3714         vdev_t *oldvd = vdev_lookup_top(vd->vdev_spa,
3715             DVA_GET_VDEV(&bp->blk_dva[0]));
3716         vdev_indirect_births_t *vib = oldvd->vdev_indirect_births;
3717         bp->blk_phys_birth = vdev_indirect_births_physbirth(vib,
3718             DVA_GET_OFFSET(&bp->blk_dva[0]), DVA_GET_ASIZE(&bp->blk_dva[0]));
3719
3720         DVA_SET_VDEV(&bp->blk_dva[0], vd->vdev_id);
3721         DVA_SET_OFFSET(&bp->blk_dva[0], offset);
3722 }
3723
3724 /*
3725  * If the block pointer contains any indirect DVAs, modify them to refer to
3726  * concrete DVAs.  Note that this will sometimes not be possible, leaving
3727  * the indirect DVA in place.  This happens if the indirect DVA spans multiple
3728  * segments in the mapping (i.e. it is a "split block").
3729  *
3730  * If the BP was remapped, calls the callback on the original dva (note the
3731  * callback can be called multiple times if the original indirect DVA refers
3732  * to another indirect DVA, etc).
3733  *
3734  * Returns TRUE if the BP was remapped.
3735  */
3736 boolean_t
3737 spa_remap_blkptr(spa_t *spa, blkptr_t *bp, spa_remap_cb_t callback, void *arg)
3738 {
3739         remap_blkptr_cb_arg_t rbca;
3740
3741         if (!zfs_remap_blkptr_enable)
3742                 return (B_FALSE);
3743
3744         if (!spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_OBSOLETE_COUNTS))
3745                 return (B_FALSE);
3746
3747         /*
3748          * Dedup BP's can not be remapped, because ddt_phys_select() depends
3749          * on DVA[0] being the same in the BP as in the DDT (dedup table).
3750          */
3751         if (BP_GET_DEDUP(bp))
3752                 return (B_FALSE);
3753
3754         /*
3755          * Gang blocks can not be remapped, because
3756          * zio_checksum_gang_verifier() depends on the DVA[0] that's in
3757          * the BP used to read the gang block header (GBH) being the same
3758          * as the DVA[0] that we allocated for the GBH.
3759          */
3760         if (BP_IS_GANG(bp))
3761                 return (B_FALSE);
3762
3763         /*
3764          * Embedded BP's have no DVA to remap.
3765          */
3766         if (BP_GET_NDVAS(bp) < 1)
3767                 return (B_FALSE);
3768
3769         /*
3770          * Note: we only remap dva[0].  If we remapped other dvas, we
3771          * would no longer know what their phys birth txg is.
3772          */
3773         dva_t *dva = &bp->blk_dva[0];
3774
3775         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
3776         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
3777         vdev_t *vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(dva));
3778
3779         if (vd->vdev_ops->vdev_op_remap == NULL)
3780                 return (B_FALSE);
3781
3782         rbca.rbca_bp = bp;
3783         rbca.rbca_cb = callback;
3784         rbca.rbca_remap_vd = vd;
3785         rbca.rbca_remap_offset = offset;
3786         rbca.rbca_cb_arg = arg;
3787
3788         /*
3789          * remap_blkptr_cb() will be called in order for each level of
3790          * indirection, until a concrete vdev is reached or a split block is
3791          * encountered. old_vd and old_offset are updated within the callback
3792          * as we go from the one indirect vdev to the next one (either concrete
3793          * or indirect again) in that order.
3794          */
3795         vd->vdev_ops->vdev_op_remap(vd, offset, size, remap_blkptr_cb, &rbca);
3796
3797         /* Check if the DVA wasn't remapped because it is a split block */
3798         if (DVA_GET_VDEV(&rbca.rbca_bp->blk_dva[0]) == vd->vdev_id)
3799                 return (B_FALSE);
3800
3801         return (B_TRUE);
3802 }
3803
3804 /*
3805  * Undo the allocation of a DVA which happened in the given transaction group.
3806  */
3807 void
3808 metaslab_unalloc_dva(spa_t *spa, const dva_t *dva, uint64_t txg)
3809 {
3810         metaslab_t *msp;
3811         vdev_t *vd;
3812         uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(dva);
3813         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
3814         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
3815
3816         ASSERT(DVA_IS_VALID(dva));
3817         ASSERT3U(spa_config_held(spa, SCL_ALL, RW_READER), !=, 0);
3818
3819         if (txg > spa_freeze_txg(spa))
3820                 return;
3821
3822         if ((vd = vdev_lookup_top(spa, vdev)) == NULL ||
3823             (offset >> vd->vdev_ms_shift) >= vd->vdev_ms_count) {
3824                 cmn_err(CE_WARN, "metaslab_free_dva(): bad DVA %llu:%llu",
3825                     (u_longlong_t)vdev, (u_longlong_t)offset);
3826                 ASSERT(0);
3827                 return;
3828         }
3829
3830         ASSERT(!vd->vdev_removing);
3831         ASSERT(vdev_is_concrete(vd));
3832         ASSERT0(vd->vdev_indirect_config.vic_mapping_object);
3833         ASSERT3P(vd->vdev_indirect_mapping, ==, NULL);
3834
3835         if (DVA_GET_GANG(dva))
3836                 size = vdev_psize_to_asize(vd, SPA_GANGBLOCKSIZE);
3837
3838         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
3839
3840         mutex_enter(&msp->ms_lock);
3841         range_tree_remove(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK],
3842             offset, size);
3843
3844         VERIFY(!msp->ms_condensing);
3845         VERIFY3U(offset, >=, msp->ms_start);
3846         VERIFY3U(offset + size, <=, msp->ms_start + msp->ms_size);
3847         VERIFY3U(range_tree_space(msp->ms_allocatable) + size, <=,
3848             msp->ms_size);
3849         VERIFY0(P2PHASE(offset, 1ULL << vd->vdev_ashift));
3850         VERIFY0(P2PHASE(size, 1ULL << vd->vdev_ashift));
3851         range_tree_add(msp->ms_allocatable, offset, size);
3852         mutex_exit(&msp->ms_lock);
3853 }
3854
3855 /*
3856  * Free the block represented by the given DVA.
3857  */
3858 void
3859 metaslab_free_dva(spa_t *spa, const dva_t *dva, boolean_t checkpoint)
3860 {
3861         uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(dva);
3862         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
3863         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
3864         vdev_t *vd = vdev_lookup_top(spa, vdev);
3865
3866         ASSERT(DVA_IS_VALID(dva));
3867         ASSERT3U(spa_config_held(spa, SCL_ALL, RW_READER), !=, 0);
3868
3869         if (DVA_GET_GANG(dva)) {
3870                 size = vdev_psize_to_asize(vd, SPA_GANGBLOCKSIZE);
3871         }
3872
3873         metaslab_free_impl(vd, offset, size, checkpoint);
3874 }
3875
3876 /*
3877  * Reserve some allocation slots. The reservation system must be called
3878  * before we call into the allocator. If there aren't any available slots
3879  * then the I/O will be throttled until an I/O completes and its slots are
3880  * freed up. The function returns true if it was successful in placing
3881  * the reservation.
3882  */
3883 boolean_t
3884 metaslab_class_throttle_reserve(metaslab_class_t *mc, int slots, int allocator,
3885     zio_t *zio, int flags)
3886 {
3887         uint64_t available_slots = 0;
3888         boolean_t slot_reserved = B_FALSE;
3889         uint64_t max = mc->mc_alloc_max_slots[allocator];
3890
3891         ASSERT(mc->mc_alloc_throttle_enabled);
3892         mutex_enter(&mc->mc_lock);
3893
3894         uint64_t reserved_slots =
3895             zfs_refcount_count(&mc->mc_alloc_slots[allocator]);
3896         if (reserved_slots < max)
3897                 available_slots = max - reserved_slots;
3898
3899         if (slots <= available_slots || GANG_ALLOCATION(flags)) {
3900                 /*
3901                  * We reserve the slots individually so that we can unreserve
3902                  * them individually when an I/O completes.
3903                  */
3904                 for (int d = 0; d < slots; d++) {
3905                         reserved_slots =
3906                             zfs_refcount_add(&mc->mc_alloc_slots[allocator],
3907                             zio);
3908                 }
3909                 zio->io_flags |= ZIO_FLAG_IO_ALLOCATING;
3910                 slot_reserved = B_TRUE;
3911         }
3912
3913         mutex_exit(&mc->mc_lock);
3914         return (slot_reserved);
3915 }
3916
3917 void
3918 metaslab_class_throttle_unreserve(metaslab_class_t *mc, int slots,
3919     int allocator, zio_t *zio)
3920 {
3921         ASSERT(mc->mc_alloc_throttle_enabled);
3922         mutex_enter(&mc->mc_lock);
3923         for (int d = 0; d < slots; d++) {
3924                 (void) zfs_refcount_remove(&mc->mc_alloc_slots[allocator],
3925                     zio);
3926         }
3927         mutex_exit(&mc->mc_lock);
3928 }
3929
3930 static int
3931 metaslab_claim_concrete(vdev_t *vd, uint64_t offset, uint64_t size,
3932     uint64_t txg)
3933 {
3934         metaslab_t *msp;
3935         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
3936         int error = 0;
3937
3938         if (offset >> vd->vdev_ms_shift >= vd->vdev_ms_count)
3939                 return (ENXIO);
3940
3941         ASSERT3P(vd->vdev_ms, !=, NULL);
3942         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
3943
3944         mutex_enter(&msp->ms_lock);
3945
3946         if ((txg != 0 && spa_writeable(spa)) || !msp->ms_loaded)
3947                 error = metaslab_activate(msp, 0, METASLAB_WEIGHT_CLAIM);
3948         /*
3949          * No need to fail in that case; someone else has activated the
3950          * metaslab, but that doesn't preclude us from using it.
3951          */
3952         if (error == EBUSY)
3953                 error = 0;
3954
3955         if (error == 0 &&
3956             !range_tree_contains(msp->ms_allocatable, offset, size))
3957                 error = SET_ERROR(ENOENT);
3958
3959         if (error || txg == 0) {        /* txg == 0 indicates dry run */
3960                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
3961                 return (error);
3962         }
3963
3964         VERIFY(!msp->ms_condensing);
3965         VERIFY0(P2PHASE(offset, 1ULL << vd->vdev_ashift));
3966         VERIFY0(P2PHASE(size, 1ULL << vd->vdev_ashift));
3967         VERIFY3U(range_tree_space(msp->ms_allocatable) - size, <=,
3968             msp->ms_size);
3969         range_tree_remove(msp->ms_allocatable, offset, size);
3970
3971         if (spa_writeable(spa)) {       /* don't dirty if we're zdb(1M) */
3972                 if (range_tree_is_empty(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK]))
3973                         vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
3974                 range_tree_add(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK],
3975                     offset, size);
3976         }
3977
3978         mutex_exit(&msp->ms_lock);
3979
3980         return (0);
3981 }
3982
3983 typedef struct metaslab_claim_cb_arg_t {
3984         uint64_t        mcca_txg;
3985         int             mcca_error;
3986 } metaslab_claim_cb_arg_t;
3987
3988 /* ARGSUSED */
3989 static void
3990 metaslab_claim_impl_cb(uint64_t inner_offset, vdev_t *vd, uint64_t offset,
3991     uint64_t size, void *arg)
3992 {
3993         metaslab_claim_cb_arg_t *mcca_arg = arg;
3994
3995         if (mcca_arg->mcca_error == 0) {
3996                 mcca_arg->mcca_error = metaslab_claim_concrete(vd, offset,
3997                     size, mcca_arg->mcca_txg);
3998         }
3999 }
4000
4001 int
4002 metaslab_claim_impl(vdev_t *vd, uint64_t offset, uint64_t size, uint64_t txg)
4003 {
4004         if (vd->vdev_ops->vdev_op_remap != NULL) {
4005                 metaslab_claim_cb_arg_t arg;
4006
4007                 /*
4008                  * Only zdb(1M) can claim on indirect vdevs.  This is used
4009                  * to detect leaks of mapped space (that are not accounted
4010                  * for in the obsolete counts, spacemap, or bpobj).
4011                  */
4012                 ASSERT(!spa_writeable(vd->vdev_spa));
4013                 arg.mcca_error = 0;
4014                 arg.mcca_txg = txg;
4015
4016                 vd->vdev_ops->vdev_op_remap(vd, offset, size,
4017                     metaslab_claim_impl_cb, &arg);
4018
4019                 if (arg.mcca_error == 0) {
4020                         arg.mcca_error = metaslab_claim_concrete(vd,
4021                             offset, size, txg);
4022                 }
4023                 return (arg.mcca_error);
4024         } else {
4025                 return (metaslab_claim_concrete(vd, offset, size, txg));
4026         }
4027 }
4028
4029 /*
4030  * Intent log support: upon opening the pool after a crash, notify the SPA
4031  * of blocks that the intent log has allocated for immediate write, but
4032  * which are still considered free by the SPA because the last transaction
4033  * group didn't commit yet.
4034  */
4035 static int
4036 metaslab_claim_dva(spa_t *spa, const dva_t *dva, uint64_t txg)
4037 {
4038         uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(dva);
4039         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
4040         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
4041         vdev_t *vd;
4042
4043         if ((vd = vdev_lookup_top(spa, vdev)) == NULL) {
4044                 return (SET_ERROR(ENXIO));
4045         }
4046
4047         ASSERT(DVA_IS_VALID(dva));
4048
4049         if (DVA_GET_GANG(dva))
4050                 size = vdev_psize_to_asize(vd, SPA_GANGBLOCKSIZE);
4051
4052         return (metaslab_claim_impl(vd, offset, size, txg));
4053 }
4054
4055 int
4056 metaslab_alloc(spa_t *spa, metaslab_class_t *mc, uint64_t psize, blkptr_t *bp,
4057     int ndvas, uint64_t txg, blkptr_t *hintbp, int flags,
4058     zio_alloc_list_t *zal, zio_t *zio, int allocator)
4059 {
4060         dva_t *dva = bp->blk_dva;
4061         dva_t *hintdva = hintbp->blk_dva;
4062         int error = 0;
4063
4064         ASSERT(bp->blk_birth == 0);
4065         ASSERT(BP_PHYSICAL_BIRTH(bp) == 0);
4066
4067         spa_config_enter(spa, SCL_ALLOC, FTAG, RW_READER);
4068
4069         if (mc->mc_rotor == NULL) {     /* no vdevs in this class */
4070                 spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
4071                 return (SET_ERROR(ENOSPC));
4072         }
4073
4074         ASSERT(ndvas > 0 && ndvas <= spa_max_replication(spa));
4075         ASSERT(BP_GET_NDVAS(bp) == 0);
4076         ASSERT(hintbp == NULL || ndvas <= BP_GET_NDVAS(hintbp));
4077         ASSERT3P(zal, !=, NULL);
4078
4079         for (int d = 0; d < ndvas; d++) {
4080                 error = metaslab_alloc_dva(spa, mc, psize, dva, d, hintdva,
4081                     txg, flags, zal, allocator);
4082                 if (error != 0) {
4083                         for (d--; d >= 0; d--) {
4084                                 metaslab_unalloc_dva(spa, &dva[d], txg);
4085                                 metaslab_group_alloc_decrement(spa,
4086                                     DVA_GET_VDEV(&dva[d]), zio, flags,
4087                                     allocator, B_FALSE);
4088                                 bzero(&dva[d], sizeof (dva_t));
4089                         }
4090                         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
4091                         return (error);
4092                 } else {
4093                         /*
4094                          * Update the metaslab group's queue depth
4095                          * based on the newly allocated dva.
4096                          */
4097                         metaslab_group_alloc_increment(spa,
4098                             DVA_GET_VDEV(&dva[d]), zio, flags, allocator);
4099                 }
4100
4101         }
4102         ASSERT(error == 0);
4103         ASSERT(BP_GET_NDVAS(bp) == ndvas);
4104
4105         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
4106
4107         BP_SET_BIRTH(bp, txg, txg);
4108
4109         return (0);
4110 }
4111
4112 void
4113 metaslab_free(spa_t *spa, const blkptr_t *bp, uint64_t txg, boolean_t now)
4114 {
4115         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
4116         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
4117
4118         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
4119         ASSERT(!now || bp->blk_birth >= spa_syncing_txg(spa));
4120
4121         /*
4122          * If we have a checkpoint for the pool we need to make sure that
4123          * the blocks that we free that are part of the checkpoint won't be
4124          * reused until the checkpoint is discarded or we revert to it.
4125          *
4126          * The checkpoint flag is passed down the metaslab_free code path
4127          * and is set whenever we want to add a block to the checkpoint's
4128          * accounting. That is, we "checkpoint" blocks that existed at the
4129          * time the checkpoint was created and are therefore referenced by
4130          * the checkpointed uberblock.
4131          *
4132          * Note that, we don't checkpoint any blocks if the current
4133          * syncing txg <= spa_checkpoint_txg. We want these frees to sync
4134          * normally as they will be referenced by the checkpointed uberblock.
4135          */
4136         boolean_t checkpoint = B_FALSE;
4137         if (bp->blk_birth <= spa->spa_checkpoint_txg &&
4138             spa_syncing_txg(spa) > spa->spa_checkpoint_txg) {
4139                 /*
4140                  * At this point, if the block is part of the checkpoint
4141                  * there is no way it was created in the current txg.
4142                  */
4143                 ASSERT(!now);
4144                 ASSERT3U(spa_syncing_txg(spa), ==, txg);
4145                 checkpoint = B_TRUE;
4146         }
4147
4148         spa_config_enter(spa, SCL_FREE, FTAG, RW_READER);
4149
4150         for (int d = 0; d < ndvas; d++) {
4151                 if (now) {
4152                         metaslab_unalloc_dva(spa, &dva[d], txg);
4153                 } else {
4154                         ASSERT3U(txg, ==, spa_syncing_txg(spa));
4155                         metaslab_free_dva(spa, &dva[d], checkpoint);
4156                 }
4157         }
4158
4159         spa_config_exit(spa, SCL_FREE, FTAG);
4160 }
4161
4162 int
4163 metaslab_claim(spa_t *spa, const blkptr_t *bp, uint64_t txg)
4164 {
4165         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
4166         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
4167         int error = 0;
4168
4169         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
4170
4171         if (txg != 0) {
4172                 /*
4173                  * First do a dry run to make sure all DVAs are claimable,
4174                  * so we don't have to unwind from partial failures below.
4175                  */
4176                 if ((error = metaslab_claim(spa, bp, 0)) != 0)
4177                         return (error);
4178         }
4179
4180         spa_config_enter(spa, SCL_ALLOC, FTAG, RW_READER);
4181
4182         for (int d = 0; d < ndvas; d++)
4183                 if ((error = metaslab_claim_dva(spa, &dva[d], txg)) != 0)
4184                         break;
4185
4186         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
4187
4188         ASSERT(error == 0 || txg == 0);
4189
4190         return (error);
4191 }
4192
4193 /* ARGSUSED */
4194 static void
4195 metaslab_check_free_impl_cb(uint64_t inner, vdev_t *vd, uint64_t offset,
4196     uint64_t size, void *arg)
4197 {
4198         if (vd->vdev_ops == &vdev_indirect_ops)
4199                 return;
4200
4201         metaslab_check_free_impl(vd, offset, size);
4202 }
4203
4204 static void
4205 metaslab_check_free_impl(vdev_t *vd, uint64_t offset, uint64_t size)
4206 {
4207         metaslab_t *msp;
4208         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
4209
4210         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_ZIO_FREE) == 0)
4211                 return;
4212
4213         if (vd->vdev_ops->vdev_op_remap != NULL) {
4214                 vd->vdev_ops->vdev_op_remap(vd, offset, size,
4215                     metaslab_check_free_impl_cb, NULL);
4216                 return;
4217         }
4218
4219         ASSERT(vdev_is_concrete(vd));
4220         ASSERT3U(offset >> vd->vdev_ms_shift, <, vd->vdev_ms_count);
4221         ASSERT3U(spa_config_held(spa, SCL_ALL, RW_READER), !=, 0);
4222
4223         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
4224
4225         mutex_enter(&msp->ms_lock);
4226         if (msp->ms_loaded)
4227                 range_tree_verify(msp->ms_allocatable, offset, size);
4228
4229         range_tree_verify(msp->ms_freeing, offset, size);
4230         range_tree_verify(msp->ms_checkpointing, offset, size);
4231         range_tree_verify(msp->ms_freed, offset, size);
4232         for (int j = 0; j < TXG_DEFER_SIZE; j++)
4233                 range_tree_verify(msp->ms_defer[j], offset, size);
4234         mutex_exit(&msp->ms_lock);
4235 }
4236
4237 void
4238 metaslab_check_free(spa_t *spa, const blkptr_t *bp)
4239 {
4240         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_ZIO_FREE) == 0)
4241                 return;
4242
4243         spa_config_enter(spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
4244         for (int i = 0; i < BP_GET_NDVAS(bp); i++) {
4245                 uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(&bp->blk_dva[i]);
4246                 vdev_t *vd = vdev_lookup_top(spa, vdev);
4247                 uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(&bp->blk_dva[i]);
4248                 uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(&bp->blk_dva[i]);
4249
4250                 if (DVA_GET_GANG(&bp->blk_dva[i]))
4251                         size = vdev_psize_to_asize(vd, SPA_GANGBLOCKSIZE);
4252
4253                 ASSERT3P(vd, !=, NULL);
4254
4255                 metaslab_check_free_impl(vd, offset, size);
4256         }
4257         spa_config_exit(spa, SCL_VDEV, FTAG);
4258 }