]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - sys/cddl/contrib/opensolaris/uts/common/fs/zfs/sys/metaslab_impl.h
MFC r317527: MFV 316898
[FreeBSD/FreeBSD.git] / sys / cddl / contrib / opensolaris / uts / common / fs / zfs / sys / metaslab_impl.h
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 /*
27  * Copyright (c) 2011, 2015 by Delphix. All rights reserved.
28  */
29
30 #ifndef _SYS_METASLAB_IMPL_H
31 #define _SYS_METASLAB_IMPL_H
32
33 #include <sys/metaslab.h>
34 #include <sys/space_map.h>
35 #include <sys/range_tree.h>
36 #include <sys/vdev.h>
37 #include <sys/txg.h>
38 #include <sys/avl.h>
39
40 #ifdef  __cplusplus
41 extern "C" {
42 #endif
43
44 /*
45  * Metaslab allocation tracing record.
46  */
47 typedef struct metaslab_alloc_trace {
48         list_node_t                     mat_list_node;
49         metaslab_group_t                *mat_mg;
50         metaslab_t                      *mat_msp;
51         uint64_t                        mat_size;
52         uint64_t                        mat_weight;
53         uint32_t                        mat_dva_id;
54         uint64_t                        mat_offset;
55 } metaslab_alloc_trace_t;
56
57 /*
58  * Used by the metaslab allocation tracing facility to indicate
59  * error conditions. These errors are stored to the offset member
60  * of the metaslab_alloc_trace_t record and displayed by mdb.
61  */
62 typedef enum trace_alloc_type {
63         TRACE_ALLOC_FAILURE     = -1ULL,
64         TRACE_TOO_SMALL         = -2ULL,
65         TRACE_FORCE_GANG        = -3ULL,
66         TRACE_NOT_ALLOCATABLE   = -4ULL,
67         TRACE_GROUP_FAILURE     = -5ULL,
68         TRACE_ENOSPC            = -6ULL,
69         TRACE_CONDENSING        = -7ULL,
70         TRACE_VDEV_ERROR        = -8ULL
71 } trace_alloc_type_t;
72
73 #define METASLAB_WEIGHT_PRIMARY         (1ULL << 63)
74 #define METASLAB_WEIGHT_SECONDARY       (1ULL << 62)
75 #define METASLAB_WEIGHT_TYPE            (1ULL << 61)
76 #define METASLAB_ACTIVE_MASK            \
77         (METASLAB_WEIGHT_PRIMARY | METASLAB_WEIGHT_SECONDARY)
78
79 /*
80  * The metaslab weight is used to encode the amount of free space in a
81  * metaslab, such that the "best" metaslab appears first when sorting the
82  * metaslabs by weight. The weight (and therefore the "best" metaslab) can
83  * be determined in two different ways: by computing a weighted sum of all
84  * the free space in the metaslab (a space based weight) or by counting only
85  * the free segments of the largest size (a segment based weight). We prefer
86  * the segment based weight because it reflects how the free space is
87  * comprised, but we cannot always use it -- legacy pools do not have the
88  * space map histogram information necessary to determine the largest
89  * contiguous regions. Pools that have the space map histogram determine
90  * the segment weight by looking at each bucket in the histogram and
91  * determining the free space whose size in bytes is in the range:
92  *      [2^i, 2^(i+1))
93  * We then encode the largest index, i, that contains regions into the
94  * segment-weighted value.
95  *
96  * Space-based weight:
97  *
98  *      64      56      48      40      32      24      16      8       0
99  *      +-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+
100  *      |PS1|                   weighted-free space                     |
101  *      +-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+
102  *
103  *      PS - indicates primary and secondary activation
104  *      space - the fragmentation-weighted space
105  *
106  * Segment-based weight:
107  *
108  *      64      56      48      40      32      24      16      8       0
109  *      +-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+
110  *      |PS0| idx|             count of segments in region              |
111  *      +-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+
112  *
113  *      PS - indicates primary and secondary activation
114  *      idx - index for the highest bucket in the histogram
115  *      count - number of segments in the specified bucket
116  */
117 #define WEIGHT_GET_ACTIVE(weight)               BF64_GET((weight), 62, 2)
118 #define WEIGHT_SET_ACTIVE(weight, x)            BF64_SET((weight), 62, 2, x)
119
120 #define WEIGHT_IS_SPACEBASED(weight)            \
121         ((weight) == 0 || BF64_GET((weight), 61, 1))
122 #define WEIGHT_SET_SPACEBASED(weight)           BF64_SET((weight), 61, 1, 1)
123
124 /*
125  * These macros are only applicable to segment-based weighting.
126  */
127 #define WEIGHT_GET_INDEX(weight)                BF64_GET((weight), 55, 6)
128 #define WEIGHT_SET_INDEX(weight, x)             BF64_SET((weight), 55, 6, x)
129 #define WEIGHT_GET_COUNT(weight)                BF64_GET((weight), 0, 55)
130 #define WEIGHT_SET_COUNT(weight, x)             BF64_SET((weight), 0, 55, x)
131
132 /*
133  * A metaslab class encompasses a category of allocatable top-level vdevs.
134  * Each top-level vdev is associated with a metaslab group which defines
135  * the allocatable region for that vdev. Examples of these categories include
136  * "normal" for data block allocations (i.e. main pool allocations) or "log"
137  * for allocations designated for intent log devices (i.e. slog devices).
138  * When a block allocation is requested from the SPA it is associated with a
139  * metaslab_class_t, and only top-level vdevs (i.e. metaslab groups) belonging
140  * to the class can be used to satisfy that request. Allocations are done
141  * by traversing the metaslab groups that are linked off of the mc_rotor field.
142  * This rotor points to the next metaslab group where allocations will be
143  * attempted. Allocating a block is a 3 step process -- select the metaslab
144  * group, select the metaslab, and then allocate the block. The metaslab
145  * class defines the low-level block allocator that will be used as the
146  * final step in allocation. These allocators are pluggable allowing each class
147  * to use a block allocator that best suits that class.
148  */
149 struct metaslab_class {
150         kmutex_t                mc_lock;
151         spa_t                   *mc_spa;
152         metaslab_group_t        *mc_rotor;
153         metaslab_ops_t          *mc_ops;
154         uint64_t                mc_aliquot;
155
156         /*
157          * Track the number of metaslab groups that have been initialized
158          * and can accept allocations. An initialized metaslab group is
159          * one has been completely added to the config (i.e. we have
160          * updated the MOS config and the space has been added to the pool).
161          */
162         uint64_t                mc_groups;
163
164         /*
165          * Toggle to enable/disable the allocation throttle.
166          */
167         boolean_t               mc_alloc_throttle_enabled;
168
169         /*
170          * The allocation throttle works on a reservation system. Whenever
171          * an asynchronous zio wants to perform an allocation it must
172          * first reserve the number of blocks that it wants to allocate.
173          * If there aren't sufficient slots available for the pending zio
174          * then that I/O is throttled until more slots free up. The current
175          * number of reserved allocations is maintained by the mc_alloc_slots
176          * refcount. The mc_alloc_max_slots value determines the maximum
177          * number of allocations that the system allows. Gang blocks are
178          * allowed to reserve slots even if we've reached the maximum
179          * number of allocations allowed.
180          */
181         uint64_t                mc_alloc_max_slots;
182         refcount_t              mc_alloc_slots;
183
184         uint64_t                mc_alloc_groups; /* # of allocatable groups */
185
186         uint64_t                mc_alloc;       /* total allocated space */
187         uint64_t                mc_deferred;    /* total deferred frees */
188         uint64_t                mc_space;       /* total space (alloc + free) */
189         uint64_t                mc_dspace;      /* total deflated space */
190         uint64_t                mc_minblocksize;
191         uint64_t                mc_histogram[RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE];
192 };
193
194 /*
195  * Metaslab groups encapsulate all the allocatable regions (i.e. metaslabs)
196  * of a top-level vdev. They are linked togther to form a circular linked
197  * list and can belong to only one metaslab class. Metaslab groups may become
198  * ineligible for allocations for a number of reasons such as limited free
199  * space, fragmentation, or going offline. When this happens the allocator will
200  * simply find the next metaslab group in the linked list and attempt
201  * to allocate from that group instead.
202  */
203 struct metaslab_group {
204         kmutex_t                mg_lock;
205         avl_tree_t              mg_metaslab_tree;
206         uint64_t                mg_aliquot;
207         boolean_t               mg_allocatable;         /* can we allocate? */
208
209         /*
210          * A metaslab group is considered to be initialized only after
211          * we have updated the MOS config and added the space to the pool.
212          * We only allow allocation attempts to a metaslab group if it
213          * has been initialized.
214          */
215         boolean_t               mg_initialized;
216
217         uint64_t                mg_free_capacity;       /* percentage free */
218         int64_t                 mg_bias;
219         int64_t                 mg_activation_count;
220         metaslab_class_t        *mg_class;
221         vdev_t                  *mg_vd;
222         taskq_t                 *mg_taskq;
223         metaslab_group_t        *mg_prev;
224         metaslab_group_t        *mg_next;
225
226         /*
227          * Each metaslab group can handle mg_max_alloc_queue_depth allocations
228          * which are tracked by mg_alloc_queue_depth. It's possible for a
229          * metaslab group to handle more allocations than its max. This
230          * can occur when gang blocks are required or when other groups
231          * are unable to handle their share of allocations.
232          */
233         uint64_t                mg_max_alloc_queue_depth;
234         refcount_t              mg_alloc_queue_depth;
235
236         /*
237          * A metalab group that can no longer allocate the minimum block
238          * size will set mg_no_free_space. Once a metaslab group is out
239          * of space then its share of work must be distributed to other
240          * groups.
241          */
242         boolean_t               mg_no_free_space;
243
244         uint64_t                mg_allocations;
245         uint64_t                mg_failed_allocations;
246         uint64_t                mg_fragmentation;
247         uint64_t                mg_histogram[RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE];
248 };
249
250 /*
251  * This value defines the number of elements in the ms_lbas array. The value
252  * of 64 was chosen as it covers all power of 2 buckets up to UINT64_MAX.
253  * This is the equivalent of highbit(UINT64_MAX).
254  */
255 #define MAX_LBAS        64
256
257 /*
258  * Each metaslab maintains a set of in-core trees to track metaslab
259  * operations.  The in-core free tree (ms_tree) contains the list of
260  * free segments which are eligible for allocation.  As blocks are
261  * allocated, the allocated segments are removed from the ms_tree and
262  * added to a per txg allocation tree (ms_alloctree).  This allows us to
263  * process all allocations in syncing context where it is safe to update
264  * the on-disk space maps.  Frees are also processed in syncing context.
265  * Most frees are generated from syncing context, and those that are not
266  * are held in the spa_free_bplist for processing in syncing context.
267  * An additional set of in-core trees is maintained to track deferred
268  * frees (ms_defertree).  Once a block is freed it will move from the
269  * ms_freedtree to the ms_defertree.  A deferred free means that a block
270  * has been freed but cannot be used by the pool until TXG_DEFER_SIZE
271  * transactions groups later.  For example, a block that is freed in txg
272  * 50 will not be available for reallocation until txg 52 (50 +
273  * TXG_DEFER_SIZE).  This provides a safety net for uberblock rollback.
274  * A pool could be safely rolled back TXG_DEFERS_SIZE transactions
275  * groups and ensure that no block has been reallocated.
276  *
277  * The simplified transition diagram looks like this:
278  *
279  *
280  *      ALLOCATE
281  *         |
282  *         V
283  *    free segment (ms_tree) -----> ms_alloctree[4] ----> (write to space map)
284  *         ^
285  *         |                           ms_freeingtree <--- FREE
286  *         |                                 |
287  *         |                                 v
288  *         |                           ms_freedtree
289  *         |                                 |
290  *         +-------- ms_defertree[2] <-------+---------> (write to space map)
291  *
292  *
293  * Each metaslab's space is tracked in a single space map in the MOS,
294  * which is only updated in syncing context.  Each time we sync a txg,
295  * we append the allocs and frees from that txg to the space map.  The
296  * pool space is only updated once all metaslabs have finished syncing.
297  *
298  * To load the in-core free tree we read the space map from disk.  This
299  * object contains a series of alloc and free records that are combined
300  * to make up the list of all free segments in this metaslab.  These
301  * segments are represented in-core by the ms_tree and are stored in an
302  * AVL tree.
303  *
304  * As the space map grows (as a result of the appends) it will
305  * eventually become space-inefficient.  When the metaslab's in-core
306  * free tree is zfs_condense_pct/100 times the size of the minimal
307  * on-disk representation, we rewrite it in its minimized form.  If a
308  * metaslab needs to condense then we must set the ms_condensing flag to
309  * ensure that allocations are not performed on the metaslab that is
310  * being written.
311  */
312 struct metaslab {
313         kmutex_t        ms_lock;
314         kcondvar_t      ms_load_cv;
315         space_map_t     *ms_sm;
316         uint64_t        ms_id;
317         uint64_t        ms_start;
318         uint64_t        ms_size;
319         uint64_t        ms_fragmentation;
320
321         range_tree_t    *ms_alloctree[TXG_SIZE];
322         range_tree_t    *ms_tree;
323
324         /*
325          * The following range trees are accessed only from syncing context.
326          * ms_free*tree only have entries while syncing, and are empty
327          * between syncs.
328          */
329         range_tree_t    *ms_freeingtree; /* to free this syncing txg */
330         range_tree_t    *ms_freedtree; /* already freed this syncing txg */
331         range_tree_t    *ms_defertree[TXG_DEFER_SIZE];
332
333         boolean_t       ms_condensing;  /* condensing? */
334         boolean_t       ms_condense_wanted;
335
336         /*
337          * We must hold both ms_lock and ms_group->mg_lock in order to
338          * modify ms_loaded.
339          */
340         boolean_t       ms_loaded;
341         boolean_t       ms_loading;
342
343         int64_t         ms_deferspace;  /* sum of ms_defermap[] space   */
344         uint64_t        ms_weight;      /* weight vs. others in group   */
345         uint64_t        ms_activation_weight;   /* activation weight    */
346
347         /*
348          * Track of whenever a metaslab is selected for loading or allocation.
349          * We use this value to determine how long the metaslab should
350          * stay cached.
351          */
352         uint64_t        ms_selected_txg;
353
354         uint64_t        ms_alloc_txg;   /* last successful alloc (debug only) */
355         uint64_t        ms_max_size;    /* maximum allocatable size     */
356
357         /*
358          * The metaslab block allocators can optionally use a size-ordered
359          * range tree and/or an array of LBAs. Not all allocators use
360          * this functionality. The ms_size_tree should always contain the
361          * same number of segments as the ms_tree. The only difference
362          * is that the ms_size_tree is ordered by segment sizes.
363          */
364         avl_tree_t      ms_size_tree;
365         uint64_t        ms_lbas[MAX_LBAS];
366
367         metaslab_group_t *ms_group;     /* metaslab group               */
368         avl_node_t      ms_group_node;  /* node in metaslab group tree  */
369         txg_node_t      ms_txg_node;    /* per-txg dirty metaslab links */
370 };
371
372 #ifdef  __cplusplus
373 }
374 #endif
375
376 #endif  /* _SYS_METASLAB_IMPL_H */