]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - sys/cddl/contrib/opensolaris/uts/common/fs/zfs/space_map.c
Update to bmake-20200704
[FreeBSD/FreeBSD.git] / sys / cddl / contrib / opensolaris / uts / common / fs / zfs / space_map.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 2009 Sun Microsystems, Inc.  All rights reserved.
23  * Use is subject to license terms.
24  */
25 /*
26  * Copyright (c) 2012, 2018 by Delphix. All rights reserved.
27  */
28
29 #include <sys/zfs_context.h>
30 #include <sys/spa.h>
31 #include <sys/dmu.h>
32 #include <sys/dmu_tx.h>
33 #include <sys/dnode.h>
34 #include <sys/dsl_pool.h>
35 #include <sys/zio.h>
36 #include <sys/space_map.h>
37 #include <sys/refcount.h>
38 #include <sys/zfeature.h>
39
40 SYSCTL_DECL(_vfs_zfs);
41
42 /*
43  * Note on space map block size:
44  *
45  * The data for a given space map can be kept on blocks of any size.
46  * Larger blocks entail fewer I/O operations, but they also cause the
47  * DMU to keep more data in-core, and also to waste more I/O bandwidth
48  * when only a few blocks have changed since the last transaction group.
49  */
50
51 /*
52  * Enabled whenever we want to stress test the use of double-word
53  * space map entries.
54  */
55 boolean_t zfs_force_some_double_word_sm_entries = B_FALSE;
56
57 /*
58  * Override the default indirect block size of 128K, instead using 16K for
59  * spacemaps (2^14 bytes).  This dramatically reduces write inflation since
60  * appending to a spacemap typically has to write one data block (4KB) and one
61  * or two indirect blocks (16K-32K, rather than 128K).
62  */
63 int space_map_ibs = 14;
64
65 SYSCTL_INT(_vfs_zfs, OID_AUTO, space_map_ibs, CTLFLAG_RWTUN,
66     &space_map_ibs, 0, "Space map indirect block shift");
67
68 boolean_t
69 sm_entry_is_debug(uint64_t e)
70 {
71         return (SM_PREFIX_DECODE(e) == SM_DEBUG_PREFIX);
72 }
73
74 boolean_t
75 sm_entry_is_single_word(uint64_t e)
76 {
77         uint8_t prefix = SM_PREFIX_DECODE(e);
78         return (prefix != SM_DEBUG_PREFIX && prefix != SM2_PREFIX);
79 }
80
81 boolean_t
82 sm_entry_is_double_word(uint64_t e)
83 {
84         return (SM_PREFIX_DECODE(e) == SM2_PREFIX);
85 }
86
87 /*
88  * Iterate through the space map, invoking the callback on each (non-debug)
89  * space map entry. Stop after reading 'end' bytes of the space map.
90  */
91 int
92 space_map_iterate(space_map_t *sm, uint64_t end, sm_cb_t callback, void *arg)
93 {
94         uint64_t blksz = sm->sm_blksz;
95
96         ASSERT3U(blksz, !=, 0);
97         ASSERT3U(end, <=, space_map_length(sm));
98         ASSERT0(P2PHASE(end, sizeof (uint64_t)));
99
100         dmu_prefetch(sm->sm_os, space_map_object(sm), 0, 0, end,
101             ZIO_PRIORITY_SYNC_READ);
102
103         int error = 0;
104         for (uint64_t block_base = 0; block_base < end && error == 0;
105             block_base += blksz) {
106                 dmu_buf_t *db;
107                 error = dmu_buf_hold(sm->sm_os, space_map_object(sm),
108                     block_base, FTAG, &db, DMU_READ_PREFETCH);
109                 if (error != 0)
110                         return (error);
111
112                 uint64_t *block_start = db->db_data;
113                 uint64_t block_length = MIN(end - block_base, blksz);
114                 uint64_t *block_end = block_start +
115                     (block_length / sizeof (uint64_t));
116
117                 VERIFY0(P2PHASE(block_length, sizeof (uint64_t)));
118                 VERIFY3U(block_length, !=, 0);
119                 ASSERT3U(blksz, ==, db->db_size);
120
121                 for (uint64_t *block_cursor = block_start;
122                     block_cursor < block_end && error == 0; block_cursor++) {
123                         uint64_t e = *block_cursor;
124
125                         if (sm_entry_is_debug(e)) /* Skip debug entries */
126                                 continue;
127
128                         uint64_t raw_offset, raw_run, vdev_id;
129                         maptype_t type;
130                         if (sm_entry_is_single_word(e)) {
131                                 type = SM_TYPE_DECODE(e);
132                                 vdev_id = SM_NO_VDEVID;
133                                 raw_offset = SM_OFFSET_DECODE(e);
134                                 raw_run = SM_RUN_DECODE(e);
135                         } else {
136                                 /* it is a two-word entry */
137                                 ASSERT(sm_entry_is_double_word(e));
138                                 raw_run = SM2_RUN_DECODE(e);
139                                 vdev_id = SM2_VDEV_DECODE(e);
140
141                                 /* move on to the second word */
142                                 block_cursor++;
143                                 e = *block_cursor;
144                                 VERIFY3P(block_cursor, <=, block_end);
145
146                                 type = SM2_TYPE_DECODE(e);
147                                 raw_offset = SM2_OFFSET_DECODE(e);
148                         }
149
150                         uint64_t entry_offset = (raw_offset << sm->sm_shift) +
151                             sm->sm_start;
152                         uint64_t entry_run = raw_run << sm->sm_shift;
153
154                         VERIFY0(P2PHASE(entry_offset, 1ULL << sm->sm_shift));
155                         VERIFY0(P2PHASE(entry_run, 1ULL << sm->sm_shift));
156                         ASSERT3U(entry_offset, >=, sm->sm_start);
157                         ASSERT3U(entry_offset, <, sm->sm_start + sm->sm_size);
158                         ASSERT3U(entry_run, <=, sm->sm_size);
159                         ASSERT3U(entry_offset + entry_run, <=,
160                             sm->sm_start + sm->sm_size);
161
162                         space_map_entry_t sme = {
163                             .sme_type = type,
164                             .sme_vdev = vdev_id,
165                             .sme_offset = entry_offset,
166                             .sme_run = entry_run
167                         };
168                         error = callback(&sme, arg);
169                 }
170                 dmu_buf_rele(db, FTAG);
171         }
172         return (error);
173 }
174
175 /*
176  * Reads the entries from the last block of the space map into
177  * buf in reverse order. Populates nwords with number of words
178  * in the last block.
179  *
180  * Refer to block comment within space_map_incremental_destroy()
181  * to understand why this function is needed.
182  */
183 static int
184 space_map_reversed_last_block_entries(space_map_t *sm, uint64_t *buf,
185     uint64_t bufsz, uint64_t *nwords)
186 {
187         int error = 0;
188         dmu_buf_t *db;
189
190         /*
191          * Find the offset of the last word in the space map and use
192          * that to read the last block of the space map with
193          * dmu_buf_hold().
194          */
195         uint64_t last_word_offset =
196             sm->sm_phys->smp_length - sizeof (uint64_t);
197         error = dmu_buf_hold(sm->sm_os, space_map_object(sm), last_word_offset,
198             FTAG, &db, DMU_READ_NO_PREFETCH);
199         if (error != 0)
200                 return (error);
201
202         ASSERT3U(sm->sm_object, ==, db->db_object);
203         ASSERT3U(sm->sm_blksz, ==, db->db_size);
204         ASSERT3U(bufsz, >=, db->db_size);
205         ASSERT(nwords != NULL);
206
207         uint64_t *words = db->db_data;
208         *nwords =
209             (sm->sm_phys->smp_length - db->db_offset) / sizeof (uint64_t);
210
211         ASSERT3U(*nwords, <=, bufsz / sizeof (uint64_t));
212
213         uint64_t n = *nwords;
214         uint64_t j = n - 1;
215         for (uint64_t i = 0; i < n; i++) {
216                 uint64_t entry = words[i];
217                 if (sm_entry_is_double_word(entry)) {
218                         /*
219                          * Since we are populating the buffer backwards
220                          * we have to be extra careful and add the two
221                          * words of the double-word entry in the right
222                          * order.
223                          */
224                         ASSERT3U(j, >, 0);
225                         buf[j - 1] = entry;
226
227                         i++;
228                         ASSERT3U(i, <, n);
229                         entry = words[i];
230                         buf[j] = entry;
231                         j -= 2;
232                 } else {
233                         ASSERT(sm_entry_is_debug(entry) ||
234                             sm_entry_is_single_word(entry));
235                         buf[j] = entry;
236                         j--;
237                 }
238         }
239
240         /*
241          * Assert that we wrote backwards all the
242          * way to the beginning of the buffer.
243          */
244         ASSERT3S(j, ==, -1);
245
246         dmu_buf_rele(db, FTAG);
247         return (error);
248 }
249
250 /*
251  * Note: This function performs destructive actions - specifically
252  * it deletes entries from the end of the space map. Thus, callers
253  * should ensure that they are holding the appropriate locks for
254  * the space map that they provide.
255  */
256 int
257 space_map_incremental_destroy(space_map_t *sm, sm_cb_t callback, void *arg,
258     dmu_tx_t *tx)
259 {
260         uint64_t bufsz = MAX(sm->sm_blksz, SPA_MINBLOCKSIZE);
261         uint64_t *buf = zio_buf_alloc(bufsz);
262
263         dmu_buf_will_dirty(sm->sm_dbuf, tx);
264
265         /*
266          * Ideally we would want to iterate from the beginning of the
267          * space map to the end in incremental steps. The issue with this
268          * approach is that we don't have any field on-disk that points
269          * us where to start between each step. We could try zeroing out
270          * entries that we've destroyed, but this doesn't work either as
271          * an entry that is 0 is a valid one (ALLOC for range [0x0:0x200]).
272          *
273          * As a result, we destroy its entries incrementally starting from
274          * the end after applying the callback to each of them.
275          *
276          * The problem with this approach is that we cannot literally
277          * iterate through the words in the space map backwards as we
278          * can't distinguish two-word space map entries from their second
279          * word. Thus we do the following:
280          *
281          * 1] We get all the entries from the last block of the space map
282          *    and put them into a buffer in reverse order. This way the
283          *    last entry comes first in the buffer, the second to last is
284          *    second, etc.
285          * 2] We iterate through the entries in the buffer and we apply
286          *    the callback to each one. As we move from entry to entry we
287          *    we decrease the size of the space map, deleting effectively
288          *    each entry.
289          * 3] If there are no more entries in the space map or the callback
290          *    returns a value other than 0, we stop iterating over the
291          *    space map. If there are entries remaining and the callback
292          *    returned 0, we go back to step [1].
293          */
294         int error = 0;
295         while (space_map_length(sm) > 0 && error == 0) {
296                 uint64_t nwords = 0;
297                 error = space_map_reversed_last_block_entries(sm, buf, bufsz,
298                     &nwords);
299                 if (error != 0)
300                         break;
301
302                 ASSERT3U(nwords, <=, bufsz / sizeof (uint64_t));
303
304                 for (uint64_t i = 0; i < nwords; i++) {
305                         uint64_t e = buf[i];
306
307                         if (sm_entry_is_debug(e)) {
308                                 sm->sm_phys->smp_length -= sizeof (uint64_t);
309                                 continue;
310                         }
311
312                         int words = 1;
313                         uint64_t raw_offset, raw_run, vdev_id;
314                         maptype_t type;
315                         if (sm_entry_is_single_word(e)) {
316                                 type = SM_TYPE_DECODE(e);
317                                 vdev_id = SM_NO_VDEVID;
318                                 raw_offset = SM_OFFSET_DECODE(e);
319                                 raw_run = SM_RUN_DECODE(e);
320                         } else {
321                                 ASSERT(sm_entry_is_double_word(e));
322                                 words = 2;
323
324                                 raw_run = SM2_RUN_DECODE(e);
325                                 vdev_id = SM2_VDEV_DECODE(e);
326
327                                 /* move to the second word */
328                                 i++;
329                                 e = buf[i];
330
331                                 ASSERT3P(i, <=, nwords);
332
333                                 type = SM2_TYPE_DECODE(e);
334                                 raw_offset = SM2_OFFSET_DECODE(e);
335                         }
336
337                         uint64_t entry_offset =
338                             (raw_offset << sm->sm_shift) + sm->sm_start;
339                         uint64_t entry_run = raw_run << sm->sm_shift;
340
341                         VERIFY0(P2PHASE(entry_offset, 1ULL << sm->sm_shift));
342                         VERIFY0(P2PHASE(entry_run, 1ULL << sm->sm_shift));
343                         VERIFY3U(entry_offset, >=, sm->sm_start);
344                         VERIFY3U(entry_offset, <, sm->sm_start + sm->sm_size);
345                         VERIFY3U(entry_run, <=, sm->sm_size);
346                         VERIFY3U(entry_offset + entry_run, <=,
347                             sm->sm_start + sm->sm_size);
348
349                         space_map_entry_t sme = {
350                             .sme_type = type,
351                             .sme_vdev = vdev_id,
352                             .sme_offset = entry_offset,
353                             .sme_run = entry_run
354                         };
355                         error = callback(&sme, arg);
356                         if (error != 0)
357                                 break;
358
359                         if (type == SM_ALLOC)
360                                 sm->sm_phys->smp_alloc -= entry_run;
361                         else
362                                 sm->sm_phys->smp_alloc += entry_run;
363                         sm->sm_phys->smp_length -= words * sizeof (uint64_t);
364                 }
365         }
366
367         if (space_map_length(sm) == 0) {
368                 ASSERT0(error);
369                 ASSERT0(space_map_allocated(sm));
370         }
371
372         zio_buf_free(buf, bufsz);
373         return (error);
374 }
375
376 typedef struct space_map_load_arg {
377         space_map_t     *smla_sm;
378         range_tree_t    *smla_rt;
379         maptype_t       smla_type;
380 } space_map_load_arg_t;
381
382 static int
383 space_map_load_callback(space_map_entry_t *sme, void *arg)
384 {
385         space_map_load_arg_t *smla = arg;
386         if (sme->sme_type == smla->smla_type) {
387                 VERIFY3U(range_tree_space(smla->smla_rt) + sme->sme_run, <=,
388                     smla->smla_sm->sm_size);
389                 range_tree_add(smla->smla_rt, sme->sme_offset, sme->sme_run);
390         } else {
391                 range_tree_remove(smla->smla_rt, sme->sme_offset, sme->sme_run);
392         }
393
394         return (0);
395 }
396
397 /*
398  * Load the spacemap into the rangetree, like space_map_load. But only
399  * read the first 'length' bytes of the spacemap.
400  */
401 int
402 space_map_load_length(space_map_t *sm, range_tree_t *rt, maptype_t maptype,
403     uint64_t length)
404 {
405         space_map_load_arg_t smla;
406
407         VERIFY0(range_tree_space(rt));
408
409         if (maptype == SM_FREE)
410                 range_tree_add(rt, sm->sm_start, sm->sm_size);
411
412         smla.smla_rt = rt;
413         smla.smla_sm = sm;
414         smla.smla_type = maptype;
415         int err = space_map_iterate(sm, length,
416             space_map_load_callback, &smla);
417
418         if (err != 0)
419                 range_tree_vacate(rt, NULL, NULL);
420
421         return (err);
422 }
423
424 /*
425  * Load the space map disk into the specified range tree. Segments of maptype
426  * are added to the range tree, other segment types are removed.
427  */
428 int
429 space_map_load(space_map_t *sm, range_tree_t *rt, maptype_t maptype)
430 {
431         return (space_map_load_length(sm, rt, maptype, space_map_length(sm)));
432 }
433
434 void
435 space_map_histogram_clear(space_map_t *sm)
436 {
437         if (sm->sm_dbuf->db_size != sizeof (space_map_phys_t))
438                 return;
439
440         bzero(sm->sm_phys->smp_histogram, sizeof (sm->sm_phys->smp_histogram));
441 }
442
443 boolean_t
444 space_map_histogram_verify(space_map_t *sm, range_tree_t *rt)
445 {
446         /*
447          * Verify that the in-core range tree does not have any
448          * ranges smaller than our sm_shift size.
449          */
450         for (int i = 0; i < sm->sm_shift; i++) {
451                 if (rt->rt_histogram[i] != 0)
452                         return (B_FALSE);
453         }
454         return (B_TRUE);
455 }
456
457 void
458 space_map_histogram_add(space_map_t *sm, range_tree_t *rt, dmu_tx_t *tx)
459 {
460         int idx = 0;
461
462         ASSERT(dmu_tx_is_syncing(tx));
463         VERIFY3U(space_map_object(sm), !=, 0);
464
465         if (sm->sm_dbuf->db_size != sizeof (space_map_phys_t))
466                 return;
467
468         dmu_buf_will_dirty(sm->sm_dbuf, tx);
469
470         ASSERT(space_map_histogram_verify(sm, rt));
471         /*
472          * Transfer the content of the range tree histogram to the space
473          * map histogram. The space map histogram contains 32 buckets ranging
474          * between 2^sm_shift to 2^(32+sm_shift-1). The range tree,
475          * however, can represent ranges from 2^0 to 2^63. Since the space
476          * map only cares about allocatable blocks (minimum of sm_shift) we
477          * can safely ignore all ranges in the range tree smaller than sm_shift.
478          */
479         for (int i = sm->sm_shift; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
480
481                 /*
482                  * Since the largest histogram bucket in the space map is
483                  * 2^(32+sm_shift-1), we need to normalize the values in
484                  * the range tree for any bucket larger than that size. For
485                  * example given an sm_shift of 9, ranges larger than 2^40
486                  * would get normalized as if they were 1TB ranges. Assume
487                  * the range tree had a count of 5 in the 2^44 (16TB) bucket,
488                  * the calculation below would normalize this to 5 * 2^4 (16).
489                  */
490                 ASSERT3U(i, >=, idx + sm->sm_shift);
491                 sm->sm_phys->smp_histogram[idx] +=
492                     rt->rt_histogram[i] << (i - idx - sm->sm_shift);
493
494                 /*
495                  * Increment the space map's index as long as we haven't
496                  * reached the maximum bucket size. Accumulate all ranges
497                  * larger than the max bucket size into the last bucket.
498                  */
499                 if (idx < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE - 1) {
500                         ASSERT3U(idx + sm->sm_shift, ==, i);
501                         idx++;
502                         ASSERT3U(idx, <, SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE);
503                 }
504         }
505 }
506
507 static void
508 space_map_write_intro_debug(space_map_t *sm, maptype_t maptype, dmu_tx_t *tx)
509 {
510         dmu_buf_will_dirty(sm->sm_dbuf, tx);
511
512         uint64_t dentry = SM_PREFIX_ENCODE(SM_DEBUG_PREFIX) |
513             SM_DEBUG_ACTION_ENCODE(maptype) |
514             SM_DEBUG_SYNCPASS_ENCODE(spa_sync_pass(tx->tx_pool->dp_spa)) |
515             SM_DEBUG_TXG_ENCODE(dmu_tx_get_txg(tx));
516
517         dmu_write(sm->sm_os, space_map_object(sm), sm->sm_phys->smp_length,
518             sizeof (dentry), &dentry, tx);
519
520         sm->sm_phys->smp_length += sizeof (dentry);
521 }
522
523 /*
524  * Writes one or more entries given a segment.
525  *
526  * Note: The function may release the dbuf from the pointer initially
527  * passed to it, and return a different dbuf. Also, the space map's
528  * dbuf must be dirty for the changes in sm_phys to take effect.
529  */
530 static void
531 space_map_write_seg(space_map_t *sm, range_seg_t *rs, maptype_t maptype,
532     uint64_t vdev_id, uint8_t words, dmu_buf_t **dbp, void *tag, dmu_tx_t *tx)
533 {
534         ASSERT3U(words, !=, 0);
535         ASSERT3U(words, <=, 2);
536
537         /* ensure the vdev_id can be represented by the space map */
538         ASSERT3U(vdev_id, <=, SM_NO_VDEVID);
539
540         /*
541          * if this is a single word entry, ensure that no vdev was
542          * specified.
543          */
544         IMPLY(words == 1, vdev_id == SM_NO_VDEVID);
545
546         dmu_buf_t *db = *dbp;
547         ASSERT3U(db->db_size, ==, sm->sm_blksz);
548
549         uint64_t *block_base = db->db_data;
550         uint64_t *block_end = block_base + (sm->sm_blksz / sizeof (uint64_t));
551         uint64_t *block_cursor = block_base +
552             (sm->sm_phys->smp_length - db->db_offset) / sizeof (uint64_t);
553
554         ASSERT3P(block_cursor, <=, block_end);
555
556         uint64_t size = (rs->rs_end - rs->rs_start) >> sm->sm_shift;
557         uint64_t start = (rs->rs_start - sm->sm_start) >> sm->sm_shift;
558         uint64_t run_max = (words == 2) ? SM2_RUN_MAX : SM_RUN_MAX;
559
560         ASSERT3U(rs->rs_start, >=, sm->sm_start);
561         ASSERT3U(rs->rs_start, <, sm->sm_start + sm->sm_size);
562         ASSERT3U(rs->rs_end - rs->rs_start, <=, sm->sm_size);
563         ASSERT3U(rs->rs_end, <=, sm->sm_start + sm->sm_size);
564
565         while (size != 0) {
566                 ASSERT3P(block_cursor, <=, block_end);
567
568                 /*
569                  * If we are at the end of this block, flush it and start
570                  * writing again from the beginning.
571                  */
572                 if (block_cursor == block_end) {
573                         dmu_buf_rele(db, tag);
574
575                         uint64_t next_word_offset = sm->sm_phys->smp_length;
576                         VERIFY0(dmu_buf_hold(sm->sm_os,
577                             space_map_object(sm), next_word_offset,
578                             tag, &db, DMU_READ_PREFETCH));
579                         dmu_buf_will_dirty(db, tx);
580
581                         /* update caller's dbuf */
582                         *dbp = db;
583
584                         ASSERT3U(db->db_size, ==, sm->sm_blksz);
585
586                         block_base = db->db_data;
587                         block_cursor = block_base;
588                         block_end = block_base +
589                             (db->db_size / sizeof (uint64_t));
590                 }
591
592                 /*
593                  * If we are writing a two-word entry and we only have one
594                  * word left on this block, just pad it with an empty debug
595                  * entry and write the two-word entry in the next block.
596                  */
597                 uint64_t *next_entry = block_cursor + 1;
598                 if (next_entry == block_end && words > 1) {
599                         ASSERT3U(words, ==, 2);
600                         *block_cursor = SM_PREFIX_ENCODE(SM_DEBUG_PREFIX) |
601                             SM_DEBUG_ACTION_ENCODE(0) |
602                             SM_DEBUG_SYNCPASS_ENCODE(0) |
603                             SM_DEBUG_TXG_ENCODE(0);
604                         block_cursor++;
605                         sm->sm_phys->smp_length += sizeof (uint64_t);
606                         ASSERT3P(block_cursor, ==, block_end);
607                         continue;
608                 }
609
610                 uint64_t run_len = MIN(size, run_max);
611                 switch (words) {
612                 case 1:
613                         *block_cursor = SM_OFFSET_ENCODE(start) |
614                             SM_TYPE_ENCODE(maptype) |
615                             SM_RUN_ENCODE(run_len);
616                         block_cursor++;
617                         break;
618                 case 2:
619                         /* write the first word of the entry */
620                         *block_cursor = SM_PREFIX_ENCODE(SM2_PREFIX) |
621                             SM2_RUN_ENCODE(run_len) |
622                             SM2_VDEV_ENCODE(vdev_id);
623                         block_cursor++;
624
625                         /* move on to the second word of the entry */
626                         ASSERT3P(block_cursor, <, block_end);
627                         *block_cursor = SM2_TYPE_ENCODE(maptype) |
628                             SM2_OFFSET_ENCODE(start);
629                         block_cursor++;
630                         break;
631                 default:
632                         panic("%d-word space map entries are not supported",
633                             words);
634                         break;
635                 }
636                 sm->sm_phys->smp_length += words * sizeof (uint64_t);
637
638                 start += run_len;
639                 size -= run_len;
640         }
641         ASSERT0(size);
642
643 }
644
645 /*
646  * Note: The space map's dbuf must be dirty for the changes in sm_phys to
647  * take effect.
648  */
649 static void
650 space_map_write_impl(space_map_t *sm, range_tree_t *rt, maptype_t maptype,
651     uint64_t vdev_id, dmu_tx_t *tx)
652 {
653         spa_t *spa = tx->tx_pool->dp_spa;
654         dmu_buf_t *db;
655
656         space_map_write_intro_debug(sm, maptype, tx);
657
658 #ifdef DEBUG
659         /*
660          * We do this right after we write the intro debug entry
661          * because the estimate does not take it into account.
662          */
663         uint64_t initial_objsize = sm->sm_phys->smp_length;
664         uint64_t estimated_growth =
665             space_map_estimate_optimal_size(sm, rt, SM_NO_VDEVID);
666         uint64_t estimated_final_objsize = initial_objsize + estimated_growth;
667 #endif
668
669         /*
670          * Find the offset right after the last word in the space map
671          * and use that to get a hold of the last block, so we can
672          * start appending to it.
673          */
674         uint64_t next_word_offset = sm->sm_phys->smp_length;
675         VERIFY0(dmu_buf_hold(sm->sm_os, space_map_object(sm),
676             next_word_offset, FTAG, &db, DMU_READ_PREFETCH));
677         ASSERT3U(db->db_size, ==, sm->sm_blksz);
678
679         dmu_buf_will_dirty(db, tx);
680
681         avl_tree_t *t = &rt->rt_root;
682         for (range_seg_t *rs = avl_first(t); rs != NULL; rs = AVL_NEXT(t, rs)) {
683                 uint64_t offset = (rs->rs_start - sm->sm_start) >> sm->sm_shift;
684                 uint64_t length = (rs->rs_end - rs->rs_start) >> sm->sm_shift;
685                 uint8_t words = 1;
686
687                 /*
688                  * We only write two-word entries when both of the following
689                  * are true:
690                  *
691                  * [1] The feature is enabled.
692                  * [2] The offset or run is too big for a single-word entry,
693                  *      or the vdev_id is set (meaning not equal to
694                  *      SM_NO_VDEVID).
695                  *
696                  * Note that for purposes of testing we've added the case that
697                  * we write two-word entries occasionally when the feature is
698                  * enabled and zfs_force_some_double_word_sm_entries has been
699                  * set.
700                  */
701                 if (spa_feature_is_active(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_V2) &&
702                     (offset >= (1ULL << SM_OFFSET_BITS) ||
703                     length > SM_RUN_MAX ||
704                     vdev_id != SM_NO_VDEVID ||
705                     (zfs_force_some_double_word_sm_entries &&
706                     spa_get_random(100) == 0)))
707                         words = 2;
708
709                 space_map_write_seg(sm, rs, maptype, vdev_id, words,
710                     &db, FTAG, tx);
711         }
712
713         dmu_buf_rele(db, FTAG);
714
715 #ifdef DEBUG
716         /*
717          * We expect our estimation to be based on the worst case
718          * scenario [see comment in space_map_estimate_optimal_size()].
719          * Therefore we expect the actual objsize to be equal or less
720          * than whatever we estimated it to be.
721          */
722         ASSERT3U(estimated_final_objsize, >=, sm->sm_phys->smp_length);
723 #endif
724 }
725
726 /*
727  * Note: This function manipulates the state of the given space map but
728  * does not hold any locks implicitly. Thus the caller is responsible
729  * for synchronizing writes to the space map.
730  */
731 void
732 space_map_write(space_map_t *sm, range_tree_t *rt, maptype_t maptype,
733     uint64_t vdev_id, dmu_tx_t *tx)
734 {
735         objset_t *os = sm->sm_os;
736
737         ASSERT(dsl_pool_sync_context(dmu_objset_pool(os)));
738         VERIFY3U(space_map_object(sm), !=, 0);
739
740         dmu_buf_will_dirty(sm->sm_dbuf, tx);
741
742         /*
743          * This field is no longer necessary since the in-core space map
744          * now contains the object number but is maintained for backwards
745          * compatibility.
746          */
747         sm->sm_phys->smp_object = sm->sm_object;
748
749         if (range_tree_is_empty(rt)) {
750                 VERIFY3U(sm->sm_object, ==, sm->sm_phys->smp_object);
751                 return;
752         }
753
754         if (maptype == SM_ALLOC)
755                 sm->sm_phys->smp_alloc += range_tree_space(rt);
756         else
757                 sm->sm_phys->smp_alloc -= range_tree_space(rt);
758
759         uint64_t nodes = avl_numnodes(&rt->rt_root);
760         uint64_t rt_space = range_tree_space(rt);
761
762         space_map_write_impl(sm, rt, maptype, vdev_id, tx);
763
764         /*
765          * Ensure that the space_map's accounting wasn't changed
766          * while we were in the middle of writing it out.
767          */
768         VERIFY3U(nodes, ==, avl_numnodes(&rt->rt_root));
769         VERIFY3U(range_tree_space(rt), ==, rt_space);
770 }
771
772 static int
773 space_map_open_impl(space_map_t *sm)
774 {
775         int error;
776         u_longlong_t blocks;
777
778         error = dmu_bonus_hold(sm->sm_os, sm->sm_object, sm, &sm->sm_dbuf);
779         if (error)
780                 return (error);
781
782         dmu_object_size_from_db(sm->sm_dbuf, &sm->sm_blksz, &blocks);
783         sm->sm_phys = sm->sm_dbuf->db_data;
784         return (0);
785 }
786
787 int
788 space_map_open(space_map_t **smp, objset_t *os, uint64_t object,
789     uint64_t start, uint64_t size, uint8_t shift)
790 {
791         space_map_t *sm;
792         int error;
793
794         ASSERT(*smp == NULL);
795         ASSERT(os != NULL);
796         ASSERT(object != 0);
797
798         sm = kmem_zalloc(sizeof (space_map_t), KM_SLEEP);
799
800         sm->sm_start = start;
801         sm->sm_size = size;
802         sm->sm_shift = shift;
803         sm->sm_os = os;
804         sm->sm_object = object;
805
806         error = space_map_open_impl(sm);
807         if (error != 0) {
808                 space_map_close(sm);
809                 return (error);
810         }
811         *smp = sm;
812
813         return (0);
814 }
815
816 void
817 space_map_close(space_map_t *sm)
818 {
819         if (sm == NULL)
820                 return;
821
822         if (sm->sm_dbuf != NULL)
823                 dmu_buf_rele(sm->sm_dbuf, sm);
824         sm->sm_dbuf = NULL;
825         sm->sm_phys = NULL;
826
827         kmem_free(sm, sizeof (*sm));
828 }
829
830 void
831 space_map_truncate(space_map_t *sm, int blocksize, dmu_tx_t *tx)
832 {
833         objset_t *os = sm->sm_os;
834         spa_t *spa = dmu_objset_spa(os);
835         dmu_object_info_t doi;
836
837         ASSERT(dsl_pool_sync_context(dmu_objset_pool(os)));
838         ASSERT(dmu_tx_is_syncing(tx));
839         VERIFY3U(dmu_tx_get_txg(tx), <=, spa_final_dirty_txg(spa));
840
841         dmu_object_info_from_db(sm->sm_dbuf, &doi);
842
843         /*
844          * If the space map has the wrong bonus size (because
845          * SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM has recently been enabled), or
846          * the wrong block size (because space_map_blksz has changed),
847          * free and re-allocate its object with the updated sizes.
848          *
849          * Otherwise, just truncate the current object.
850          */
851         if ((spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM) &&
852             doi.doi_bonus_size != sizeof (space_map_phys_t)) ||
853             doi.doi_data_block_size != blocksize ||
854             doi.doi_metadata_block_size != 1 << space_map_ibs) {
855                 zfs_dbgmsg("txg %llu, spa %s, sm %p, reallocating "
856                     "object[%llu]: old bonus %u, old blocksz %u",
857                     dmu_tx_get_txg(tx), spa_name(spa), sm, sm->sm_object,
858                     doi.doi_bonus_size, doi.doi_data_block_size);
859
860                 space_map_free(sm, tx);
861                 dmu_buf_rele(sm->sm_dbuf, sm);
862
863                 sm->sm_object = space_map_alloc(sm->sm_os, blocksize, tx);
864                 VERIFY0(space_map_open_impl(sm));
865         } else {
866                 VERIFY0(dmu_free_range(os, space_map_object(sm), 0, -1ULL, tx));
867
868                 /*
869                  * If the spacemap is reallocated, its histogram
870                  * will be reset.  Do the same in the common case so that
871                  * bugs related to the uncommon case do not go unnoticed.
872                  */
873                 bzero(sm->sm_phys->smp_histogram,
874                     sizeof (sm->sm_phys->smp_histogram));
875         }
876
877         dmu_buf_will_dirty(sm->sm_dbuf, tx);
878         sm->sm_phys->smp_length = 0;
879         sm->sm_phys->smp_alloc = 0;
880 }
881
882 uint64_t
883 space_map_alloc(objset_t *os, int blocksize, dmu_tx_t *tx)
884 {
885         spa_t *spa = dmu_objset_spa(os);
886         uint64_t object;
887         int bonuslen;
888
889         if (spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM)) {
890                 spa_feature_incr(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM, tx);
891                 bonuslen = sizeof (space_map_phys_t);
892                 ASSERT3U(bonuslen, <=, dmu_bonus_max());
893         } else {
894                 bonuslen = SPACE_MAP_SIZE_V0;
895         }
896
897         object = dmu_object_alloc_ibs(os, DMU_OT_SPACE_MAP, blocksize,
898             space_map_ibs, DMU_OT_SPACE_MAP_HEADER, bonuslen, tx);
899
900         return (object);
901 }
902
903 void
904 space_map_free_obj(objset_t *os, uint64_t smobj, dmu_tx_t *tx)
905 {
906         spa_t *spa = dmu_objset_spa(os);
907         if (spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM)) {
908                 dmu_object_info_t doi;
909
910                 VERIFY0(dmu_object_info(os, smobj, &doi));
911                 if (doi.doi_bonus_size != SPACE_MAP_SIZE_V0) {
912                         spa_feature_decr(spa,
913                             SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM, tx);
914                 }
915         }
916
917         VERIFY0(dmu_object_free(os, smobj, tx));
918 }
919
920 void
921 space_map_free(space_map_t *sm, dmu_tx_t *tx)
922 {
923         if (sm == NULL)
924                 return;
925
926         space_map_free_obj(sm->sm_os, space_map_object(sm), tx);
927         sm->sm_object = 0;
928 }
929
930 /*
931  * Given a range tree, it makes a worst-case estimate of how much
932  * space would the tree's segments take if they were written to
933  * the given space map.
934  */
935 uint64_t
936 space_map_estimate_optimal_size(space_map_t *sm, range_tree_t *rt,
937     uint64_t vdev_id)
938 {
939         spa_t *spa = dmu_objset_spa(sm->sm_os);
940         uint64_t shift = sm->sm_shift;
941         uint64_t *histogram = rt->rt_histogram;
942         uint64_t entries_for_seg = 0;
943
944         /*
945          * In order to get a quick estimate of the optimal size that this
946          * range tree would have on-disk as a space map, we iterate through
947          * its histogram buckets instead of iterating through its nodes.
948          *
949          * Note that this is a highest-bound/worst-case estimate for the
950          * following reasons:
951          *
952          * 1] We assume that we always add a debug padding for each block
953          *    we write and we also assume that we start at the last word
954          *    of a block attempting to write a two-word entry.
955          * 2] Rounding up errors due to the way segments are distributed
956          *    in the buckets of the range tree's histogram.
957          * 3] The activation of zfs_force_some_double_word_sm_entries
958          *    (tunable) when testing.
959          *
960          * = Math and Rounding Errors =
961          *
962          * rt_histogram[i] bucket of a range tree represents the number
963          * of entries in [2^i, (2^(i+1))-1] of that range_tree. Given
964          * that, we want to divide the buckets into groups: Buckets that
965          * can be represented using a single-word entry, ones that can
966          * be represented with a double-word entry, and ones that can
967          * only be represented with multiple two-word entries.
968          *
969          * [Note that if the new encoding feature is not enabled there
970          * are only two groups: single-word entry buckets and multiple
971          * single-word entry buckets. The information below assumes
972          * two-word entries enabled, but it can easily applied when
973          * the feature is not enabled]
974          *
975          * To find the highest bucket that can be represented with a
976          * single-word entry we look at the maximum run that such entry
977          * can have, which is 2^(SM_RUN_BITS + sm_shift) [remember that
978          * the run of a space map entry is shifted by sm_shift, thus we
979          * add it to the exponent]. This way, excluding the value of the
980          * maximum run that can be represented by a single-word entry,
981          * all runs that are smaller exist in buckets 0 to
982          * SM_RUN_BITS + shift - 1.
983          *
984          * To find the highest bucket that can be represented with a
985          * double-word entry, we follow the same approach. Finally, any
986          * bucket higher than that are represented with multiple two-word
987          * entries. To be more specific, if the highest bucket whose
988          * segments can be represented with a single two-word entry is X,
989          * then bucket X+1 will need 2 two-word entries for each of its
990          * segments, X+2 will need 4, X+3 will need 8, ...etc.
991          *
992          * With all of the above we make our estimation based on bucket
993          * groups. There is a rounding error though. As we mentioned in
994          * the example with the one-word entry, the maximum run that can
995          * be represented in a one-word entry 2^(SM_RUN_BITS + shift) is
996          * not part of bucket SM_RUN_BITS + shift - 1. Thus, segments of
997          * that length fall into the next bucket (and bucket group) where
998          * we start counting two-word entries and this is one more reason
999          * why the estimated size may end up being bigger than the actual
1000          * size written.
1001          */
1002         uint64_t size = 0;
1003         uint64_t idx = 0;
1004
1005         if (!spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_V2) ||
1006             (vdev_id == SM_NO_VDEVID && sm->sm_size < SM_OFFSET_MAX)) {
1007
1008                 /*
1009                  * If we are trying to force some double word entries just
1010                  * assume the worst-case of every single word entry being
1011                  * written as a double word entry.
1012                  */
1013                 uint64_t entry_size =
1014                     (spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_V2) &&
1015                     zfs_force_some_double_word_sm_entries) ?
1016                     (2 * sizeof (uint64_t)) : sizeof (uint64_t);
1017
1018                 uint64_t single_entry_max_bucket = SM_RUN_BITS + shift - 1;
1019                 for (; idx <= single_entry_max_bucket; idx++)
1020                         size += histogram[idx] * entry_size;
1021
1022                 if (!spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_V2)) {
1023                         for (; idx < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; idx++) {
1024                                 ASSERT3U(idx, >=, single_entry_max_bucket);
1025                                 entries_for_seg =
1026                                     1ULL << (idx - single_entry_max_bucket);
1027                                 size += histogram[idx] *
1028                                     entries_for_seg * entry_size;
1029                         }
1030                         return (size);
1031                 }
1032         }
1033
1034         ASSERT(spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_V2));
1035
1036         uint64_t double_entry_max_bucket = SM2_RUN_BITS + shift - 1;
1037         for (; idx <= double_entry_max_bucket; idx++)
1038                 size += histogram[idx] * 2 * sizeof (uint64_t);
1039
1040         for (; idx < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; idx++) {
1041                 ASSERT3U(idx, >=, double_entry_max_bucket);
1042                 entries_for_seg = 1ULL << (idx - double_entry_max_bucket);
1043                 size += histogram[idx] *
1044                     entries_for_seg * 2 * sizeof (uint64_t);
1045         }
1046
1047         /*
1048          * Assume the worst case where we start with the padding at the end
1049          * of the current block and we add an extra padding entry at the end
1050          * of all subsequent blocks.
1051          */
1052         size += ((size / sm->sm_blksz) + 1) * sizeof (uint64_t);
1053
1054         return (size);
1055 }
1056
1057 uint64_t
1058 space_map_object(space_map_t *sm)
1059 {
1060         return (sm != NULL ? sm->sm_object : 0);
1061 }
1062
1063 int64_t
1064 space_map_allocated(space_map_t *sm)
1065 {
1066         return (sm != NULL ? sm->sm_phys->smp_alloc : 0);
1067 }
1068
1069 uint64_t
1070 space_map_length(space_map_t *sm)
1071 {
1072         return (sm != NULL ? sm->sm_phys->smp_length : 0);
1073 }