]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/stable/10.git/blob - sys/cddl/contrib/opensolaris/uts/common/fs/zfs/metaslab.c
MFC r274337,r274673,274681,r275515:
[FreeBSD/stable/10.git] / sys / cddl / contrib / opensolaris / uts / common / fs / zfs / metaslab.c
1 /*
2  * CDDL HEADER START
3  *
4  * The contents of this file are subject to the terms of the
5  * Common Development and Distribution License (the "License").
6  * You may not use this file except in compliance with the License.
7  *
8  * You can obtain a copy of the license at usr/src/OPENSOLARIS.LICENSE
9  * or http://www.opensolaris.org/os/licensing.
10  * See the License for the specific language governing permissions
11  * and limitations under the License.
12  *
13  * When distributing Covered Code, include this CDDL HEADER in each
14  * file and include the License file at usr/src/OPENSOLARIS.LICENSE.
15  * If applicable, add the following below this CDDL HEADER, with the
16  * fields enclosed by brackets "[]" replaced with your own identifying
17  * information: Portions Copyright [yyyy] [name of copyright owner]
18  *
19  * CDDL HEADER END
20  */
21 /*
22  * Copyright (c) 2005, 2010, Oracle and/or its affiliates. All rights reserved.
23  * Copyright (c) 2011, 2014 by Delphix. All rights reserved.
24  * Copyright (c) 2013 by Saso Kiselkov. All rights reserved.
25  */
26
27 #include <sys/zfs_context.h>
28 #include <sys/dmu.h>
29 #include <sys/dmu_tx.h>
30 #include <sys/space_map.h>
31 #include <sys/metaslab_impl.h>
32 #include <sys/vdev_impl.h>
33 #include <sys/zio.h>
34 #include <sys/spa_impl.h>
35 #include <sys/zfeature.h>
36
37 SYSCTL_DECL(_vfs_zfs);
38 SYSCTL_NODE(_vfs_zfs, OID_AUTO, metaslab, CTLFLAG_RW, 0, "ZFS metaslab");
39
40 /*
41  * Allow allocations to switch to gang blocks quickly. We do this to
42  * avoid having to load lots of space_maps in a given txg. There are,
43  * however, some cases where we want to avoid "fast" ganging and instead
44  * we want to do an exhaustive search of all metaslabs on this device.
45  * Currently we don't allow any gang, slog, or dump device related allocations
46  * to "fast" gang.
47  */
48 #define CAN_FASTGANG(flags) \
49         (!((flags) & (METASLAB_GANG_CHILD | METASLAB_GANG_HEADER | \
50         METASLAB_GANG_AVOID)))
51
52 #define METASLAB_WEIGHT_PRIMARY         (1ULL << 63)
53 #define METASLAB_WEIGHT_SECONDARY       (1ULL << 62)
54 #define METASLAB_ACTIVE_MASK            \
55         (METASLAB_WEIGHT_PRIMARY | METASLAB_WEIGHT_SECONDARY)
56
57 uint64_t metaslab_aliquot = 512ULL << 10;
58 uint64_t metaslab_gang_bang = SPA_MAXBLOCKSIZE + 1;     /* force gang blocks */
59 TUNABLE_QUAD("vfs.zfs.metaslab.gang_bang", &metaslab_gang_bang);
60 SYSCTL_QUAD(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, gang_bang, CTLFLAG_RWTUN,
61     &metaslab_gang_bang, 0,
62     "Force gang block allocation for blocks larger than or equal to this value");
63
64 /*
65  * The in-core space map representation is more compact than its on-disk form.
66  * The zfs_condense_pct determines how much more compact the in-core
67  * space_map representation must be before we compact it on-disk.
68  * Values should be greater than or equal to 100.
69  */
70 int zfs_condense_pct = 200;
71 TUNABLE_INT("vfs.zfs.condense_pct", &zfs_condense_pct);
72 SYSCTL_INT(_vfs_zfs, OID_AUTO, condense_pct, CTLFLAG_RWTUN,
73     &zfs_condense_pct, 0,
74     "Condense on-disk spacemap when it is more than this many percents"
75     " of in-memory counterpart");
76
77 /*
78  * Condensing a metaslab is not guaranteed to actually reduce the amount of
79  * space used on disk. In particular, a space map uses data in increments of
80  * MAX(1 << ashift, space_map_blksize), so a metaslab might use the
81  * same number of blocks after condensing. Since the goal of condensing is to
82  * reduce the number of IOPs required to read the space map, we only want to
83  * condense when we can be sure we will reduce the number of blocks used by the
84  * space map. Unfortunately, we cannot precisely compute whether or not this is
85  * the case in metaslab_should_condense since we are holding ms_lock. Instead,
86  * we apply the following heuristic: do not condense a spacemap unless the
87  * uncondensed size consumes greater than zfs_metaslab_condense_block_threshold
88  * blocks.
89  */
90 int zfs_metaslab_condense_block_threshold = 4;
91
92 /*
93  * The zfs_mg_noalloc_threshold defines which metaslab groups should
94  * be eligible for allocation. The value is defined as a percentage of
95  * free space. Metaslab groups that have more free space than
96  * zfs_mg_noalloc_threshold are always eligible for allocations. Once
97  * a metaslab group's free space is less than or equal to the
98  * zfs_mg_noalloc_threshold the allocator will avoid allocating to that
99  * group unless all groups in the pool have reached zfs_mg_noalloc_threshold.
100  * Once all groups in the pool reach zfs_mg_noalloc_threshold then all
101  * groups are allowed to accept allocations. Gang blocks are always
102  * eligible to allocate on any metaslab group. The default value of 0 means
103  * no metaslab group will be excluded based on this criterion.
104  */
105 int zfs_mg_noalloc_threshold = 0;
106 TUNABLE_INT("vfs.zfs.mg_noalloc_threshold", &zfs_mg_noalloc_threshold);
107 SYSCTL_INT(_vfs_zfs, OID_AUTO, mg_noalloc_threshold, CTLFLAG_RWTUN,
108     &zfs_mg_noalloc_threshold, 0,
109     "Percentage of metaslab group size that should be free"
110     " to make it eligible for allocation");
111
112 /*
113  * Metaslab groups are considered eligible for allocations if their
114  * fragmenation metric (measured as a percentage) is less than or equal to
115  * zfs_mg_fragmentation_threshold. If a metaslab group exceeds this threshold
116  * then it will be skipped unless all metaslab groups within the metaslab
117  * class have also crossed this threshold.
118  */
119 int zfs_mg_fragmentation_threshold = 85;
120 TUNABLE_INT("vfs.zfs.mg_fragmentation_threshold", &zfs_mg_fragmentation_threshold);
121 SYSCTL_INT(_vfs_zfs, OID_AUTO, mg_fragmentation_threshold, CTLFLAG_RWTUN,
122     &zfs_mg_fragmentation_threshold, 0,
123     "Percentage of metaslab group size that should be considered "
124     "eligible for allocations unless all metaslab groups within the metaslab class "
125     "have also crossed this threshold");
126
127 /*
128  * Allow metaslabs to keep their active state as long as their fragmentation
129  * percentage is less than or equal to zfs_metaslab_fragmentation_threshold. An
130  * active metaslab that exceeds this threshold will no longer keep its active
131  * status allowing better metaslabs to be selected.
132  */
133 int zfs_metaslab_fragmentation_threshold = 70;
134 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.fragmentation_threshold",
135     &zfs_metaslab_fragmentation_threshold);
136 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, fragmentation_threshold, CTLFLAG_RWTUN,
137     &zfs_metaslab_fragmentation_threshold, 0,
138     "Maximum percentage of metaslab fragmentation level to keep their active state");
139
140 /*
141  * When set will load all metaslabs when pool is first opened.
142  */
143 int metaslab_debug_load = 0;
144 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.debug_load", &metaslab_debug_load);
145 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, debug_load, CTLFLAG_RWTUN,
146     &metaslab_debug_load, 0,
147     "Load all metaslabs when pool is first opened");
148
149 /*
150  * When set will prevent metaslabs from being unloaded.
151  */
152 int metaslab_debug_unload = 0;
153 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.debug_unload", &metaslab_debug_unload);
154 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, debug_unload, CTLFLAG_RWTUN,
155     &metaslab_debug_unload, 0,
156     "Prevent metaslabs from being unloaded");
157
158 /*
159  * Minimum size which forces the dynamic allocator to change
160  * it's allocation strategy.  Once the space map cannot satisfy
161  * an allocation of this size then it switches to using more
162  * aggressive strategy (i.e search by size rather than offset).
163  */
164 uint64_t metaslab_df_alloc_threshold = SPA_OLD_MAXBLOCKSIZE;
165 TUNABLE_QUAD("vfs.zfs.metaslab.df_alloc_threshold",
166     &metaslab_df_alloc_threshold);
167 SYSCTL_QUAD(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, df_alloc_threshold, CTLFLAG_RWTUN,
168     &metaslab_df_alloc_threshold, 0,
169     "Minimum size which forces the dynamic allocator to change it's allocation strategy");
170
171 /*
172  * The minimum free space, in percent, which must be available
173  * in a space map to continue allocations in a first-fit fashion.
174  * Once the space_map's free space drops below this level we dynamically
175  * switch to using best-fit allocations.
176  */
177 int metaslab_df_free_pct = 4;
178 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.df_free_pct", &metaslab_df_free_pct);
179 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, df_free_pct, CTLFLAG_RWTUN,
180     &metaslab_df_free_pct, 0,
181     "The minimum free space, in percent, which must be available in a space map to continue allocations in a first-fit fashion");
182
183 /*
184  * A metaslab is considered "free" if it contains a contiguous
185  * segment which is greater than metaslab_min_alloc_size.
186  */
187 uint64_t metaslab_min_alloc_size = DMU_MAX_ACCESS;
188 TUNABLE_QUAD("vfs.zfs.metaslab.min_alloc_size",
189     &metaslab_min_alloc_size);
190 SYSCTL_QUAD(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, min_alloc_size, CTLFLAG_RWTUN,
191     &metaslab_min_alloc_size, 0,
192     "A metaslab is considered \"free\" if it contains a contiguous segment which is greater than vfs.zfs.metaslab.min_alloc_size");
193
194 /*
195  * Percentage of all cpus that can be used by the metaslab taskq.
196  */
197 int metaslab_load_pct = 50;
198 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.load_pct", &metaslab_load_pct);
199 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, load_pct, CTLFLAG_RWTUN,
200     &metaslab_load_pct, 0,
201     "Percentage of cpus that can be used by the metaslab taskq");
202
203 /*
204  * Determines how many txgs a metaslab may remain loaded without having any
205  * allocations from it. As long as a metaslab continues to be used we will
206  * keep it loaded.
207  */
208 int metaslab_unload_delay = TXG_SIZE * 2;
209 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.unload_delay", &metaslab_unload_delay);
210 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, unload_delay, CTLFLAG_RWTUN,
211     &metaslab_unload_delay, 0,
212     "Number of TXGs that an unused metaslab can be kept in memory");
213
214 /*
215  * Max number of metaslabs per group to preload.
216  */
217 int metaslab_preload_limit = SPA_DVAS_PER_BP;
218 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.preload_limit", &metaslab_preload_limit);
219 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, preload_limit, CTLFLAG_RWTUN,
220     &metaslab_preload_limit, 0,
221     "Max number of metaslabs per group to preload");
222
223 /*
224  * Enable/disable preloading of metaslab.
225  */
226 boolean_t metaslab_preload_enabled = B_TRUE;
227 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.preload_enabled", &metaslab_preload_enabled);
228 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, preload_enabled, CTLFLAG_RWTUN,
229     &metaslab_preload_enabled, 0,
230     "Max number of metaslabs per group to preload");
231
232 /*
233  * Enable/disable fragmentation weighting on metaslabs.
234  */
235 boolean_t metaslab_fragmentation_factor_enabled = B_TRUE;
236 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab_fragmentation_factor_enabled",
237     &metaslab_fragmentation_factor_enabled);
238 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, fragmentation_factor_enabled, CTLFLAG_RWTUN,
239     &metaslab_fragmentation_factor_enabled, 0,
240     "Enable fragmentation weighting on metaslabs");
241
242 /*
243  * Enable/disable lba weighting (i.e. outer tracks are given preference).
244  */
245 boolean_t metaslab_lba_weighting_enabled = B_TRUE;
246 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.lba_weighting_enabled",
247     &metaslab_lba_weighting_enabled);
248 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, lba_weighting_enabled, CTLFLAG_RWTUN,
249     &metaslab_lba_weighting_enabled, 0,
250     "Enable LBA weighting (i.e. outer tracks are given preference)");
251
252 /*
253  * Enable/disable metaslab group biasing.
254  */
255 boolean_t metaslab_bias_enabled = B_TRUE;
256 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.bias_enabled",
257     &metaslab_bias_enabled);
258 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, bias_enabled, CTLFLAG_RWTUN,
259     &metaslab_bias_enabled, 0,
260     "Enable metaslab group biasing");
261
262 static uint64_t metaslab_fragmentation(metaslab_t *);
263
264 /*
265  * ==========================================================================
266  * Metaslab classes
267  * ==========================================================================
268  */
269 metaslab_class_t *
270 metaslab_class_create(spa_t *spa, metaslab_ops_t *ops)
271 {
272         metaslab_class_t *mc;
273
274         mc = kmem_zalloc(sizeof (metaslab_class_t), KM_SLEEP);
275
276         mc->mc_spa = spa;
277         mc->mc_rotor = NULL;
278         mc->mc_ops = ops;
279
280         return (mc);
281 }
282
283 void
284 metaslab_class_destroy(metaslab_class_t *mc)
285 {
286         ASSERT(mc->mc_rotor == NULL);
287         ASSERT(mc->mc_alloc == 0);
288         ASSERT(mc->mc_deferred == 0);
289         ASSERT(mc->mc_space == 0);
290         ASSERT(mc->mc_dspace == 0);
291
292         kmem_free(mc, sizeof (metaslab_class_t));
293 }
294
295 int
296 metaslab_class_validate(metaslab_class_t *mc)
297 {
298         metaslab_group_t *mg;
299         vdev_t *vd;
300
301         /*
302          * Must hold one of the spa_config locks.
303          */
304         ASSERT(spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALL, RW_READER) ||
305             spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALL, RW_WRITER));
306
307         if ((mg = mc->mc_rotor) == NULL)
308                 return (0);
309
310         do {
311                 vd = mg->mg_vd;
312                 ASSERT(vd->vdev_mg != NULL);
313                 ASSERT3P(vd->vdev_top, ==, vd);
314                 ASSERT3P(mg->mg_class, ==, mc);
315                 ASSERT3P(vd->vdev_ops, !=, &vdev_hole_ops);
316         } while ((mg = mg->mg_next) != mc->mc_rotor);
317
318         return (0);
319 }
320
321 void
322 metaslab_class_space_update(metaslab_class_t *mc, int64_t alloc_delta,
323     int64_t defer_delta, int64_t space_delta, int64_t dspace_delta)
324 {
325         atomic_add_64(&mc->mc_alloc, alloc_delta);
326         atomic_add_64(&mc->mc_deferred, defer_delta);
327         atomic_add_64(&mc->mc_space, space_delta);
328         atomic_add_64(&mc->mc_dspace, dspace_delta);
329 }
330
331 void
332 metaslab_class_minblocksize_update(metaslab_class_t *mc)
333 {
334         metaslab_group_t *mg;
335         vdev_t *vd;
336         uint64_t minashift = UINT64_MAX;
337
338         if ((mg = mc->mc_rotor) == NULL) {
339                 mc->mc_minblocksize = SPA_MINBLOCKSIZE;
340                 return;
341         }
342
343         do {
344                 vd = mg->mg_vd;
345                 if (vd->vdev_ashift < minashift)
346                         minashift = vd->vdev_ashift;
347         } while ((mg = mg->mg_next) != mc->mc_rotor);
348
349         mc->mc_minblocksize = 1ULL << minashift;
350 }
351
352 uint64_t
353 metaslab_class_get_alloc(metaslab_class_t *mc)
354 {
355         return (mc->mc_alloc);
356 }
357
358 uint64_t
359 metaslab_class_get_deferred(metaslab_class_t *mc)
360 {
361         return (mc->mc_deferred);
362 }
363
364 uint64_t
365 metaslab_class_get_space(metaslab_class_t *mc)
366 {
367         return (mc->mc_space);
368 }
369
370 uint64_t
371 metaslab_class_get_dspace(metaslab_class_t *mc)
372 {
373         return (spa_deflate(mc->mc_spa) ? mc->mc_dspace : mc->mc_space);
374 }
375
376 uint64_t
377 metaslab_class_get_minblocksize(metaslab_class_t *mc)
378 {
379         return (mc->mc_minblocksize);
380 }
381
382 void
383 metaslab_class_histogram_verify(metaslab_class_t *mc)
384 {
385         vdev_t *rvd = mc->mc_spa->spa_root_vdev;
386         uint64_t *mc_hist;
387         int i;
388
389         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_HISTOGRAM_VERIFY) == 0)
390                 return;
391
392         mc_hist = kmem_zalloc(sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE,
393             KM_SLEEP);
394
395         for (int c = 0; c < rvd->vdev_children; c++) {
396                 vdev_t *tvd = rvd->vdev_child[c];
397                 metaslab_group_t *mg = tvd->vdev_mg;
398
399                 /*
400                  * Skip any holes, uninitialized top-levels, or
401                  * vdevs that are not in this metalab class.
402                  */
403                 if (tvd->vdev_ishole || tvd->vdev_ms_shift == 0 ||
404                     mg->mg_class != mc) {
405                         continue;
406                 }
407
408                 for (i = 0; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i++)
409                         mc_hist[i] += mg->mg_histogram[i];
410         }
411
412         for (i = 0; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i++)
413                 VERIFY3U(mc_hist[i], ==, mc->mc_histogram[i]);
414
415         kmem_free(mc_hist, sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE);
416 }
417
418 /*
419  * Calculate the metaslab class's fragmentation metric. The metric
420  * is weighted based on the space contribution of each metaslab group.
421  * The return value will be a number between 0 and 100 (inclusive), or
422  * ZFS_FRAG_INVALID if the metric has not been set. See comment above the
423  * zfs_frag_table for more information about the metric.
424  */
425 uint64_t
426 metaslab_class_fragmentation(metaslab_class_t *mc)
427 {
428         vdev_t *rvd = mc->mc_spa->spa_root_vdev;
429         uint64_t fragmentation = 0;
430
431         spa_config_enter(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
432
433         for (int c = 0; c < rvd->vdev_children; c++) {
434                 vdev_t *tvd = rvd->vdev_child[c];
435                 metaslab_group_t *mg = tvd->vdev_mg;
436
437                 /*
438                  * Skip any holes, uninitialized top-levels, or
439                  * vdevs that are not in this metalab class.
440                  */
441                 if (tvd->vdev_ishole || tvd->vdev_ms_shift == 0 ||
442                     mg->mg_class != mc) {
443                         continue;
444                 }
445
446                 /*
447                  * If a metaslab group does not contain a fragmentation
448                  * metric then just bail out.
449                  */
450                 if (mg->mg_fragmentation == ZFS_FRAG_INVALID) {
451                         spa_config_exit(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG);
452                         return (ZFS_FRAG_INVALID);
453                 }
454
455                 /*
456                  * Determine how much this metaslab_group is contributing
457                  * to the overall pool fragmentation metric.
458                  */
459                 fragmentation += mg->mg_fragmentation *
460                     metaslab_group_get_space(mg);
461         }
462         fragmentation /= metaslab_class_get_space(mc);
463
464         ASSERT3U(fragmentation, <=, 100);
465         spa_config_exit(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG);
466         return (fragmentation);
467 }
468
469 /*
470  * Calculate the amount of expandable space that is available in
471  * this metaslab class. If a device is expanded then its expandable
472  * space will be the amount of allocatable space that is currently not
473  * part of this metaslab class.
474  */
475 uint64_t
476 metaslab_class_expandable_space(metaslab_class_t *mc)
477 {
478         vdev_t *rvd = mc->mc_spa->spa_root_vdev;
479         uint64_t space = 0;
480
481         spa_config_enter(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
482         for (int c = 0; c < rvd->vdev_children; c++) {
483                 vdev_t *tvd = rvd->vdev_child[c];
484                 metaslab_group_t *mg = tvd->vdev_mg;
485
486                 if (tvd->vdev_ishole || tvd->vdev_ms_shift == 0 ||
487                     mg->mg_class != mc) {
488                         continue;
489                 }
490
491                 space += tvd->vdev_max_asize - tvd->vdev_asize;
492         }
493         spa_config_exit(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG);
494         return (space);
495 }
496
497 /*
498  * ==========================================================================
499  * Metaslab groups
500  * ==========================================================================
501  */
502 static int
503 metaslab_compare(const void *x1, const void *x2)
504 {
505         const metaslab_t *m1 = x1;
506         const metaslab_t *m2 = x2;
507
508         if (m1->ms_weight < m2->ms_weight)
509                 return (1);
510         if (m1->ms_weight > m2->ms_weight)
511                 return (-1);
512
513         /*
514          * If the weights are identical, use the offset to force uniqueness.
515          */
516         if (m1->ms_start < m2->ms_start)
517                 return (-1);
518         if (m1->ms_start > m2->ms_start)
519                 return (1);
520
521         ASSERT3P(m1, ==, m2);
522
523         return (0);
524 }
525
526 /*
527  * Update the allocatable flag and the metaslab group's capacity.
528  * The allocatable flag is set to true if the capacity is below
529  * the zfs_mg_noalloc_threshold. If a metaslab group transitions
530  * from allocatable to non-allocatable or vice versa then the metaslab
531  * group's class is updated to reflect the transition.
532  */
533 static void
534 metaslab_group_alloc_update(metaslab_group_t *mg)
535 {
536         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
537         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
538         vdev_stat_t *vs = &vd->vdev_stat;
539         boolean_t was_allocatable;
540
541         ASSERT(vd == vd->vdev_top);
542
543         mutex_enter(&mg->mg_lock);
544         was_allocatable = mg->mg_allocatable;
545
546         mg->mg_free_capacity = ((vs->vs_space - vs->vs_alloc) * 100) /
547             (vs->vs_space + 1);
548
549         /*
550          * A metaslab group is considered allocatable if it has plenty
551          * of free space or is not heavily fragmented. We only take
552          * fragmentation into account if the metaslab group has a valid
553          * fragmentation metric (i.e. a value between 0 and 100).
554          */
555         mg->mg_allocatable = (mg->mg_free_capacity > zfs_mg_noalloc_threshold &&
556             (mg->mg_fragmentation == ZFS_FRAG_INVALID ||
557             mg->mg_fragmentation <= zfs_mg_fragmentation_threshold));
558
559         /*
560          * The mc_alloc_groups maintains a count of the number of
561          * groups in this metaslab class that are still above the
562          * zfs_mg_noalloc_threshold. This is used by the allocating
563          * threads to determine if they should avoid allocations to
564          * a given group. The allocator will avoid allocations to a group
565          * if that group has reached or is below the zfs_mg_noalloc_threshold
566          * and there are still other groups that are above the threshold.
567          * When a group transitions from allocatable to non-allocatable or
568          * vice versa we update the metaslab class to reflect that change.
569          * When the mc_alloc_groups value drops to 0 that means that all
570          * groups have reached the zfs_mg_noalloc_threshold making all groups
571          * eligible for allocations. This effectively means that all devices
572          * are balanced again.
573          */
574         if (was_allocatable && !mg->mg_allocatable)
575                 mc->mc_alloc_groups--;
576         else if (!was_allocatable && mg->mg_allocatable)
577                 mc->mc_alloc_groups++;
578
579         mutex_exit(&mg->mg_lock);
580 }
581
582 metaslab_group_t *
583 metaslab_group_create(metaslab_class_t *mc, vdev_t *vd)
584 {
585         metaslab_group_t *mg;
586
587         mg = kmem_zalloc(sizeof (metaslab_group_t), KM_SLEEP);
588         mutex_init(&mg->mg_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
589         avl_create(&mg->mg_metaslab_tree, metaslab_compare,
590             sizeof (metaslab_t), offsetof(struct metaslab, ms_group_node));
591         mg->mg_vd = vd;
592         mg->mg_class = mc;
593         mg->mg_activation_count = 0;
594
595         mg->mg_taskq = taskq_create("metaslab_group_taskq", metaslab_load_pct,
596             minclsyspri, 10, INT_MAX, TASKQ_THREADS_CPU_PCT);
597
598         return (mg);
599 }
600
601 void
602 metaslab_group_destroy(metaslab_group_t *mg)
603 {
604         ASSERT(mg->mg_prev == NULL);
605         ASSERT(mg->mg_next == NULL);
606         /*
607          * We may have gone below zero with the activation count
608          * either because we never activated in the first place or
609          * because we're done, and possibly removing the vdev.
610          */
611         ASSERT(mg->mg_activation_count <= 0);
612
613         taskq_destroy(mg->mg_taskq);
614         avl_destroy(&mg->mg_metaslab_tree);
615         mutex_destroy(&mg->mg_lock);
616         kmem_free(mg, sizeof (metaslab_group_t));
617 }
618
619 void
620 metaslab_group_activate(metaslab_group_t *mg)
621 {
622         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
623         metaslab_group_t *mgprev, *mgnext;
624
625         ASSERT(spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALLOC, RW_WRITER));
626
627         ASSERT(mc->mc_rotor != mg);
628         ASSERT(mg->mg_prev == NULL);
629         ASSERT(mg->mg_next == NULL);
630         ASSERT(mg->mg_activation_count <= 0);
631
632         if (++mg->mg_activation_count <= 0)
633                 return;
634
635         mg->mg_aliquot = metaslab_aliquot * MAX(1, mg->mg_vd->vdev_children);
636         metaslab_group_alloc_update(mg);
637
638         if ((mgprev = mc->mc_rotor) == NULL) {
639                 mg->mg_prev = mg;
640                 mg->mg_next = mg;
641         } else {
642                 mgnext = mgprev->mg_next;
643                 mg->mg_prev = mgprev;
644                 mg->mg_next = mgnext;
645                 mgprev->mg_next = mg;
646                 mgnext->mg_prev = mg;
647         }
648         mc->mc_rotor = mg;
649         metaslab_class_minblocksize_update(mc);
650 }
651
652 void
653 metaslab_group_passivate(metaslab_group_t *mg)
654 {
655         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
656         metaslab_group_t *mgprev, *mgnext;
657
658         ASSERT(spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALLOC, RW_WRITER));
659
660         if (--mg->mg_activation_count != 0) {
661                 ASSERT(mc->mc_rotor != mg);
662                 ASSERT(mg->mg_prev == NULL);
663                 ASSERT(mg->mg_next == NULL);
664                 ASSERT(mg->mg_activation_count < 0);
665                 return;
666         }
667
668         taskq_wait(mg->mg_taskq);
669         metaslab_group_alloc_update(mg);
670
671         mgprev = mg->mg_prev;
672         mgnext = mg->mg_next;
673
674         if (mg == mgnext) {
675                 mc->mc_rotor = NULL;
676         } else {
677                 mc->mc_rotor = mgnext;
678                 mgprev->mg_next = mgnext;
679                 mgnext->mg_prev = mgprev;
680         }
681
682         mg->mg_prev = NULL;
683         mg->mg_next = NULL;
684         metaslab_class_minblocksize_update(mc);
685 }
686
687 uint64_t
688 metaslab_group_get_space(metaslab_group_t *mg)
689 {
690         return ((1ULL << mg->mg_vd->vdev_ms_shift) * mg->mg_vd->vdev_ms_count);
691 }
692
693 void
694 metaslab_group_histogram_verify(metaslab_group_t *mg)
695 {
696         uint64_t *mg_hist;
697         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
698         uint64_t ashift = vd->vdev_ashift;
699         int i;
700
701         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_HISTOGRAM_VERIFY) == 0)
702                 return;
703
704         mg_hist = kmem_zalloc(sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE,
705             KM_SLEEP);
706
707         ASSERT3U(RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE, >=,
708             SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE + ashift);
709
710         for (int m = 0; m < vd->vdev_ms_count; m++) {
711                 metaslab_t *msp = vd->vdev_ms[m];
712
713                 if (msp->ms_sm == NULL)
714                         continue;
715
716                 for (i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++)
717                         mg_hist[i + ashift] +=
718                             msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
719         }
720
721         for (i = 0; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i ++)
722                 VERIFY3U(mg_hist[i], ==, mg->mg_histogram[i]);
723
724         kmem_free(mg_hist, sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE);
725 }
726
727 static void
728 metaslab_group_histogram_add(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
729 {
730         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
731         uint64_t ashift = mg->mg_vd->vdev_ashift;
732
733         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
734         if (msp->ms_sm == NULL)
735                 return;
736
737         mutex_enter(&mg->mg_lock);
738         for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
739                 mg->mg_histogram[i + ashift] +=
740                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
741                 mc->mc_histogram[i + ashift] +=
742                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
743         }
744         mutex_exit(&mg->mg_lock);
745 }
746
747 void
748 metaslab_group_histogram_remove(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
749 {
750         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
751         uint64_t ashift = mg->mg_vd->vdev_ashift;
752
753         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
754         if (msp->ms_sm == NULL)
755                 return;
756
757         mutex_enter(&mg->mg_lock);
758         for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
759                 ASSERT3U(mg->mg_histogram[i + ashift], >=,
760                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i]);
761                 ASSERT3U(mc->mc_histogram[i + ashift], >=,
762                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i]);
763
764                 mg->mg_histogram[i + ashift] -=
765                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
766                 mc->mc_histogram[i + ashift] -=
767                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
768         }
769         mutex_exit(&mg->mg_lock);
770 }
771
772 static void
773 metaslab_group_add(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
774 {
775         ASSERT(msp->ms_group == NULL);
776         mutex_enter(&mg->mg_lock);
777         msp->ms_group = mg;
778         msp->ms_weight = 0;
779         avl_add(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
780         mutex_exit(&mg->mg_lock);
781
782         mutex_enter(&msp->ms_lock);
783         metaslab_group_histogram_add(mg, msp);
784         mutex_exit(&msp->ms_lock);
785 }
786
787 static void
788 metaslab_group_remove(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
789 {
790         mutex_enter(&msp->ms_lock);
791         metaslab_group_histogram_remove(mg, msp);
792         mutex_exit(&msp->ms_lock);
793
794         mutex_enter(&mg->mg_lock);
795         ASSERT(msp->ms_group == mg);
796         avl_remove(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
797         msp->ms_group = NULL;
798         mutex_exit(&mg->mg_lock);
799 }
800
801 static void
802 metaslab_group_sort(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp, uint64_t weight)
803 {
804         /*
805          * Although in principle the weight can be any value, in
806          * practice we do not use values in the range [1, 511].
807          */
808         ASSERT(weight >= SPA_MINBLOCKSIZE || weight == 0);
809         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
810
811         mutex_enter(&mg->mg_lock);
812         ASSERT(msp->ms_group == mg);
813         avl_remove(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
814         msp->ms_weight = weight;
815         avl_add(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
816         mutex_exit(&mg->mg_lock);
817 }
818
819 /*
820  * Calculate the fragmentation for a given metaslab group. We can use
821  * a simple average here since all metaslabs within the group must have
822  * the same size. The return value will be a value between 0 and 100
823  * (inclusive), or ZFS_FRAG_INVALID if less than half of the metaslab in this
824  * group have a fragmentation metric.
825  */
826 uint64_t
827 metaslab_group_fragmentation(metaslab_group_t *mg)
828 {
829         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
830         uint64_t fragmentation = 0;
831         uint64_t valid_ms = 0;
832
833         for (int m = 0; m < vd->vdev_ms_count; m++) {
834                 metaslab_t *msp = vd->vdev_ms[m];
835
836                 if (msp->ms_fragmentation == ZFS_FRAG_INVALID)
837                         continue;
838
839                 valid_ms++;
840                 fragmentation += msp->ms_fragmentation;
841         }
842
843         if (valid_ms <= vd->vdev_ms_count / 2)
844                 return (ZFS_FRAG_INVALID);
845
846         fragmentation /= valid_ms;
847         ASSERT3U(fragmentation, <=, 100);
848         return (fragmentation);
849 }
850
851 /*
852  * Determine if a given metaslab group should skip allocations. A metaslab
853  * group should avoid allocations if its free capacity is less than the
854  * zfs_mg_noalloc_threshold or its fragmentation metric is greater than
855  * zfs_mg_fragmentation_threshold and there is at least one metaslab group
856  * that can still handle allocations.
857  */
858 static boolean_t
859 metaslab_group_allocatable(metaslab_group_t *mg)
860 {
861         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
862         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
863         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
864
865         /*
866          * We use two key metrics to determine if a metaslab group is
867          * considered allocatable -- free space and fragmentation. If
868          * the free space is greater than the free space threshold and
869          * the fragmentation is less than the fragmentation threshold then
870          * consider the group allocatable. There are two case when we will
871          * not consider these key metrics. The first is if the group is
872          * associated with a slog device and the second is if all groups
873          * in this metaslab class have already been consider ineligible
874          * for allocations.
875          */
876         return ((mg->mg_free_capacity > zfs_mg_noalloc_threshold &&
877             (mg->mg_fragmentation == ZFS_FRAG_INVALID ||
878             mg->mg_fragmentation <= zfs_mg_fragmentation_threshold)) ||
879             mc != spa_normal_class(spa) || mc->mc_alloc_groups == 0);
880 }
881
882 /*
883  * ==========================================================================
884  * Range tree callbacks
885  * ==========================================================================
886  */
887
888 /*
889  * Comparison function for the private size-ordered tree. Tree is sorted
890  * by size, larger sizes at the end of the tree.
891  */
892 static int
893 metaslab_rangesize_compare(const void *x1, const void *x2)
894 {
895         const range_seg_t *r1 = x1;
896         const range_seg_t *r2 = x2;
897         uint64_t rs_size1 = r1->rs_end - r1->rs_start;
898         uint64_t rs_size2 = r2->rs_end - r2->rs_start;
899
900         if (rs_size1 < rs_size2)
901                 return (-1);
902         if (rs_size1 > rs_size2)
903                 return (1);
904
905         if (r1->rs_start < r2->rs_start)
906                 return (-1);
907
908         if (r1->rs_start > r2->rs_start)
909                 return (1);
910
911         return (0);
912 }
913
914 /*
915  * Create any block allocator specific components. The current allocators
916  * rely on using both a size-ordered range_tree_t and an array of uint64_t's.
917  */
918 static void
919 metaslab_rt_create(range_tree_t *rt, void *arg)
920 {
921         metaslab_t *msp = arg;
922
923         ASSERT3P(rt->rt_arg, ==, msp);
924         ASSERT(msp->ms_tree == NULL);
925
926         avl_create(&msp->ms_size_tree, metaslab_rangesize_compare,
927             sizeof (range_seg_t), offsetof(range_seg_t, rs_pp_node));
928 }
929
930 /*
931  * Destroy the block allocator specific components.
932  */
933 static void
934 metaslab_rt_destroy(range_tree_t *rt, void *arg)
935 {
936         metaslab_t *msp = arg;
937
938         ASSERT3P(rt->rt_arg, ==, msp);
939         ASSERT3P(msp->ms_tree, ==, rt);
940         ASSERT0(avl_numnodes(&msp->ms_size_tree));
941
942         avl_destroy(&msp->ms_size_tree);
943 }
944
945 static void
946 metaslab_rt_add(range_tree_t *rt, range_seg_t *rs, void *arg)
947 {
948         metaslab_t *msp = arg;
949
950         ASSERT3P(rt->rt_arg, ==, msp);
951         ASSERT3P(msp->ms_tree, ==, rt);
952         VERIFY(!msp->ms_condensing);
953         avl_add(&msp->ms_size_tree, rs);
954 }
955
956 static void
957 metaslab_rt_remove(range_tree_t *rt, range_seg_t *rs, void *arg)
958 {
959         metaslab_t *msp = arg;
960
961         ASSERT3P(rt->rt_arg, ==, msp);
962         ASSERT3P(msp->ms_tree, ==, rt);
963         VERIFY(!msp->ms_condensing);
964         avl_remove(&msp->ms_size_tree, rs);
965 }
966
967 static void
968 metaslab_rt_vacate(range_tree_t *rt, void *arg)
969 {
970         metaslab_t *msp = arg;
971
972         ASSERT3P(rt->rt_arg, ==, msp);
973         ASSERT3P(msp->ms_tree, ==, rt);
974
975         /*
976          * Normally one would walk the tree freeing nodes along the way.
977          * Since the nodes are shared with the range trees we can avoid
978          * walking all nodes and just reinitialize the avl tree. The nodes
979          * will be freed by the range tree, so we don't want to free them here.
980          */
981         avl_create(&msp->ms_size_tree, metaslab_rangesize_compare,
982             sizeof (range_seg_t), offsetof(range_seg_t, rs_pp_node));
983 }
984
985 static range_tree_ops_t metaslab_rt_ops = {
986         metaslab_rt_create,
987         metaslab_rt_destroy,
988         metaslab_rt_add,
989         metaslab_rt_remove,
990         metaslab_rt_vacate
991 };
992
993 /*
994  * ==========================================================================
995  * Metaslab block operations
996  * ==========================================================================
997  */
998
999 /*
1000  * Return the maximum contiguous segment within the metaslab.
1001  */
1002 uint64_t
1003 metaslab_block_maxsize(metaslab_t *msp)
1004 {
1005         avl_tree_t *t = &msp->ms_size_tree;
1006         range_seg_t *rs;
1007
1008         if (t == NULL || (rs = avl_last(t)) == NULL)
1009                 return (0ULL);
1010
1011         return (rs->rs_end - rs->rs_start);
1012 }
1013
1014 uint64_t
1015 metaslab_block_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1016 {
1017         uint64_t start;
1018         range_tree_t *rt = msp->ms_tree;
1019
1020         VERIFY(!msp->ms_condensing);
1021
1022         start = msp->ms_ops->msop_alloc(msp, size);
1023         if (start != -1ULL) {
1024                 vdev_t *vd = msp->ms_group->mg_vd;
1025
1026                 VERIFY0(P2PHASE(start, 1ULL << vd->vdev_ashift));
1027                 VERIFY0(P2PHASE(size, 1ULL << vd->vdev_ashift));
1028                 VERIFY3U(range_tree_space(rt) - size, <=, msp->ms_size);
1029                 range_tree_remove(rt, start, size);
1030         }
1031         return (start);
1032 }
1033
1034 /*
1035  * ==========================================================================
1036  * Common allocator routines
1037  * ==========================================================================
1038  */
1039
1040 /*
1041  * This is a helper function that can be used by the allocator to find
1042  * a suitable block to allocate. This will search the specified AVL
1043  * tree looking for a block that matches the specified criteria.
1044  */
1045 static uint64_t
1046 metaslab_block_picker(avl_tree_t *t, uint64_t *cursor, uint64_t size,
1047     uint64_t align)
1048 {
1049         range_seg_t *rs, rsearch;
1050         avl_index_t where;
1051
1052         rsearch.rs_start = *cursor;
1053         rsearch.rs_end = *cursor + size;
1054
1055         rs = avl_find(t, &rsearch, &where);
1056         if (rs == NULL)
1057                 rs = avl_nearest(t, where, AVL_AFTER);
1058
1059         while (rs != NULL) {
1060                 uint64_t offset = P2ROUNDUP(rs->rs_start, align);
1061
1062                 if (offset + size <= rs->rs_end) {
1063                         *cursor = offset + size;
1064                         return (offset);
1065                 }
1066                 rs = AVL_NEXT(t, rs);
1067         }
1068
1069         /*
1070          * If we know we've searched the whole map (*cursor == 0), give up.
1071          * Otherwise, reset the cursor to the beginning and try again.
1072          */
1073         if (*cursor == 0)
1074                 return (-1ULL);
1075
1076         *cursor = 0;
1077         return (metaslab_block_picker(t, cursor, size, align));
1078 }
1079
1080 /*
1081  * ==========================================================================
1082  * The first-fit block allocator
1083  * ==========================================================================
1084  */
1085 static uint64_t
1086 metaslab_ff_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1087 {
1088         /*
1089          * Find the largest power of 2 block size that evenly divides the
1090          * requested size. This is used to try to allocate blocks with similar
1091          * alignment from the same area of the metaslab (i.e. same cursor
1092          * bucket) but it does not guarantee that other allocations sizes
1093          * may exist in the same region.
1094          */
1095         uint64_t align = size & -size;
1096         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[highbit64(align) - 1];
1097         avl_tree_t *t = &msp->ms_tree->rt_root;
1098
1099         return (metaslab_block_picker(t, cursor, size, align));
1100 }
1101
1102 static metaslab_ops_t metaslab_ff_ops = {
1103         metaslab_ff_alloc
1104 };
1105
1106 /*
1107  * ==========================================================================
1108  * Dynamic block allocator -
1109  * Uses the first fit allocation scheme until space get low and then
1110  * adjusts to a best fit allocation method. Uses metaslab_df_alloc_threshold
1111  * and metaslab_df_free_pct to determine when to switch the allocation scheme.
1112  * ==========================================================================
1113  */
1114 static uint64_t
1115 metaslab_df_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1116 {
1117         /*
1118          * Find the largest power of 2 block size that evenly divides the
1119          * requested size. This is used to try to allocate blocks with similar
1120          * alignment from the same area of the metaslab (i.e. same cursor
1121          * bucket) but it does not guarantee that other allocations sizes
1122          * may exist in the same region.
1123          */
1124         uint64_t align = size & -size;
1125         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[highbit64(align) - 1];
1126         range_tree_t *rt = msp->ms_tree;
1127         avl_tree_t *t = &rt->rt_root;
1128         uint64_t max_size = metaslab_block_maxsize(msp);
1129         int free_pct = range_tree_space(rt) * 100 / msp->ms_size;
1130
1131         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1132         ASSERT3U(avl_numnodes(t), ==, avl_numnodes(&msp->ms_size_tree));
1133
1134         if (max_size < size)
1135                 return (-1ULL);
1136
1137         /*
1138          * If we're running low on space switch to using the size
1139          * sorted AVL tree (best-fit).
1140          */
1141         if (max_size < metaslab_df_alloc_threshold ||
1142             free_pct < metaslab_df_free_pct) {
1143                 t = &msp->ms_size_tree;
1144                 *cursor = 0;
1145         }
1146
1147         return (metaslab_block_picker(t, cursor, size, 1ULL));
1148 }
1149
1150 static metaslab_ops_t metaslab_df_ops = {
1151         metaslab_df_alloc
1152 };
1153
1154 /*
1155  * ==========================================================================
1156  * Cursor fit block allocator -
1157  * Select the largest region in the metaslab, set the cursor to the beginning
1158  * of the range and the cursor_end to the end of the range. As allocations
1159  * are made advance the cursor. Continue allocating from the cursor until
1160  * the range is exhausted and then find a new range.
1161  * ==========================================================================
1162  */
1163 static uint64_t
1164 metaslab_cf_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1165 {
1166         range_tree_t *rt = msp->ms_tree;
1167         avl_tree_t *t = &msp->ms_size_tree;
1168         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[0];
1169         uint64_t *cursor_end = &msp->ms_lbas[1];
1170         uint64_t offset = 0;
1171
1172         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1173         ASSERT3U(avl_numnodes(t), ==, avl_numnodes(&rt->rt_root));
1174
1175         ASSERT3U(*cursor_end, >=, *cursor);
1176
1177         if ((*cursor + size) > *cursor_end) {
1178                 range_seg_t *rs;
1179
1180                 rs = avl_last(&msp->ms_size_tree);
1181                 if (rs == NULL || (rs->rs_end - rs->rs_start) < size)
1182                         return (-1ULL);
1183
1184                 *cursor = rs->rs_start;
1185                 *cursor_end = rs->rs_end;
1186         }
1187
1188         offset = *cursor;
1189         *cursor += size;
1190
1191         return (offset);
1192 }
1193
1194 static metaslab_ops_t metaslab_cf_ops = {
1195         metaslab_cf_alloc
1196 };
1197
1198 /*
1199  * ==========================================================================
1200  * New dynamic fit allocator -
1201  * Select a region that is large enough to allocate 2^metaslab_ndf_clump_shift
1202  * contiguous blocks. If no region is found then just use the largest segment
1203  * that remains.
1204  * ==========================================================================
1205  */
1206
1207 /*
1208  * Determines desired number of contiguous blocks (2^metaslab_ndf_clump_shift)
1209  * to request from the allocator.
1210  */
1211 uint64_t metaslab_ndf_clump_shift = 4;
1212
1213 static uint64_t
1214 metaslab_ndf_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1215 {
1216         avl_tree_t *t = &msp->ms_tree->rt_root;
1217         avl_index_t where;
1218         range_seg_t *rs, rsearch;
1219         uint64_t hbit = highbit64(size);
1220         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[hbit - 1];
1221         uint64_t max_size = metaslab_block_maxsize(msp);
1222
1223         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1224         ASSERT3U(avl_numnodes(t), ==, avl_numnodes(&msp->ms_size_tree));
1225
1226         if (max_size < size)
1227                 return (-1ULL);
1228
1229         rsearch.rs_start = *cursor;
1230         rsearch.rs_end = *cursor + size;
1231
1232         rs = avl_find(t, &rsearch, &where);
1233         if (rs == NULL || (rs->rs_end - rs->rs_start) < size) {
1234                 t = &msp->ms_size_tree;
1235
1236                 rsearch.rs_start = 0;
1237                 rsearch.rs_end = MIN(max_size,
1238                     1ULL << (hbit + metaslab_ndf_clump_shift));
1239                 rs = avl_find(t, &rsearch, &where);
1240                 if (rs == NULL)
1241                         rs = avl_nearest(t, where, AVL_AFTER);
1242                 ASSERT(rs != NULL);
1243         }
1244
1245         if ((rs->rs_end - rs->rs_start) >= size) {
1246                 *cursor = rs->rs_start + size;
1247                 return (rs->rs_start);
1248         }
1249         return (-1ULL);
1250 }
1251
1252 static metaslab_ops_t metaslab_ndf_ops = {
1253         metaslab_ndf_alloc
1254 };
1255
1256 metaslab_ops_t *zfs_metaslab_ops = &metaslab_df_ops;
1257
1258 /*
1259  * ==========================================================================
1260  * Metaslabs
1261  * ==========================================================================
1262  */
1263
1264 /*
1265  * Wait for any in-progress metaslab loads to complete.
1266  */
1267 void
1268 metaslab_load_wait(metaslab_t *msp)
1269 {
1270         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1271
1272         while (msp->ms_loading) {
1273                 ASSERT(!msp->ms_loaded);
1274                 cv_wait(&msp->ms_load_cv, &msp->ms_lock);
1275         }
1276 }
1277
1278 int
1279 metaslab_load(metaslab_t *msp)
1280 {
1281         int error = 0;
1282
1283         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1284         ASSERT(!msp->ms_loaded);
1285         ASSERT(!msp->ms_loading);
1286
1287         msp->ms_loading = B_TRUE;
1288
1289         /*
1290          * If the space map has not been allocated yet, then treat
1291          * all the space in the metaslab as free and add it to the
1292          * ms_tree.
1293          */
1294         if (msp->ms_sm != NULL)
1295                 error = space_map_load(msp->ms_sm, msp->ms_tree, SM_FREE);
1296         else
1297                 range_tree_add(msp->ms_tree, msp->ms_start, msp->ms_size);
1298
1299         msp->ms_loaded = (error == 0);
1300         msp->ms_loading = B_FALSE;
1301
1302         if (msp->ms_loaded) {
1303                 for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
1304                         range_tree_walk(msp->ms_defertree[t],
1305                             range_tree_remove, msp->ms_tree);
1306                 }
1307         }
1308         cv_broadcast(&msp->ms_load_cv);
1309         return (error);
1310 }
1311
1312 void
1313 metaslab_unload(metaslab_t *msp)
1314 {
1315         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1316         range_tree_vacate(msp->ms_tree, NULL, NULL);
1317         msp->ms_loaded = B_FALSE;
1318         msp->ms_weight &= ~METASLAB_ACTIVE_MASK;
1319 }
1320
1321 metaslab_t *
1322 metaslab_init(metaslab_group_t *mg, uint64_t id, uint64_t object, uint64_t txg)
1323 {
1324         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
1325         objset_t *mos = vd->vdev_spa->spa_meta_objset;
1326         metaslab_t *msp;
1327
1328         msp = kmem_zalloc(sizeof (metaslab_t), KM_SLEEP);
1329         mutex_init(&msp->ms_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
1330         cv_init(&msp->ms_load_cv, NULL, CV_DEFAULT, NULL);
1331         msp->ms_id = id;
1332         msp->ms_start = id << vd->vdev_ms_shift;
1333         msp->ms_size = 1ULL << vd->vdev_ms_shift;
1334
1335         /*
1336          * We only open space map objects that already exist. All others
1337          * will be opened when we finally allocate an object for it.
1338          */
1339         if (object != 0) {
1340                 VERIFY0(space_map_open(&msp->ms_sm, mos, object, msp->ms_start,
1341                     msp->ms_size, vd->vdev_ashift, &msp->ms_lock));
1342                 ASSERT(msp->ms_sm != NULL);
1343         }
1344
1345         /*
1346          * We create the main range tree here, but we don't create the
1347          * alloctree and freetree until metaslab_sync_done().  This serves
1348          * two purposes: it allows metaslab_sync_done() to detect the
1349          * addition of new space; and for debugging, it ensures that we'd
1350          * data fault on any attempt to use this metaslab before it's ready.
1351          */
1352         msp->ms_tree = range_tree_create(&metaslab_rt_ops, msp, &msp->ms_lock);
1353         metaslab_group_add(mg, msp);
1354
1355         msp->ms_fragmentation = metaslab_fragmentation(msp);
1356         msp->ms_ops = mg->mg_class->mc_ops;
1357
1358         /*
1359          * If we're opening an existing pool (txg == 0) or creating
1360          * a new one (txg == TXG_INITIAL), all space is available now.
1361          * If we're adding space to an existing pool, the new space
1362          * does not become available until after this txg has synced.
1363          */
1364         if (txg <= TXG_INITIAL)
1365                 metaslab_sync_done(msp, 0);
1366
1367         /*
1368          * If metaslab_debug_load is set and we're initializing a metaslab
1369          * that has an allocated space_map object then load the its space
1370          * map so that can verify frees.
1371          */
1372         if (metaslab_debug_load && msp->ms_sm != NULL) {
1373                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
1374                 VERIFY0(metaslab_load(msp));
1375                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
1376         }
1377
1378         if (txg != 0) {
1379                 vdev_dirty(vd, 0, NULL, txg);
1380                 vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
1381         }
1382
1383         return (msp);
1384 }
1385
1386 void
1387 metaslab_fini(metaslab_t *msp)
1388 {
1389         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
1390
1391         metaslab_group_remove(mg, msp);
1392
1393         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1394
1395         VERIFY(msp->ms_group == NULL);
1396         vdev_space_update(mg->mg_vd, -space_map_allocated(msp->ms_sm),
1397             0, -msp->ms_size);
1398         space_map_close(msp->ms_sm);
1399
1400         metaslab_unload(msp);
1401         range_tree_destroy(msp->ms_tree);
1402
1403         for (int t = 0; t < TXG_SIZE; t++) {
1404                 range_tree_destroy(msp->ms_alloctree[t]);
1405                 range_tree_destroy(msp->ms_freetree[t]);
1406         }
1407
1408         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
1409                 range_tree_destroy(msp->ms_defertree[t]);
1410         }
1411
1412         ASSERT0(msp->ms_deferspace);
1413
1414         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1415         cv_destroy(&msp->ms_load_cv);
1416         mutex_destroy(&msp->ms_lock);
1417
1418         kmem_free(msp, sizeof (metaslab_t));
1419 }
1420
1421 #define FRAGMENTATION_TABLE_SIZE        17
1422
1423 /*
1424  * This table defines a segment size based fragmentation metric that will
1425  * allow each metaslab to derive its own fragmentation value. This is done
1426  * by calculating the space in each bucket of the spacemap histogram and
1427  * multiplying that by the fragmetation metric in this table. Doing
1428  * this for all buckets and dividing it by the total amount of free
1429  * space in this metaslab (i.e. the total free space in all buckets) gives
1430  * us the fragmentation metric. This means that a high fragmentation metric
1431  * equates to most of the free space being comprised of small segments.
1432  * Conversely, if the metric is low, then most of the free space is in
1433  * large segments. A 10% change in fragmentation equates to approximately
1434  * double the number of segments.
1435  *
1436  * This table defines 0% fragmented space using 16MB segments. Testing has
1437  * shown that segments that are greater than or equal to 16MB do not suffer
1438  * from drastic performance problems. Using this value, we derive the rest
1439  * of the table. Since the fragmentation value is never stored on disk, it
1440  * is possible to change these calculations in the future.
1441  */
1442 int zfs_frag_table[FRAGMENTATION_TABLE_SIZE] = {
1443         100,    /* 512B */
1444         100,    /* 1K   */
1445         98,     /* 2K   */
1446         95,     /* 4K   */
1447         90,     /* 8K   */
1448         80,     /* 16K  */
1449         70,     /* 32K  */
1450         60,     /* 64K  */
1451         50,     /* 128K */
1452         40,     /* 256K */
1453         30,     /* 512K */
1454         20,     /* 1M   */
1455         15,     /* 2M   */
1456         10,     /* 4M   */
1457         5,      /* 8M   */
1458         0       /* 16M  */
1459 };
1460
1461 /*
1462  * Calclate the metaslab's fragmentation metric. A return value
1463  * of ZFS_FRAG_INVALID means that the metaslab has not been upgraded and does
1464  * not support this metric. Otherwise, the return value should be in the
1465  * range [0, 100].
1466  */
1467 static uint64_t
1468 metaslab_fragmentation(metaslab_t *msp)
1469 {
1470         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
1471         uint64_t fragmentation = 0;
1472         uint64_t total = 0;
1473         boolean_t feature_enabled = spa_feature_is_enabled(spa,
1474             SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM);
1475
1476         if (!feature_enabled)
1477                 return (ZFS_FRAG_INVALID);
1478
1479         /*
1480          * A null space map means that the entire metaslab is free
1481          * and thus is not fragmented.
1482          */
1483         if (msp->ms_sm == NULL)
1484                 return (0);
1485
1486         /*
1487          * If this metaslab's space_map has not been upgraded, flag it
1488          * so that we upgrade next time we encounter it.
1489          */
1490         if (msp->ms_sm->sm_dbuf->db_size != sizeof (space_map_phys_t)) {
1491                 uint64_t txg = spa_syncing_txg(spa);
1492                 vdev_t *vd = msp->ms_group->mg_vd;
1493
1494                 if (spa_writeable(spa)) {
1495                         msp->ms_condense_wanted = B_TRUE;
1496                         vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg + 1);
1497                         spa_dbgmsg(spa, "txg %llu, requesting force condense: "
1498                             "msp %p, vd %p", txg, msp, vd);
1499                 }
1500                 return (ZFS_FRAG_INVALID);
1501         }
1502
1503         for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
1504                 uint64_t space = 0;
1505                 uint8_t shift = msp->ms_sm->sm_shift;
1506                 int idx = MIN(shift - SPA_MINBLOCKSHIFT + i,
1507                     FRAGMENTATION_TABLE_SIZE - 1);
1508
1509                 if (msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i] == 0)
1510                         continue;
1511
1512                 space = msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i] << (i + shift);
1513                 total += space;
1514
1515                 ASSERT3U(idx, <, FRAGMENTATION_TABLE_SIZE);
1516                 fragmentation += space * zfs_frag_table[idx];
1517         }
1518
1519         if (total > 0)
1520                 fragmentation /= total;
1521         ASSERT3U(fragmentation, <=, 100);
1522         return (fragmentation);
1523 }
1524
1525 /*
1526  * Compute a weight -- a selection preference value -- for the given metaslab.
1527  * This is based on the amount of free space, the level of fragmentation,
1528  * the LBA range, and whether the metaslab is loaded.
1529  */
1530 static uint64_t
1531 metaslab_weight(metaslab_t *msp)
1532 {
1533         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
1534         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
1535         uint64_t weight, space;
1536
1537         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1538
1539         /*
1540          * This vdev is in the process of being removed so there is nothing
1541          * for us to do here.
1542          */
1543         if (vd->vdev_removing) {
1544                 ASSERT0(space_map_allocated(msp->ms_sm));
1545                 ASSERT0(vd->vdev_ms_shift);
1546                 return (0);
1547         }
1548
1549         /*
1550          * The baseline weight is the metaslab's free space.
1551          */
1552         space = msp->ms_size - space_map_allocated(msp->ms_sm);
1553
1554         msp->ms_fragmentation = metaslab_fragmentation(msp);
1555         if (metaslab_fragmentation_factor_enabled &&
1556             msp->ms_fragmentation != ZFS_FRAG_INVALID) {
1557                 /*
1558                  * Use the fragmentation information to inversely scale
1559                  * down the baseline weight. We need to ensure that we
1560                  * don't exclude this metaslab completely when it's 100%
1561                  * fragmented. To avoid this we reduce the fragmented value
1562                  * by 1.
1563                  */
1564                 space = (space * (100 - (msp->ms_fragmentation - 1))) / 100;
1565
1566                 /*
1567                  * If space < SPA_MINBLOCKSIZE, then we will not allocate from
1568                  * this metaslab again. The fragmentation metric may have
1569                  * decreased the space to something smaller than
1570                  * SPA_MINBLOCKSIZE, so reset the space to SPA_MINBLOCKSIZE
1571                  * so that we can consume any remaining space.
1572                  */
1573                 if (space > 0 && space < SPA_MINBLOCKSIZE)
1574                         space = SPA_MINBLOCKSIZE;
1575         }
1576         weight = space;
1577
1578         /*
1579          * Modern disks have uniform bit density and constant angular velocity.
1580          * Therefore, the outer recording zones are faster (higher bandwidth)
1581          * than the inner zones by the ratio of outer to inner track diameter,
1582          * which is typically around 2:1.  We account for this by assigning
1583          * higher weight to lower metaslabs (multiplier ranging from 2x to 1x).
1584          * In effect, this means that we'll select the metaslab with the most
1585          * free bandwidth rather than simply the one with the most free space.
1586          */
1587         if (metaslab_lba_weighting_enabled) {
1588                 weight = 2 * weight - (msp->ms_id * weight) / vd->vdev_ms_count;
1589                 ASSERT(weight >= space && weight <= 2 * space);
1590         }
1591
1592         /*
1593          * If this metaslab is one we're actively using, adjust its
1594          * weight to make it preferable to any inactive metaslab so
1595          * we'll polish it off. If the fragmentation on this metaslab
1596          * has exceed our threshold, then don't mark it active.
1597          */
1598         if (msp->ms_loaded && msp->ms_fragmentation != ZFS_FRAG_INVALID &&
1599             msp->ms_fragmentation <= zfs_metaslab_fragmentation_threshold) {
1600                 weight |= (msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
1601         }
1602
1603         return (weight);
1604 }
1605
1606 static int
1607 metaslab_activate(metaslab_t *msp, uint64_t activation_weight)
1608 {
1609         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1610
1611         if ((msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) == 0) {
1612                 metaslab_load_wait(msp);
1613                 if (!msp->ms_loaded) {
1614                         int error = metaslab_load(msp);
1615                         if (error) {
1616                                 metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp, 0);
1617                                 return (error);
1618                         }
1619                 }
1620
1621                 metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp,
1622                     msp->ms_weight | activation_weight);
1623         }
1624         ASSERT(msp->ms_loaded);
1625         ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
1626
1627         return (0);
1628 }
1629
1630 static void
1631 metaslab_passivate(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1632 {
1633         /*
1634          * If size < SPA_MINBLOCKSIZE, then we will not allocate from
1635          * this metaslab again.  In that case, it had better be empty,
1636          * or we would be leaving space on the table.
1637          */
1638         ASSERT(size >= SPA_MINBLOCKSIZE || range_tree_space(msp->ms_tree) == 0);
1639         metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp, MIN(msp->ms_weight, size));
1640         ASSERT((msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) == 0);
1641 }
1642
1643 static void
1644 metaslab_preload(void *arg)
1645 {
1646         metaslab_t *msp = arg;
1647         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
1648
1649         ASSERT(!MUTEX_HELD(&msp->ms_group->mg_lock));
1650
1651         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1652         metaslab_load_wait(msp);
1653         if (!msp->ms_loaded)
1654                 (void) metaslab_load(msp);
1655
1656         /*
1657          * Set the ms_access_txg value so that we don't unload it right away.
1658          */
1659         msp->ms_access_txg = spa_syncing_txg(spa) + metaslab_unload_delay + 1;
1660         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1661 }
1662
1663 static void
1664 metaslab_group_preload(metaslab_group_t *mg)
1665 {
1666         spa_t *spa = mg->mg_vd->vdev_spa;
1667         metaslab_t *msp;
1668         avl_tree_t *t = &mg->mg_metaslab_tree;
1669         int m = 0;
1670
1671         if (spa_shutting_down(spa) || !metaslab_preload_enabled) {
1672                 taskq_wait(mg->mg_taskq);
1673                 return;
1674         }
1675
1676         mutex_enter(&mg->mg_lock);
1677         /*
1678          * Load the next potential metaslabs
1679          */
1680         msp = avl_first(t);
1681         while (msp != NULL) {
1682                 metaslab_t *msp_next = AVL_NEXT(t, msp);
1683
1684                 /*
1685                  * We preload only the maximum number of metaslabs specified
1686                  * by metaslab_preload_limit. If a metaslab is being forced
1687                  * to condense then we preload it too. This will ensure
1688                  * that force condensing happens in the next txg.
1689                  */
1690                 if (++m > metaslab_preload_limit && !msp->ms_condense_wanted) {
1691                         msp = msp_next;
1692                         continue;
1693                 }
1694
1695                 /*
1696                  * We must drop the metaslab group lock here to preserve
1697                  * lock ordering with the ms_lock (when grabbing both
1698                  * the mg_lock and the ms_lock, the ms_lock must be taken
1699                  * first).  As a result, it is possible that the ordering
1700                  * of the metaslabs within the avl tree may change before
1701                  * we reacquire the lock. The metaslab cannot be removed from
1702                  * the tree while we're in syncing context so it is safe to
1703                  * drop the mg_lock here. If the metaslabs are reordered
1704                  * nothing will break -- we just may end up loading a
1705                  * less than optimal one.
1706                  */
1707                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
1708                 VERIFY(taskq_dispatch(mg->mg_taskq, metaslab_preload,
1709                     msp, TQ_SLEEP) != 0);
1710                 mutex_enter(&mg->mg_lock);
1711                 msp = msp_next;
1712         }
1713         mutex_exit(&mg->mg_lock);
1714 }
1715
1716 /*
1717  * Determine if the space map's on-disk footprint is past our tolerance
1718  * for inefficiency. We would like to use the following criteria to make
1719  * our decision:
1720  *
1721  * 1. The size of the space map object should not dramatically increase as a
1722  * result of writing out the free space range tree.
1723  *
1724  * 2. The minimal on-disk space map representation is zfs_condense_pct/100
1725  * times the size than the free space range tree representation
1726  * (i.e. zfs_condense_pct = 110 and in-core = 1MB, minimal = 1.1.MB).
1727  *
1728  * 3. The on-disk size of the space map should actually decrease.
1729  *
1730  * Checking the first condition is tricky since we don't want to walk
1731  * the entire AVL tree calculating the estimated on-disk size. Instead we
1732  * use the size-ordered range tree in the metaslab and calculate the
1733  * size required to write out the largest segment in our free tree. If the
1734  * size required to represent that segment on disk is larger than the space
1735  * map object then we avoid condensing this map.
1736  *
1737  * To determine the second criterion we use a best-case estimate and assume
1738  * each segment can be represented on-disk as a single 64-bit entry. We refer
1739  * to this best-case estimate as the space map's minimal form.
1740  *
1741  * Unfortunately, we cannot compute the on-disk size of the space map in this
1742  * context because we cannot accurately compute the effects of compression, etc.
1743  * Instead, we apply the heuristic described in the block comment for
1744  * zfs_metaslab_condense_block_threshold - we only condense if the space used
1745  * is greater than a threshold number of blocks.
1746  */
1747 static boolean_t
1748 metaslab_should_condense(metaslab_t *msp)
1749 {
1750         space_map_t *sm = msp->ms_sm;
1751         range_seg_t *rs;
1752         uint64_t size, entries, segsz, object_size, optimal_size, record_size;
1753         dmu_object_info_t doi;
1754         uint64_t vdev_blocksize = 1 << msp->ms_group->mg_vd->vdev_ashift;
1755
1756         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1757         ASSERT(msp->ms_loaded);
1758
1759         /*
1760          * Use the ms_size_tree range tree, which is ordered by size, to
1761          * obtain the largest segment in the free tree. We always condense
1762          * metaslabs that are empty and metaslabs for which a condense
1763          * request has been made.
1764          */
1765         rs = avl_last(&msp->ms_size_tree);
1766         if (rs == NULL || msp->ms_condense_wanted)
1767                 return (B_TRUE);
1768
1769         /*
1770          * Calculate the number of 64-bit entries this segment would
1771          * require when written to disk. If this single segment would be
1772          * larger on-disk than the entire current on-disk structure, then
1773          * clearly condensing will increase the on-disk structure size.
1774          */
1775         size = (rs->rs_end - rs->rs_start) >> sm->sm_shift;
1776         entries = size / (MIN(size, SM_RUN_MAX));
1777         segsz = entries * sizeof (uint64_t);
1778
1779         optimal_size = sizeof (uint64_t) * avl_numnodes(&msp->ms_tree->rt_root);
1780         object_size = space_map_length(msp->ms_sm);
1781
1782         dmu_object_info_from_db(sm->sm_dbuf, &doi);
1783         record_size = MAX(doi.doi_data_block_size, vdev_blocksize);
1784
1785         return (segsz <= object_size &&
1786             object_size >= (optimal_size * zfs_condense_pct / 100) &&
1787             object_size > zfs_metaslab_condense_block_threshold * record_size);
1788 }
1789
1790 /*
1791  * Condense the on-disk space map representation to its minimized form.
1792  * The minimized form consists of a small number of allocations followed by
1793  * the entries of the free range tree.
1794  */
1795 static void
1796 metaslab_condense(metaslab_t *msp, uint64_t txg, dmu_tx_t *tx)
1797 {
1798         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
1799         range_tree_t *freetree = msp->ms_freetree[txg & TXG_MASK];
1800         range_tree_t *condense_tree;
1801         space_map_t *sm = msp->ms_sm;
1802
1803         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1804         ASSERT3U(spa_sync_pass(spa), ==, 1);
1805         ASSERT(msp->ms_loaded);
1806
1807
1808         spa_dbgmsg(spa, "condensing: txg %llu, msp[%llu] %p, "
1809             "smp size %llu, segments %lu, forcing condense=%s", txg,
1810             msp->ms_id, msp, space_map_length(msp->ms_sm),
1811             avl_numnodes(&msp->ms_tree->rt_root),
1812             msp->ms_condense_wanted ? "TRUE" : "FALSE");
1813
1814         msp->ms_condense_wanted = B_FALSE;
1815
1816         /*
1817          * Create an range tree that is 100% allocated. We remove segments
1818          * that have been freed in this txg, any deferred frees that exist,
1819          * and any allocation in the future. Removing segments should be
1820          * a relatively inexpensive operation since we expect these trees to
1821          * have a small number of nodes.
1822          */
1823         condense_tree = range_tree_create(NULL, NULL, &msp->ms_lock);
1824         range_tree_add(condense_tree, msp->ms_start, msp->ms_size);
1825
1826         /*
1827          * Remove what's been freed in this txg from the condense_tree.
1828          * Since we're in sync_pass 1, we know that all the frees from
1829          * this txg are in the freetree.
1830          */
1831         range_tree_walk(freetree, range_tree_remove, condense_tree);
1832
1833         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
1834                 range_tree_walk(msp->ms_defertree[t],
1835                     range_tree_remove, condense_tree);
1836         }
1837
1838         for (int t = 1; t < TXG_CONCURRENT_STATES; t++) {
1839                 range_tree_walk(msp->ms_alloctree[(txg + t) & TXG_MASK],
1840                     range_tree_remove, condense_tree);
1841         }
1842
1843         /*
1844          * We're about to drop the metaslab's lock thus allowing
1845          * other consumers to change it's content. Set the
1846          * metaslab's ms_condensing flag to ensure that
1847          * allocations on this metaslab do not occur while we're
1848          * in the middle of committing it to disk. This is only critical
1849          * for the ms_tree as all other range trees use per txg
1850          * views of their content.
1851          */
1852         msp->ms_condensing = B_TRUE;
1853
1854         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1855         space_map_truncate(sm, tx);
1856         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1857
1858         /*
1859          * While we would ideally like to create a space_map representation
1860          * that consists only of allocation records, doing so can be
1861          * prohibitively expensive because the in-core free tree can be
1862          * large, and therefore computationally expensive to subtract
1863          * from the condense_tree. Instead we sync out two trees, a cheap
1864          * allocation only tree followed by the in-core free tree. While not
1865          * optimal, this is typically close to optimal, and much cheaper to
1866          * compute.
1867          */
1868         space_map_write(sm, condense_tree, SM_ALLOC, tx);
1869         range_tree_vacate(condense_tree, NULL, NULL);
1870         range_tree_destroy(condense_tree);
1871
1872         space_map_write(sm, msp->ms_tree, SM_FREE, tx);
1873         msp->ms_condensing = B_FALSE;
1874 }
1875
1876 /*
1877  * Write a metaslab to disk in the context of the specified transaction group.
1878  */
1879 void
1880 metaslab_sync(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
1881 {
1882         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
1883         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
1884         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
1885         objset_t *mos = spa_meta_objset(spa);
1886         range_tree_t *alloctree = msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK];
1887         range_tree_t **freetree = &msp->ms_freetree[txg & TXG_MASK];
1888         range_tree_t **freed_tree =
1889             &msp->ms_freetree[TXG_CLEAN(txg) & TXG_MASK];
1890         dmu_tx_t *tx;
1891         uint64_t object = space_map_object(msp->ms_sm);
1892
1893         ASSERT(!vd->vdev_ishole);
1894
1895         /*
1896          * This metaslab has just been added so there's no work to do now.
1897          */
1898         if (*freetree == NULL) {
1899                 ASSERT3P(alloctree, ==, NULL);
1900                 return;
1901         }
1902
1903         ASSERT3P(alloctree, !=, NULL);
1904         ASSERT3P(*freetree, !=, NULL);
1905         ASSERT3P(*freed_tree, !=, NULL);
1906
1907         /*
1908          * Normally, we don't want to process a metaslab if there
1909          * are no allocations or frees to perform. However, if the metaslab
1910          * is being forced to condense we need to let it through.
1911          */
1912         if (range_tree_space(alloctree) == 0 &&
1913             range_tree_space(*freetree) == 0 &&
1914             !msp->ms_condense_wanted)
1915                 return;
1916
1917         /*
1918          * The only state that can actually be changing concurrently with
1919          * metaslab_sync() is the metaslab's ms_tree.  No other thread can
1920          * be modifying this txg's alloctree, freetree, freed_tree, or
1921          * space_map_phys_t. Therefore, we only hold ms_lock to satify
1922          * space_map ASSERTs. We drop it whenever we call into the DMU,
1923          * because the DMU can call down to us (e.g. via zio_free()) at
1924          * any time.
1925          */
1926
1927         tx = dmu_tx_create_assigned(spa_get_dsl(spa), txg);
1928
1929         if (msp->ms_sm == NULL) {
1930                 uint64_t new_object;
1931
1932                 new_object = space_map_alloc(mos, tx);
1933                 VERIFY3U(new_object, !=, 0);
1934
1935                 VERIFY0(space_map_open(&msp->ms_sm, mos, new_object,
1936                     msp->ms_start, msp->ms_size, vd->vdev_ashift,
1937                     &msp->ms_lock));
1938                 ASSERT(msp->ms_sm != NULL);
1939         }
1940
1941         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1942
1943         /*
1944          * Note: metaslab_condense() clears the space_map's histogram.
1945          * Therefore we must verify and remove this histogram before
1946          * condensing.
1947          */
1948         metaslab_group_histogram_verify(mg);
1949         metaslab_class_histogram_verify(mg->mg_class);
1950         metaslab_group_histogram_remove(mg, msp);
1951
1952         if (msp->ms_loaded && spa_sync_pass(spa) == 1 &&
1953             metaslab_should_condense(msp)) {
1954                 metaslab_condense(msp, txg, tx);
1955         } else {
1956                 space_map_write(msp->ms_sm, alloctree, SM_ALLOC, tx);
1957                 space_map_write(msp->ms_sm, *freetree, SM_FREE, tx);
1958         }
1959
1960         if (msp->ms_loaded) {
1961                 /*
1962                  * When the space map is loaded, we have an accruate
1963                  * histogram in the range tree. This gives us an opportunity
1964                  * to bring the space map's histogram up-to-date so we clear
1965                  * it first before updating it.
1966                  */
1967                 space_map_histogram_clear(msp->ms_sm);
1968                 space_map_histogram_add(msp->ms_sm, msp->ms_tree, tx);
1969         } else {
1970                 /*
1971                  * Since the space map is not loaded we simply update the
1972                  * exisiting histogram with what was freed in this txg. This
1973                  * means that the on-disk histogram may not have an accurate
1974                  * view of the free space but it's close enough to allow
1975                  * us to make allocation decisions.
1976                  */
1977                 space_map_histogram_add(msp->ms_sm, *freetree, tx);
1978         }
1979         metaslab_group_histogram_add(mg, msp);
1980         metaslab_group_histogram_verify(mg);
1981         metaslab_class_histogram_verify(mg->mg_class);
1982
1983         /*
1984          * For sync pass 1, we avoid traversing this txg's free range tree
1985          * and instead will just swap the pointers for freetree and
1986          * freed_tree. We can safely do this since the freed_tree is
1987          * guaranteed to be empty on the initial pass.
1988          */
1989         if (spa_sync_pass(spa) == 1) {
1990                 range_tree_swap(freetree, freed_tree);
1991         } else {
1992                 range_tree_vacate(*freetree, range_tree_add, *freed_tree);
1993         }
1994         range_tree_vacate(alloctree, NULL, NULL);
1995
1996         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK]));
1997         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freetree[txg & TXG_MASK]));
1998
1999         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2000
2001         if (object != space_map_object(msp->ms_sm)) {
2002                 object = space_map_object(msp->ms_sm);
2003                 dmu_write(mos, vd->vdev_ms_array, sizeof (uint64_t) *
2004                     msp->ms_id, sizeof (uint64_t), &object, tx);
2005         }
2006         dmu_tx_commit(tx);
2007 }
2008
2009 /*
2010  * Called after a transaction group has completely synced to mark
2011  * all of the metaslab's free space as usable.
2012  */
2013 void
2014 metaslab_sync_done(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
2015 {
2016         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
2017         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
2018         range_tree_t **freed_tree;
2019         range_tree_t **defer_tree;
2020         int64_t alloc_delta, defer_delta;
2021
2022         ASSERT(!vd->vdev_ishole);
2023
2024         mutex_enter(&msp->ms_lock);
2025
2026         /*
2027          * If this metaslab is just becoming available, initialize its
2028          * alloctrees, freetrees, and defertree and add its capacity to
2029          * the vdev.
2030          */
2031         if (msp->ms_freetree[TXG_CLEAN(txg) & TXG_MASK] == NULL) {
2032                 for (int t = 0; t < TXG_SIZE; t++) {
2033                         ASSERT(msp->ms_alloctree[t] == NULL);
2034                         ASSERT(msp->ms_freetree[t] == NULL);
2035
2036                         msp->ms_alloctree[t] = range_tree_create(NULL, msp,
2037                             &msp->ms_lock);
2038                         msp->ms_freetree[t] = range_tree_create(NULL, msp,
2039                             &msp->ms_lock);
2040                 }
2041
2042                 for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
2043                         ASSERT(msp->ms_defertree[t] == NULL);
2044
2045                         msp->ms_defertree[t] = range_tree_create(NULL, msp,
2046                             &msp->ms_lock);
2047                 }
2048
2049                 vdev_space_update(vd, 0, 0, msp->ms_size);
2050         }
2051
2052         freed_tree = &msp->ms_freetree[TXG_CLEAN(txg) & TXG_MASK];
2053         defer_tree = &msp->ms_defertree[txg % TXG_DEFER_SIZE];
2054
2055         alloc_delta = space_map_alloc_delta(msp->ms_sm);
2056         defer_delta = range_tree_space(*freed_tree) -
2057             range_tree_space(*defer_tree);
2058
2059         vdev_space_update(vd, alloc_delta + defer_delta, defer_delta, 0);
2060
2061         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK]));
2062         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freetree[txg & TXG_MASK]));
2063
2064         /*
2065          * If there's a metaslab_load() in progress, wait for it to complete
2066          * so that we have a consistent view of the in-core space map.
2067          */
2068         metaslab_load_wait(msp);
2069
2070         /*
2071          * Move the frees from the defer_tree back to the free
2072          * range tree (if it's loaded). Swap the freed_tree and the
2073          * defer_tree -- this is safe to do because we've just emptied out
2074          * the defer_tree.
2075          */
2076         range_tree_vacate(*defer_tree,
2077             msp->ms_loaded ? range_tree_add : NULL, msp->ms_tree);
2078         range_tree_swap(freed_tree, defer_tree);
2079
2080         space_map_update(msp->ms_sm);
2081
2082         msp->ms_deferspace += defer_delta;
2083         ASSERT3S(msp->ms_deferspace, >=, 0);
2084         ASSERT3S(msp->ms_deferspace, <=, msp->ms_size);
2085         if (msp->ms_deferspace != 0) {
2086                 /*
2087                  * Keep syncing this metaslab until all deferred frees
2088                  * are back in circulation.
2089                  */
2090                 vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg + 1);
2091         }
2092
2093         if (msp->ms_loaded && msp->ms_access_txg < txg) {
2094                 for (int t = 1; t < TXG_CONCURRENT_STATES; t++) {
2095                         VERIFY0(range_tree_space(
2096                             msp->ms_alloctree[(txg + t) & TXG_MASK]));
2097                 }
2098
2099                 if (!metaslab_debug_unload)
2100                         metaslab_unload(msp);
2101         }
2102
2103         metaslab_group_sort(mg, msp, metaslab_weight(msp));
2104         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2105 }
2106
2107 void
2108 metaslab_sync_reassess(metaslab_group_t *mg)
2109 {
2110         metaslab_group_alloc_update(mg);
2111         mg->mg_fragmentation = metaslab_group_fragmentation(mg);
2112
2113         /*
2114          * Preload the next potential metaslabs
2115          */
2116         metaslab_group_preload(mg);
2117 }
2118
2119 static uint64_t
2120 metaslab_distance(metaslab_t *msp, dva_t *dva)
2121 {
2122         uint64_t ms_shift = msp->ms_group->mg_vd->vdev_ms_shift;
2123         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva) >> ms_shift;
2124         uint64_t start = msp->ms_id;
2125
2126         if (msp->ms_group->mg_vd->vdev_id != DVA_GET_VDEV(dva))
2127                 return (1ULL << 63);
2128
2129         if (offset < start)
2130                 return ((start - offset) << ms_shift);
2131         if (offset > start)
2132                 return ((offset - start) << ms_shift);
2133         return (0);
2134 }
2135
2136 static uint64_t
2137 metaslab_group_alloc(metaslab_group_t *mg, uint64_t psize, uint64_t asize,
2138     uint64_t txg, uint64_t min_distance, dva_t *dva, int d)
2139 {
2140         spa_t *spa = mg->mg_vd->vdev_spa;
2141         metaslab_t *msp = NULL;
2142         uint64_t offset = -1ULL;
2143         avl_tree_t *t = &mg->mg_metaslab_tree;
2144         uint64_t activation_weight;
2145         uint64_t target_distance;
2146         int i;
2147
2148         activation_weight = METASLAB_WEIGHT_PRIMARY;
2149         for (i = 0; i < d; i++) {
2150                 if (DVA_GET_VDEV(&dva[i]) == mg->mg_vd->vdev_id) {
2151                         activation_weight = METASLAB_WEIGHT_SECONDARY;
2152                         break;
2153                 }
2154         }
2155
2156         for (;;) {
2157                 boolean_t was_active;
2158
2159                 mutex_enter(&mg->mg_lock);
2160                 for (msp = avl_first(t); msp; msp = AVL_NEXT(t, msp)) {
2161                         if (msp->ms_weight < asize) {
2162                                 spa_dbgmsg(spa, "%s: failed to meet weight "
2163                                     "requirement: vdev %llu, txg %llu, mg %p, "
2164                                     "msp %p, psize %llu, asize %llu, "
2165                                     "weight %llu", spa_name(spa),
2166                                     mg->mg_vd->vdev_id, txg,
2167                                     mg, msp, psize, asize, msp->ms_weight);
2168                                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
2169                                 return (-1ULL);
2170                         }
2171
2172                         /*
2173                          * If the selected metaslab is condensing, skip it.
2174                          */
2175                         if (msp->ms_condensing)
2176                                 continue;
2177
2178                         was_active = msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK;
2179                         if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY)
2180                                 break;
2181
2182                         target_distance = min_distance +
2183                             (space_map_allocated(msp->ms_sm) != 0 ? 0 :
2184                             min_distance >> 1);
2185
2186                         for (i = 0; i < d; i++)
2187                                 if (metaslab_distance(msp, &dva[i]) <
2188                                     target_distance)
2189                                         break;
2190                         if (i == d)
2191                                 break;
2192                 }
2193                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
2194                 if (msp == NULL)
2195                         return (-1ULL);
2196
2197                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
2198
2199                 /*
2200                  * Ensure that the metaslab we have selected is still
2201                  * capable of handling our request. It's possible that
2202                  * another thread may have changed the weight while we
2203                  * were blocked on the metaslab lock.
2204                  */
2205                 if (msp->ms_weight < asize || (was_active &&
2206                     !(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) &&
2207                     activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY)) {
2208                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2209                         continue;
2210                 }
2211
2212                 if ((msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_SECONDARY) &&
2213                     activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY) {
2214                         metaslab_passivate(msp,
2215                             msp->ms_weight & ~METASLAB_ACTIVE_MASK);
2216                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2217                         continue;
2218                 }
2219
2220                 if (metaslab_activate(msp, activation_weight) != 0) {
2221                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2222                         continue;
2223                 }
2224
2225                 /*
2226                  * If this metaslab is currently condensing then pick again as
2227                  * we can't manipulate this metaslab until it's committed
2228                  * to disk.
2229                  */
2230                 if (msp->ms_condensing) {
2231                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2232                         continue;
2233                 }
2234
2235                 if ((offset = metaslab_block_alloc(msp, asize)) != -1ULL)
2236                         break;
2237
2238                 metaslab_passivate(msp, metaslab_block_maxsize(msp));
2239                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
2240         }
2241
2242         if (range_tree_space(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK]) == 0)
2243                 vdev_dirty(mg->mg_vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
2244
2245         range_tree_add(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK], offset, asize);
2246         msp->ms_access_txg = txg + metaslab_unload_delay;
2247
2248         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2249
2250         return (offset);
2251 }
2252
2253 /*
2254  * Allocate a block for the specified i/o.
2255  */
2256 static int
2257 metaslab_alloc_dva(spa_t *spa, metaslab_class_t *mc, uint64_t psize,
2258     dva_t *dva, int d, dva_t *hintdva, uint64_t txg, int flags)
2259 {
2260         metaslab_group_t *mg, *rotor;
2261         vdev_t *vd;
2262         int dshift = 3;
2263         int all_zero;
2264         int zio_lock = B_FALSE;
2265         boolean_t allocatable;
2266         uint64_t offset = -1ULL;
2267         uint64_t asize;
2268         uint64_t distance;
2269
2270         ASSERT(!DVA_IS_VALID(&dva[d]));
2271
2272         /*
2273          * For testing, make some blocks above a certain size be gang blocks.
2274          */
2275         if (psize >= metaslab_gang_bang && (ddi_get_lbolt() & 3) == 0)
2276                 return (SET_ERROR(ENOSPC));
2277
2278         /*
2279          * Start at the rotor and loop through all mgs until we find something.
2280          * Note that there's no locking on mc_rotor or mc_aliquot because
2281          * nothing actually breaks if we miss a few updates -- we just won't
2282          * allocate quite as evenly.  It all balances out over time.
2283          *
2284          * If we are doing ditto or log blocks, try to spread them across
2285          * consecutive vdevs.  If we're forced to reuse a vdev before we've
2286          * allocated all of our ditto blocks, then try and spread them out on
2287          * that vdev as much as possible.  If it turns out to not be possible,
2288          * gradually lower our standards until anything becomes acceptable.
2289          * Also, allocating on consecutive vdevs (as opposed to random vdevs)
2290          * gives us hope of containing our fault domains to something we're
2291          * able to reason about.  Otherwise, any two top-level vdev failures
2292          * will guarantee the loss of data.  With consecutive allocation,
2293          * only two adjacent top-level vdev failures will result in data loss.
2294          *
2295          * If we are doing gang blocks (hintdva is non-NULL), try to keep
2296          * ourselves on the same vdev as our gang block header.  That
2297          * way, we can hope for locality in vdev_cache, plus it makes our
2298          * fault domains something tractable.
2299          */
2300         if (hintdva) {
2301                 vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&hintdva[d]));
2302
2303                 /*
2304                  * It's possible the vdev we're using as the hint no
2305                  * longer exists (i.e. removed). Consult the rotor when
2306                  * all else fails.
2307                  */
2308                 if (vd != NULL) {
2309                         mg = vd->vdev_mg;
2310
2311                         if (flags & METASLAB_HINTBP_AVOID &&
2312                             mg->mg_next != NULL)
2313                                 mg = mg->mg_next;
2314                 } else {
2315                         mg = mc->mc_rotor;
2316                 }
2317         } else if (d != 0) {
2318                 vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&dva[d - 1]));
2319                 mg = vd->vdev_mg->mg_next;
2320         } else {
2321                 mg = mc->mc_rotor;
2322         }
2323
2324         /*
2325          * If the hint put us into the wrong metaslab class, or into a
2326          * metaslab group that has been passivated, just follow the rotor.
2327          */
2328         if (mg->mg_class != mc || mg->mg_activation_count <= 0)
2329                 mg = mc->mc_rotor;
2330
2331         rotor = mg;
2332 top:
2333         all_zero = B_TRUE;
2334         do {
2335                 ASSERT(mg->mg_activation_count == 1);
2336
2337                 vd = mg->mg_vd;
2338
2339                 /*
2340                  * Don't allocate from faulted devices.
2341                  */
2342                 if (zio_lock) {
2343                         spa_config_enter(spa, SCL_ZIO, FTAG, RW_READER);
2344                         allocatable = vdev_allocatable(vd);
2345                         spa_config_exit(spa, SCL_ZIO, FTAG);
2346                 } else {
2347                         allocatable = vdev_allocatable(vd);
2348                 }
2349
2350                 /*
2351                  * Determine if the selected metaslab group is eligible
2352                  * for allocations. If we're ganging or have requested
2353                  * an allocation for the smallest gang block size
2354                  * then we don't want to avoid allocating to the this
2355                  * metaslab group. If we're in this condition we should
2356                  * try to allocate from any device possible so that we
2357                  * don't inadvertently return ENOSPC and suspend the pool
2358                  * even though space is still available.
2359                  */
2360                 if (allocatable && CAN_FASTGANG(flags) &&
2361                     psize > SPA_GANGBLOCKSIZE)
2362                         allocatable = metaslab_group_allocatable(mg);
2363
2364                 if (!allocatable)
2365                         goto next;
2366
2367                 /*
2368                  * Avoid writing single-copy data to a failing vdev
2369                  * unless the user instructs us that it is okay.
2370                  */
2371                 if ((vd->vdev_stat.vs_write_errors > 0 ||
2372                     vd->vdev_state < VDEV_STATE_HEALTHY) &&
2373                     d == 0 && dshift == 3 && vd->vdev_children == 0) {
2374                         all_zero = B_FALSE;
2375                         goto next;
2376                 }
2377
2378                 ASSERT(mg->mg_class == mc);
2379
2380                 distance = vd->vdev_asize >> dshift;
2381                 if (distance <= (1ULL << vd->vdev_ms_shift))
2382                         distance = 0;
2383                 else
2384                         all_zero = B_FALSE;
2385
2386                 asize = vdev_psize_to_asize(vd, psize);
2387                 ASSERT(P2PHASE(asize, 1ULL << vd->vdev_ashift) == 0);
2388
2389                 offset = metaslab_group_alloc(mg, psize, asize, txg, distance,
2390                     dva, d);
2391                 if (offset != -1ULL) {
2392                         /*
2393                          * If we've just selected this metaslab group,
2394                          * figure out whether the corresponding vdev is
2395                          * over- or under-used relative to the pool,
2396                          * and set an allocation bias to even it out.
2397                          */
2398                         if (mc->mc_aliquot == 0 && metaslab_bias_enabled) {
2399                                 vdev_stat_t *vs = &vd->vdev_stat;
2400                                 int64_t vu, cu;
2401
2402                                 vu = (vs->vs_alloc * 100) / (vs->vs_space + 1);
2403                                 cu = (mc->mc_alloc * 100) / (mc->mc_space + 1);
2404
2405                                 /*
2406                                  * Calculate how much more or less we should
2407                                  * try to allocate from this device during
2408                                  * this iteration around the rotor.
2409                                  * For example, if a device is 80% full
2410                                  * and the pool is 20% full then we should
2411                                  * reduce allocations by 60% on this device.
2412                                  *
2413                                  * mg_bias = (20 - 80) * 512K / 100 = -307K
2414                                  *
2415                                  * This reduces allocations by 307K for this
2416                                  * iteration.
2417                                  */
2418                                 mg->mg_bias = ((cu - vu) *
2419                                     (int64_t)mg->mg_aliquot) / 100;
2420                         } else if (!metaslab_bias_enabled) {
2421                                 mg->mg_bias = 0;
2422                         }
2423
2424                         if (atomic_add_64_nv(&mc->mc_aliquot, asize) >=
2425                             mg->mg_aliquot + mg->mg_bias) {
2426                                 mc->mc_rotor = mg->mg_next;
2427                                 mc->mc_aliquot = 0;
2428                         }
2429
2430                         DVA_SET_VDEV(&dva[d], vd->vdev_id);
2431                         DVA_SET_OFFSET(&dva[d], offset);
2432                         DVA_SET_GANG(&dva[d], !!(flags & METASLAB_GANG_HEADER));
2433                         DVA_SET_ASIZE(&dva[d], asize);
2434
2435                         return (0);
2436                 }
2437 next:
2438                 mc->mc_rotor = mg->mg_next;
2439                 mc->mc_aliquot = 0;
2440         } while ((mg = mg->mg_next) != rotor);
2441
2442         if (!all_zero) {
2443                 dshift++;
2444                 ASSERT(dshift < 64);
2445                 goto top;
2446         }
2447
2448         if (!allocatable && !zio_lock) {
2449                 dshift = 3;
2450                 zio_lock = B_TRUE;
2451                 goto top;
2452         }
2453
2454         bzero(&dva[d], sizeof (dva_t));
2455
2456         return (SET_ERROR(ENOSPC));
2457 }
2458
2459 /*
2460  * Free the block represented by DVA in the context of the specified
2461  * transaction group.
2462  */
2463 static void
2464 metaslab_free_dva(spa_t *spa, const dva_t *dva, uint64_t txg, boolean_t now)
2465 {
2466         uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(dva);
2467         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
2468         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
2469         vdev_t *vd;
2470         metaslab_t *msp;
2471
2472         ASSERT(DVA_IS_VALID(dva));
2473
2474         if (txg > spa_freeze_txg(spa))
2475                 return;
2476
2477         if ((vd = vdev_lookup_top(spa, vdev)) == NULL ||
2478             (offset >> vd->vdev_ms_shift) >= vd->vdev_ms_count) {
2479                 cmn_err(CE_WARN, "metaslab_free_dva(): bad DVA %llu:%llu",
2480                     (u_longlong_t)vdev, (u_longlong_t)offset);
2481                 ASSERT(0);
2482                 return;
2483         }
2484
2485         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
2486
2487         if (DVA_GET_GANG(dva))
2488                 size = vdev_psize_to_asize(vd, SPA_GANGBLOCKSIZE);
2489
2490         mutex_enter(&msp->ms_lock);
2491
2492         if (now) {
2493                 range_tree_remove(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK],
2494                     offset, size);
2495
2496                 VERIFY(!msp->ms_condensing);
2497                 VERIFY3U(offset, >=, msp->ms_start);
2498                 VERIFY3U(offset + size, <=, msp->ms_start + msp->ms_size);
2499                 VERIFY3U(range_tree_space(msp->ms_tree) + size, <=,
2500                     msp->ms_size);
2501                 VERIFY0(P2PHASE(offset, 1ULL << vd->vdev_ashift));
2502                 VERIFY0(P2PHASE(size, 1ULL << vd->vdev_ashift));
2503                 range_tree_add(msp->ms_tree, offset, size);
2504         } else {
2505                 if (range_tree_space(msp->ms_freetree[txg & TXG_MASK]) == 0)
2506                         vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
2507                 range_tree_add(msp->ms_freetree[txg & TXG_MASK],
2508                     offset, size);
2509         }
2510
2511         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2512 }
2513
2514 /*
2515  * Intent log support: upon opening the pool after a crash, notify the SPA
2516  * of blocks that the intent log has allocated for immediate write, but
2517  * which are still considered free by the SPA because the last transaction
2518  * group didn't commit yet.
2519  */
2520 static int
2521 metaslab_claim_dva(spa_t *spa, const dva_t *dva, uint64_t txg)
2522 {
2523         uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(dva);
2524         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
2525         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
2526         vdev_t *vd;
2527         metaslab_t *msp;
2528         int error = 0;
2529
2530         ASSERT(DVA_IS_VALID(dva));
2531
2532         if ((vd = vdev_lookup_top(spa, vdev)) == NULL ||
2533             (offset >> vd->vdev_ms_shift) >= vd->vdev_ms_count)
2534                 return (SET_ERROR(ENXIO));
2535
2536         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
2537
2538         if (DVA_GET_GANG(dva))
2539                 size = vdev_psize_to_asize(vd, SPA_GANGBLOCKSIZE);
2540
2541         mutex_enter(&msp->ms_lock);
2542
2543         if ((txg != 0 && spa_writeable(spa)) || !msp->ms_loaded)
2544                 error = metaslab_activate(msp, METASLAB_WEIGHT_SECONDARY);
2545
2546         if (error == 0 && !range_tree_contains(msp->ms_tree, offset, size))
2547                 error = SET_ERROR(ENOENT);
2548
2549         if (error || txg == 0) {        /* txg == 0 indicates dry run */
2550                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
2551                 return (error);
2552         }
2553
2554         VERIFY(!msp->ms_condensing);
2555         VERIFY0(P2PHASE(offset, 1ULL << vd->vdev_ashift));
2556         VERIFY0(P2PHASE(size, 1ULL << vd->vdev_ashift));
2557         VERIFY3U(range_tree_space(msp->ms_tree) - size, <=, msp->ms_size);
2558         range_tree_remove(msp->ms_tree, offset, size);
2559
2560         if (spa_writeable(spa)) {       /* don't dirty if we're zdb(1M) */
2561                 if (range_tree_space(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK]) == 0)
2562                         vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
2563                 range_tree_add(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK], offset, size);
2564         }
2565
2566         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2567
2568         return (0);
2569 }
2570
2571 int
2572 metaslab_alloc(spa_t *spa, metaslab_class_t *mc, uint64_t psize, blkptr_t *bp,
2573     int ndvas, uint64_t txg, blkptr_t *hintbp, int flags)
2574 {
2575         dva_t *dva = bp->blk_dva;
2576         dva_t *hintdva = hintbp->blk_dva;
2577         int error = 0;
2578
2579         ASSERT(bp->blk_birth == 0);
2580         ASSERT(BP_PHYSICAL_BIRTH(bp) == 0);
2581
2582         spa_config_enter(spa, SCL_ALLOC, FTAG, RW_READER);
2583
2584         if (mc->mc_rotor == NULL) {     /* no vdevs in this class */
2585                 spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
2586                 return (SET_ERROR(ENOSPC));
2587         }
2588
2589         ASSERT(ndvas > 0 && ndvas <= spa_max_replication(spa));
2590         ASSERT(BP_GET_NDVAS(bp) == 0);
2591         ASSERT(hintbp == NULL || ndvas <= BP_GET_NDVAS(hintbp));
2592
2593         for (int d = 0; d < ndvas; d++) {
2594                 error = metaslab_alloc_dva(spa, mc, psize, dva, d, hintdva,
2595                     txg, flags);
2596                 if (error != 0) {
2597                         for (d--; d >= 0; d--) {
2598                                 metaslab_free_dva(spa, &dva[d], txg, B_TRUE);
2599                                 bzero(&dva[d], sizeof (dva_t));
2600                         }
2601                         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
2602                         return (error);
2603                 }
2604         }
2605         ASSERT(error == 0);
2606         ASSERT(BP_GET_NDVAS(bp) == ndvas);
2607
2608         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
2609
2610         BP_SET_BIRTH(bp, txg, txg);
2611
2612         return (0);
2613 }
2614
2615 void
2616 metaslab_free(spa_t *spa, const blkptr_t *bp, uint64_t txg, boolean_t now)
2617 {
2618         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
2619         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
2620
2621         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
2622         ASSERT(!now || bp->blk_birth >= spa_syncing_txg(spa));
2623
2624         spa_config_enter(spa, SCL_FREE, FTAG, RW_READER);
2625
2626         for (int d = 0; d < ndvas; d++)
2627                 metaslab_free_dva(spa, &dva[d], txg, now);
2628
2629         spa_config_exit(spa, SCL_FREE, FTAG);
2630 }
2631
2632 int
2633 metaslab_claim(spa_t *spa, const blkptr_t *bp, uint64_t txg)
2634 {
2635         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
2636         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
2637         int error = 0;
2638
2639         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
2640
2641         if (txg != 0) {
2642                 /*
2643                  * First do a dry run to make sure all DVAs are claimable,
2644                  * so we don't have to unwind from partial failures below.
2645                  */
2646                 if ((error = metaslab_claim(spa, bp, 0)) != 0)
2647                         return (error);
2648         }
2649
2650         spa_config_enter(spa, SCL_ALLOC, FTAG, RW_READER);
2651
2652         for (int d = 0; d < ndvas; d++)
2653                 if ((error = metaslab_claim_dva(spa, &dva[d], txg)) != 0)
2654                         break;
2655
2656         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
2657
2658         ASSERT(error == 0 || txg == 0);
2659
2660         return (error);
2661 }
2662
2663 void
2664 metaslab_check_free(spa_t *spa, const blkptr_t *bp)
2665 {
2666         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_ZIO_FREE) == 0)
2667                 return;
2668
2669         spa_config_enter(spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
2670         for (int i = 0; i < BP_GET_NDVAS(bp); i++) {
2671                 uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(&bp->blk_dva[i]);
2672                 vdev_t *vd = vdev_lookup_top(spa, vdev);
2673                 uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(&bp->blk_dva[i]);
2674                 uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(&bp->blk_dva[i]);
2675                 metaslab_t *msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
2676
2677                 if (msp->ms_loaded)
2678                         range_tree_verify(msp->ms_tree, offset, size);
2679
2680                 for (int j = 0; j < TXG_SIZE; j++)
2681                         range_tree_verify(msp->ms_freetree[j], offset, size);
2682                 for (int j = 0; j < TXG_DEFER_SIZE; j++)
2683                         range_tree_verify(msp->ms_defertree[j], offset, size);
2684         }
2685         spa_config_exit(spa, SCL_VDEV, FTAG);
2686 }