sys/cddl/contrib/opensolaris/uts/common/fs/zfs/vdev_queue.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 /*
  27  * Copyright (c) 2012, 2018 by Delphix. All rights reserved.
  28  * Copyright (c) 2014 Integros [integros.com]
  29  */
  30
  31 #include <sys/zfs_context.h>
  32 #include <sys/vdev_impl.h>
  33 #include <sys/spa_impl.h>
  34 #include <sys/zio.h>
  35 #include <sys/avl.h>
  36 #include <sys/dsl_pool.h>
  37 #include <sys/metaslab_impl.h>
  38 #include <sys/abd.h>
  39
  40 /*
  41  * ZFS I/O Scheduler
  42  * ---------------
  43  *
  44  * ZFS issues I/O operations to leaf vdevs to satisfy and complete zios.  The
  45  * I/O scheduler determines when and in what order those operations are
  46  * issued.  The I/O scheduler divides operations into six I/O classes
  47  * prioritized in the following order: sync read, sync write, async read,
  48  * async write, scrub/resilver and trim.  Each queue defines the minimum and
  49  * maximum number of concurrent operations that may be issued to the device.
  50  * In addition, the device has an aggregate maximum. Note that the sum of the
  51  * per-queue minimums must not exceed the aggregate maximum, and if the
  52  * aggregate maximum is equal to or greater than the sum of the per-queue
  53  * maximums, the per-queue minimum has no effect.
  54  *
  55  * For many physical devices, throughput increases with the number of
  56  * concurrent operations, but latency typically suffers. Further, physical
  57  * devices typically have a limit at which more concurrent operations have no
  58  * effect on throughput or can actually cause it to decrease.
  59  *
  60  * The scheduler selects the next operation to issue by first looking for an
  61  * I/O class whose minimum has not been satisfied. Once all are satisfied and
  62  * the aggregate maximum has not been hit, the scheduler looks for classes
  63  * whose maximum has not been satisfied. Iteration through the I/O classes is
  64  * done in the order specified above. No further operations are issued if the
  65  * aggregate maximum number of concurrent operations has been hit or if there
  66  * are no operations queued for an I/O class that has not hit its maximum.
  67  * Every time an I/O is queued or an operation completes, the I/O scheduler
  68  * looks for new operations to issue.
  69  *
  70  * All I/O classes have a fixed maximum number of outstanding operations
  71  * except for the async write class. Asynchronous writes represent the data
  72  * that is committed to stable storage during the syncing stage for
  73  * transaction groups (see txg.c). Transaction groups enter the syncing state
  74  * periodically so the number of queued async writes will quickly burst up and
  75  * then bleed down to zero. Rather than servicing them as quickly as possible,
  76  * the I/O scheduler changes the maximum number of active async write I/Os
  77  * according to the amount of dirty data in the pool (see dsl_pool.c). Since
  78  * both throughput and latency typically increase with the number of
  79  * concurrent operations issued to physical devices, reducing the burstiness
  80  * in the number of concurrent operations also stabilizes the response time of
  81  * operations from other -- and in particular synchronous -- queues. In broad
  82  * strokes, the I/O scheduler will issue more concurrent operations from the
  83  * async write queue as there's more dirty data in the pool.
  84  *
  85  * Async Writes
  86  *
  87  * The number of concurrent operations issued for the async write I/O class
  88  * follows a piece-wise linear function defined by a few adjustable points.
  89  *
  90  *        |                   o---------| <-- zfs_vdev_async_write_max_active
  91  *   ^    |                  /^         |
  92  *   |    |                 / |         |
  93  * active |                /  |         |
  94  *  I/O   |               /   |         |
  95  * count  |              /    |         |
  96  *        |             /     |         |
  97  *        |------------o      |         | <-- zfs_vdev_async_write_min_active
  98  *       0|____________^______|_________|
  99  *        0%           |      |       100% of zfs_dirty_data_max
 100  *                     |      |
 101  *                     |      `-- zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent
 102  *                     `--------- zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent
 103  *
 104  * Until the amount of dirty data exceeds a minimum percentage of the dirty
 105  * data allowed in the pool, the I/O scheduler will limit the number of
 106  * concurrent operations to the minimum. As that threshold is crossed, the
 107  * number of concurrent operations issued increases linearly to the maximum at
 108  * the specified maximum percentage of the dirty data allowed in the pool.
 109  *
 110  * Ideally, the amount of dirty data on a busy pool will stay in the sloped
 111  * part of the function between zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent
 112  * and zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent. If it exceeds the
 113  * maximum percentage, this indicates that the rate of incoming data is
 114  * greater than the rate that the backend storage can handle. In this case, we
 115  * must further throttle incoming writes (see dmu_tx_delay() for details).
 116  */
 117
 118 /*
 119  * The maximum number of I/Os active to each device.  Ideally, this will be >=
 120  * the sum of each queue's max_active.  It must be at least the sum of each
 121  * queue's min_active.
 122  */
 123 uint32_t zfs_vdev_max_active = 1000;
 124
 125 /*
 126  * Per-queue limits on the number of I/Os active to each device.  If the
 127  * sum of the queue's max_active is < zfs_vdev_max_active, then the
 128  * min_active comes into play.  We will send min_active from each queue,
 129  * and then select from queues in the order defined by zio_priority_t.
 130  *
 131  * In general, smaller max_active's will lead to lower latency of synchronous
 132  * operations.  Larger max_active's may lead to higher overall throughput,
 133  * depending on underlying storage.
 134  *
 135  * The ratio of the queues' max_actives determines the balance of performance
 136  * between reads, writes, and scrubs.  E.g., increasing
 137  * zfs_vdev_scrub_max_active will cause the scrub or resilver to complete
 138  * more quickly, but reads and writes to have higher latency and lower
 139  * throughput.
 140  */
 141 uint32_t zfs_vdev_sync_read_min_active = 10;
 142 uint32_t zfs_vdev_sync_read_max_active = 10;
 143 uint32_t zfs_vdev_sync_write_min_active = 10;
 144 uint32_t zfs_vdev_sync_write_max_active = 10;
 145 uint32_t zfs_vdev_async_read_min_active = 1;
 146 uint32_t zfs_vdev_async_read_max_active = 3;
 147 uint32_t zfs_vdev_async_write_min_active = 1;
 148 uint32_t zfs_vdev_async_write_max_active = 10;
 149 uint32_t zfs_vdev_scrub_min_active = 1;
 150 uint32_t zfs_vdev_scrub_max_active = 2;
 151 uint32_t zfs_vdev_trim_min_active = 1;
 152 /*
 153  * TRIM max active is large in comparison to the other values due to the fact
 154  * that TRIM IOs are coalesced at the device layer. This value is set such
 155  * that a typical SSD can process the queued IOs in a single request.
 156  */
 157 uint32_t zfs_vdev_trim_max_active = 64;
 158 uint32_t zfs_vdev_removal_min_active = 1;
 159 uint32_t zfs_vdev_removal_max_active = 2;
 160
 161
 162 /*
 163  * When the pool has less than zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent
 164  * dirty data, use zfs_vdev_async_write_min_active.  When it has more than
 165  * zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent, use
 166  * zfs_vdev_async_write_max_active. The value is linearly interpolated
 167  * between min and max.
 168  */
 169 int zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent = 30;
 170 int zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent = 60;
 171
 172 /*
 173  * To reduce IOPs, we aggregate small adjacent I/Os into one large I/O.
 174  * For read I/Os, we also aggregate across small adjacency gaps; for writes
 175  * we include spans of optional I/Os to aid aggregation at the disk even when
 176  * they aren't able to help us aggregate at this level.
 177  */
 178 int zfs_vdev_aggregation_limit = 1 << 20;
 179 int zfs_vdev_read_gap_limit = 32 << 10;
 180 int zfs_vdev_write_gap_limit = 4 << 10;
 181
 182 /*
 183  * Define the queue depth percentage for each top-level. This percentage is
 184  * used in conjunction with zfs_vdev_async_max_active to determine how many
 185  * allocations a specific top-level vdev should handle. Once the queue depth
 186  * reaches zfs_vdev_queue_depth_pct * zfs_vdev_async_write_max_active / 100
 187  * then allocator will stop allocating blocks on that top-level device.
 188  * The default kernel setting is 1000% which will yield 100 allocations per
 189  * device. For userland testing, the default setting is 300% which equates
 190  * to 30 allocations per device.
 191  */
 192 #ifdef _KERNEL
 193 int zfs_vdev_queue_depth_pct = 1000;
 194 #else
 195 int zfs_vdev_queue_depth_pct = 300;
 196 #endif
 197
 198 /*
 199  * When performing allocations for a given metaslab, we want to make sure that
 200  * there are enough IOs to aggregate together to improve throughput. We want to
 201  * ensure that there are at least 128k worth of IOs that can be aggregated, and
 202  * we assume that the average allocation size is 4k, so we need the queue depth
 203  * to be 32 per allocator to get good aggregation of sequential writes.
 204  */
 205 int zfs_vdev_def_queue_depth = 32;
 206
 207 #ifdef __FreeBSD__
 208 #ifdef _KERNEL
 209 SYSCTL_DECL(_vfs_zfs_vdev);
 210
 211 static int sysctl_zfs_async_write_active_min_dirty_percent(SYSCTL_HANDLER_ARGS);
 212 SYSCTL_PROC(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, async_write_active_min_dirty_percent,
 213     CTLTYPE_UINT | CTLFLAG_MPSAFE | CTLFLAG_RWTUN, 0, sizeof(int),
 214     sysctl_zfs_async_write_active_min_dirty_percent, "I",
 215     "Percentage of async write dirty data below which "
 216     "async_write_min_active is used.");
 217
 218 static int sysctl_zfs_async_write_active_max_dirty_percent(SYSCTL_HANDLER_ARGS);
 219 SYSCTL_PROC(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, async_write_active_max_dirty_percent,
 220     CTLTYPE_UINT | CTLFLAG_MPSAFE | CTLFLAG_RWTUN, 0, sizeof(int),
 221     sysctl_zfs_async_write_active_max_dirty_percent, "I",
 222     "Percentage of async write dirty data above which "
 223     "async_write_max_active is used.");
 224
 225 SYSCTL_UINT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, max_active, CTLFLAG_RWTUN,
 226     &zfs_vdev_max_active, 0,
 227     "The maximum number of I/Os of all types active for each device.");
 228
 229 #define ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MIN(name)                                   \
 230 SYSCTL_UINT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, name ## _min_active, CTLFLAG_RWTUN,\
 231     &zfs_vdev_ ## name ## _min_active, 0,                               \
 232     "Initial number of I/O requests of type " #name                     \
 233     " active for each device");
 234
 235 #define ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MAX(name)                                   \
 236 SYSCTL_UINT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, name ## _max_active, CTLFLAG_RWTUN,\
 237     &zfs_vdev_ ## name ## _max_active, 0,                               \
 238     "Maximum number of I/O requests of type " #name                     \
 239     " active for each device");
 240
 241 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MIN(sync_read);
 242 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MAX(sync_read);
 243 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MIN(sync_write);
 244 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MAX(sync_write);
 245 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MIN(async_read);
 246 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MAX(async_read);
 247 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MIN(async_write);
 248 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MAX(async_write);
 249 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MIN(scrub);
 250 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MAX(scrub);
 251 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MIN(trim);
 252 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MAX(trim);
 253
 254 #undef ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB
 255
 256 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, aggregation_limit, CTLFLAG_RWTUN,
 257     &zfs_vdev_aggregation_limit, 0,
 258     "I/O requests are aggregated up to this size");
 259 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, read_gap_limit, CTLFLAG_RWTUN,
 260     &zfs_vdev_read_gap_limit, 0,
 261     "Acceptable gap between two reads being aggregated");
 262 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, write_gap_limit, CTLFLAG_RWTUN,
 263     &zfs_vdev_write_gap_limit, 0,
 264     "Acceptable gap between two writes being aggregated");
 265 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, queue_depth_pct, CTLFLAG_RWTUN,
 266     &zfs_vdev_queue_depth_pct, 0,
 267     "Queue depth percentage for each top-level");
 268
 269 static int
 270 sysctl_zfs_async_write_active_min_dirty_percent(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
 271 {
 272         int val, err;
 273
 274         val = zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent;
 275         err = sysctl_handle_int(oidp, &val, 0, req);
 276         if (err != 0 || req->newptr == NULL)
 277                 return (err);
 278
 279         if (val < 0 || val > 100 ||
 280             val >= zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent)
 281                 return (EINVAL);
 282
 283         zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent = val;
 284
 285         return (0);
 286 }
 287
 288 static int
 289 sysctl_zfs_async_write_active_max_dirty_percent(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
 290 {
 291         int val, err;
 292
 293         val = zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent;
 294         err = sysctl_handle_int(oidp, &val, 0, req);
 295         if (err != 0 || req->newptr == NULL)
 296                 return (err);
 297
 298         if (val < 0 || val > 100 ||
 299             val <= zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent)
 300                 return (EINVAL);
 301
 302         zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent = val;
 303
 304         return (0);
 305 }
 306 #endif
 307 #endif
 308
 309 int
 310 vdev_queue_offset_compare(const void *x1, const void *x2)
 311 {
 312         const zio_t *z1 = x1;
 313         const zio_t *z2 = x2;
 314
 315         if (z1->io_offset < z2->io_offset)
 316                 return (-1);
 317         if (z1->io_offset > z2->io_offset)
 318                 return (1);
 319
 320         if (z1 < z2)
 321                 return (-1);
 322         if (z1 > z2)
 323                 return (1);
 324
 325         return (0);
 326 }
 327
 328 static inline avl_tree_t *
 329 vdev_queue_class_tree(vdev_queue_t *vq, zio_priority_t p)
 330 {
 331         return (&vq->vq_class[p].vqc_queued_tree);
 332 }
 333
 334 static inline avl_tree_t *
 335 vdev_queue_type_tree(vdev_queue_t *vq, zio_type_t t)
 336 {
 337         if (t == ZIO_TYPE_READ)
 338                 return (&vq->vq_read_offset_tree);
 339         else if (t == ZIO_TYPE_WRITE)
 340                 return (&vq->vq_write_offset_tree);
 341         else
 342                 return (NULL);
 343 }
 344
 345 int
 346 vdev_queue_timestamp_compare(const void *x1, const void *x2)
 347 {
 348         const zio_t *z1 = x1;
 349         const zio_t *z2 = x2;
 350
 351         if (z1->io_timestamp < z2->io_timestamp)
 352                 return (-1);
 353         if (z1->io_timestamp > z2->io_timestamp)
 354                 return (1);
 355
 356         if (z1->io_offset < z2->io_offset)
 357                 return (-1);
 358         if (z1->io_offset > z2->io_offset)
 359                 return (1);
 360
 361         if (z1 < z2)
 362                 return (-1);
 363         if (z1 > z2)
 364                 return (1);
 365
 366         return (0);
 367 }
 368
 369 void
 370 vdev_queue_init(vdev_t *vd)
 371 {
 372         vdev_queue_t *vq = &vd->vdev_queue;
 373
 374         mutex_init(&vq->vq_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
 375         vq->vq_vdev = vd;
 376
 377         avl_create(&vq->vq_active_tree, vdev_queue_offset_compare,
 378             sizeof (zio_t), offsetof(struct zio, io_queue_node));
 379         avl_create(vdev_queue_type_tree(vq, ZIO_TYPE_READ),
 380             vdev_queue_offset_compare, sizeof (zio_t),
 381             offsetof(struct zio, io_offset_node));
 382         avl_create(vdev_queue_type_tree(vq, ZIO_TYPE_WRITE),
 383             vdev_queue_offset_compare, sizeof (zio_t),
 384             offsetof(struct zio, io_offset_node));
 385
 386         for (zio_priority_t p = 0; p < ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE; p++) {
 387                 int (*compfn) (const void *, const void *);
 388
 389                 /*
 390                  * The synchronous i/o queues are dispatched in FIFO rather
 391                  * than LBA order.  This provides more consistent latency for
 392                  * these i/os.
 393                  */
 394                 if (p == ZIO_PRIORITY_SYNC_READ || p == ZIO_PRIORITY_SYNC_WRITE)
 395                         compfn = vdev_queue_timestamp_compare;
 396                 else
 397                         compfn = vdev_queue_offset_compare;
 398
 399                 avl_create(vdev_queue_class_tree(vq, p), compfn,
 400                     sizeof (zio_t), offsetof(struct zio, io_queue_node));
 401         }
 402
 403         vq->vq_lastoffset = 0;
 404 }
 405
 406 void
 407 vdev_queue_fini(vdev_t *vd)
 408 {
 409         vdev_queue_t *vq = &vd->vdev_queue;
 410
 411         for (zio_priority_t p = 0; p < ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE; p++)
 412                 avl_destroy(vdev_queue_class_tree(vq, p));
 413         avl_destroy(&vq->vq_active_tree);
 414         avl_destroy(vdev_queue_type_tree(vq, ZIO_TYPE_READ));
 415         avl_destroy(vdev_queue_type_tree(vq, ZIO_TYPE_WRITE));
 416
 417         mutex_destroy(&vq->vq_lock);
 418 }
 419
 420 static void
 421 vdev_queue_io_add(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 422 {
 423         spa_t *spa = zio->io_spa;
 424         avl_tree_t *qtt;
 425
 426         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 427         ASSERT3U(zio->io_priority, <, ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 428         avl_add(vdev_queue_class_tree(vq, zio->io_priority), zio);
 429         qtt = vdev_queue_type_tree(vq, zio->io_type);
 430         if (qtt)
 431                 avl_add(qtt, zio);
 432
 433 #ifdef illumos
 434         mutex_enter(&spa->spa_iokstat_lock);
 435         spa->spa_queue_stats[zio->io_priority].spa_queued++;
 436         if (spa->spa_iokstat != NULL)
 437                 kstat_waitq_enter(spa->spa_iokstat->ks_data);
 438         mutex_exit(&spa->spa_iokstat_lock);
 439 #endif
 440 }
 441
 442 static void
 443 vdev_queue_io_remove(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 444 {
 445         spa_t *spa = zio->io_spa;
 446         avl_tree_t *qtt;
 447
 448         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 449         ASSERT3U(zio->io_priority, <, ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 450         avl_remove(vdev_queue_class_tree(vq, zio->io_priority), zio);
 451         qtt = vdev_queue_type_tree(vq, zio->io_type);
 452         if (qtt)
 453                 avl_remove(qtt, zio);
 454
 455 #ifdef illumos
 456         mutex_enter(&spa->spa_iokstat_lock);
 457         ASSERT3U(spa->spa_queue_stats[zio->io_priority].spa_queued, >, 0);
 458         spa->spa_queue_stats[zio->io_priority].spa_queued--;
 459         if (spa->spa_iokstat != NULL)
 460                 kstat_waitq_exit(spa->spa_iokstat->ks_data);
 461         mutex_exit(&spa->spa_iokstat_lock);
 462 #endif
 463 }
 464
 465 static void
 466 vdev_queue_pending_add(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 467 {
 468         spa_t *spa = zio->io_spa;
 469         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 470         ASSERT3U(zio->io_priority, <, ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 471         vq->vq_class[zio->io_priority].vqc_active++;
 472         avl_add(&vq->vq_active_tree, zio);
 473
 474 #ifdef illumos
 475         mutex_enter(&spa->spa_iokstat_lock);
 476         spa->spa_queue_stats[zio->io_priority].spa_active++;
 477         if (spa->spa_iokstat != NULL)
 478                 kstat_runq_enter(spa->spa_iokstat->ks_data);
 479         mutex_exit(&spa->spa_iokstat_lock);
 480 #endif
 481 }
 482
 483 static void
 484 vdev_queue_pending_remove(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 485 {
 486         spa_t *spa = zio->io_spa;
 487         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 488         ASSERT3U(zio->io_priority, <, ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 489         vq->vq_class[zio->io_priority].vqc_active--;
 490         avl_remove(&vq->vq_active_tree, zio);
 491
 492 #ifdef illumos
 493         mutex_enter(&spa->spa_iokstat_lock);
 494         ASSERT3U(spa->spa_queue_stats[zio->io_priority].spa_active, >, 0);
 495         spa->spa_queue_stats[zio->io_priority].spa_active--;
 496         if (spa->spa_iokstat != NULL) {
 497                 kstat_io_t *ksio = spa->spa_iokstat->ks_data;
 498
 499                 kstat_runq_exit(spa->spa_iokstat->ks_data);
 500                 if (zio->io_type == ZIO_TYPE_READ) {
 501                         ksio->reads++;
 502                         ksio->nread += zio->io_size;
 503                 } else if (zio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE) {
 504                         ksio->writes++;
 505                         ksio->nwritten += zio->io_size;
 506                 }
 507         }
 508         mutex_exit(&spa->spa_iokstat_lock);
 509 #endif
 510 }
 511
 512 static void
 513 vdev_queue_agg_io_done(zio_t *aio)
 514 {
 515         if (aio->io_type == ZIO_TYPE_READ) {
 516                 zio_t *pio;
 517                 zio_link_t *zl = NULL;
 518                 while ((pio = zio_walk_parents(aio, &zl)) != NULL) {
 519                         abd_copy_off(pio->io_abd, aio->io_abd,
 520                             0, pio->io_offset - aio->io_offset, pio->io_size);
 521                 }
 522         }
 523
 524         abd_free(aio->io_abd);
 525 }
 526
 527 static int
 528 vdev_queue_class_min_active(zio_priority_t p)
 529 {
 530         switch (p) {
 531         case ZIO_PRIORITY_SYNC_READ:
 532                 return (zfs_vdev_sync_read_min_active);
 533         case ZIO_PRIORITY_SYNC_WRITE:
 534                 return (zfs_vdev_sync_write_min_active);
 535         case ZIO_PRIORITY_ASYNC_READ:
 536                 return (zfs_vdev_async_read_min_active);
 537         case ZIO_PRIORITY_ASYNC_WRITE:
 538                 return (zfs_vdev_async_write_min_active);
 539         case ZIO_PRIORITY_SCRUB:
 540                 return (zfs_vdev_scrub_min_active);
 541         case ZIO_PRIORITY_TRIM:
 542                 return (zfs_vdev_trim_min_active);
 543         case ZIO_PRIORITY_REMOVAL:
 544                 return (zfs_vdev_removal_min_active);
 545         default:
 546                 panic("invalid priority %u", p);
 547                 return (0);
 548         }
 549 }
 550
 551 static __noinline int
 552 vdev_queue_max_async_writes(spa_t *spa)
 553 {
 554         int writes;
 555         uint64_t dirty = spa->spa_dsl_pool->dp_dirty_total;
 556         uint64_t min_bytes = zfs_dirty_data_max *
 557             zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent / 100;
 558         uint64_t max_bytes = zfs_dirty_data_max *
 559             zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent / 100;
 560
 561         /*
 562          * Sync tasks correspond to interactive user actions. To reduce the
 563          * execution time of those actions we push data out as fast as possible.
 564          */
 565         if (spa_has_pending_synctask(spa)) {
 566                 return (zfs_vdev_async_write_max_active);
 567         }
 568
 569         if (dirty < min_bytes)
 570                 return (zfs_vdev_async_write_min_active);
 571         if (dirty > max_bytes)
 572                 return (zfs_vdev_async_write_max_active);
 573
 574         /*
 575          * linear interpolation:
 576          * slope = (max_writes - min_writes) / (max_bytes - min_bytes)
 577          * move right by min_bytes
 578          * move up by min_writes
 579          */
 580         writes = (dirty - min_bytes) *
 581             (zfs_vdev_async_write_max_active -
 582             zfs_vdev_async_write_min_active) /
 583             (max_bytes - min_bytes) +
 584             zfs_vdev_async_write_min_active;
 585         ASSERT3U(writes, >=, zfs_vdev_async_write_min_active);
 586         ASSERT3U(writes, <=, zfs_vdev_async_write_max_active);
 587         return (writes);
 588 }
 589
 590 static int
 591 vdev_queue_class_max_active(spa_t *spa, zio_priority_t p)
 592 {
 593         switch (p) {
 594         case ZIO_PRIORITY_SYNC_READ:
 595                 return (zfs_vdev_sync_read_max_active);
 596         case ZIO_PRIORITY_SYNC_WRITE:
 597                 return (zfs_vdev_sync_write_max_active);
 598         case ZIO_PRIORITY_ASYNC_READ:
 599                 return (zfs_vdev_async_read_max_active);
 600         case ZIO_PRIORITY_ASYNC_WRITE:
 601                 return (vdev_queue_max_async_writes(spa));
 602         case ZIO_PRIORITY_SCRUB:
 603                 return (zfs_vdev_scrub_max_active);
 604         case ZIO_PRIORITY_TRIM:
 605                 return (zfs_vdev_trim_max_active);
 606         case ZIO_PRIORITY_REMOVAL:
 607                 return (zfs_vdev_removal_max_active);
 608         default:
 609                 panic("invalid priority %u", p);
 610                 return (0);
 611         }
 612 }
 613
 614 /*
 615  * Return the i/o class to issue from, or ZIO_PRIORITY_MAX_QUEUEABLE if
 616  * there is no eligible class.
 617  */
 618 static zio_priority_t
 619 vdev_queue_class_to_issue(vdev_queue_t *vq)
 620 {
 621         spa_t *spa = vq->vq_vdev->vdev_spa;
 622         zio_priority_t p;
 623
 624         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 625
 626         if (avl_numnodes(&vq->vq_active_tree) >= zfs_vdev_max_active)
 627                 return (ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 628
 629         /* find a queue that has not reached its minimum # outstanding i/os */
 630         for (p = 0; p < ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE; p++) {
 631                 if (avl_numnodes(vdev_queue_class_tree(vq, p)) > 0 &&
 632                     vq->vq_class[p].vqc_active <
 633                     vdev_queue_class_min_active(p))
 634                         return (p);
 635         }
 636
 637         /*
 638          * If we haven't found a queue, look for one that hasn't reached its
 639          * maximum # outstanding i/os.
 640          */
 641         for (p = 0; p < ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE; p++) {
 642                 if (avl_numnodes(vdev_queue_class_tree(vq, p)) > 0 &&
 643                     vq->vq_class[p].vqc_active <
 644                     vdev_queue_class_max_active(spa, p))
 645                         return (p);
 646         }
 647
 648         /* No eligible queued i/os */
 649         return (ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 650 }
 651
 652 /*
 653  * Compute the range spanned by two i/os, which is the endpoint of the last
 654  * (lio->io_offset + lio->io_size) minus start of the first (fio->io_offset).
 655  * Conveniently, the gap between fio and lio is given by -IO_SPAN(lio, fio);
 656  * thus fio and lio are adjacent if and only if IO_SPAN(lio, fio) == 0.
 657  */
 658 #define IO_SPAN(fio, lio) ((lio)->io_offset + (lio)->io_size - (fio)->io_offset)
 659 #define IO_GAP(fio, lio) (-IO_SPAN(lio, fio))
 660
 661 static zio_t *
 662 vdev_queue_aggregate(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 663 {
 664         zio_t *first, *last, *aio, *dio, *mandatory, *nio;
 665         uint64_t maxgap = 0;
 666         uint64_t size;
 667         boolean_t stretch;
 668         avl_tree_t *t;
 669         enum zio_flag flags;
 670
 671         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 672
 673         if (zio->io_flags & ZIO_FLAG_DONT_AGGREGATE)
 674                 return (NULL);
 675
 676         first = last = zio;
 677
 678         if (zio->io_type == ZIO_TYPE_READ)
 679                 maxgap = zfs_vdev_read_gap_limit;
 680
 681         /*
 682          * We can aggregate I/Os that are sufficiently adjacent and of
 683          * the same flavor, as expressed by the AGG_INHERIT flags.
 684          * The latter requirement is necessary so that certain
 685          * attributes of the I/O, such as whether it's a normal I/O
 686          * or a scrub/resilver, can be preserved in the aggregate.
 687          * We can include optional I/Os, but don't allow them
 688          * to begin a range as they add no benefit in that situation.
 689          */
 690
 691         /*
 692          * We keep track of the last non-optional I/O.
 693          */
 694         mandatory = (first->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL) ? NULL : first;
 695
 696         /*
 697          * Walk backwards through sufficiently contiguous I/Os
 698          * recording the last non-optional I/O.
 699          */
 700         flags = zio->io_flags & ZIO_FLAG_AGG_INHERIT;
 701         t = vdev_queue_type_tree(vq, zio->io_type);
 702         while (t != NULL && (dio = AVL_PREV(t, first)) != NULL &&
 703             (dio->io_flags & ZIO_FLAG_AGG_INHERIT) == flags &&
 704             IO_SPAN(dio, last) <= zfs_vdev_aggregation_limit &&
 705             IO_GAP(dio, first) <= maxgap &&
 706             dio->io_type == zio->io_type) {
 707                 first = dio;
 708                 if (mandatory == NULL && !(first->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL))
 709                         mandatory = first;
 710         }
 711
 712         /*
 713          * Skip any initial optional I/Os.
 714          */
 715         while ((first->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL) && first != last) {
 716                 first = AVL_NEXT(t, first);
 717                 ASSERT(first != NULL);
 718         }
 719
 720         /*
 721          * Walk forward through sufficiently contiguous I/Os.
 722          * The aggregation limit does not apply to optional i/os, so that
 723          * we can issue contiguous writes even if they are larger than the
 724          * aggregation limit.
 725          */
 726         while ((dio = AVL_NEXT(t, last)) != NULL &&
 727             (dio->io_flags & ZIO_FLAG_AGG_INHERIT) == flags &&
 728             (IO_SPAN(first, dio) <= zfs_vdev_aggregation_limit ||
 729             (dio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL)) &&
 730             IO_GAP(last, dio) <= maxgap &&
 731             dio->io_type == zio->io_type) {
 732                 last = dio;
 733                 if (!(last->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL))
 734                         mandatory = last;
 735         }
 736
 737         /*
 738          * Now that we've established the range of the I/O aggregation
 739          * we must decide what to do with trailing optional I/Os.
 740          * For reads, there's nothing to do. While we are unable to
 741          * aggregate further, it's possible that a trailing optional
 742          * I/O would allow the underlying device to aggregate with
 743          * subsequent I/Os. We must therefore determine if the next
 744          * non-optional I/O is close enough to make aggregation
 745          * worthwhile.
 746          */
 747         stretch = B_FALSE;
 748         if (zio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE && mandatory != NULL) {
 749                 zio_t *nio = last;
 750                 while ((dio = AVL_NEXT(t, nio)) != NULL &&
 751                     IO_GAP(nio, dio) == 0 &&
 752                     IO_GAP(mandatory, dio) <= zfs_vdev_write_gap_limit) {
 753                         nio = dio;
 754                         if (!(nio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL)) {
 755                                 stretch = B_TRUE;
 756                                 break;
 757                         }
 758                 }
 759         }
 760
 761         if (stretch) {
 762                 /*
 763                  * We are going to include an optional io in our aggregated
 764                  * span, thus closing the write gap.  Only mandatory i/os can
 765                  * start aggregated spans, so make sure that the next i/o
 766                  * after our span is mandatory.
 767                  */
 768                 dio = AVL_NEXT(t, last);
 769                 dio->io_flags &= ~ZIO_FLAG_OPTIONAL;
 770         } else {
 771                 /* do not include the optional i/o */
 772                 while (last != mandatory && last != first) {
 773                         ASSERT(last->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL);
 774                         last = AVL_PREV(t, last);
 775                         ASSERT(last != NULL);
 776                 }
 777         }
 778
 779         if (first == last)
 780                 return (NULL);
 781
 782         size = IO_SPAN(first, last);
 783         ASSERT3U(size, <=, SPA_MAXBLOCKSIZE);
 784
 785         aio = zio_vdev_delegated_io(first->io_vd, first->io_offset,
 786             abd_alloc_for_io(size, B_TRUE), size, first->io_type,
 787             zio->io_priority, flags | ZIO_FLAG_DONT_CACHE | ZIO_FLAG_DONT_QUEUE,
 788             vdev_queue_agg_io_done, NULL);
 789         aio->io_timestamp = first->io_timestamp;
 790
 791         nio = first;
 792         do {
 793                 dio = nio;
 794                 nio = AVL_NEXT(t, dio);
 795                 ASSERT3U(dio->io_type, ==, aio->io_type);
 796
 797                 if (dio->io_flags & ZIO_FLAG_NODATA) {
 798                         ASSERT3U(dio->io_type, ==, ZIO_TYPE_WRITE);
 799                         abd_zero_off(aio->io_abd,
 800                             dio->io_offset - aio->io_offset, dio->io_size);
 801                 } else if (dio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE) {
 802                         abd_copy_off(aio->io_abd, dio->io_abd,
 803                             dio->io_offset - aio->io_offset, 0, dio->io_size);
 804                 }
 805
 806                 zio_add_child(dio, aio);
 807                 vdev_queue_io_remove(vq, dio);
 808                 zio_vdev_io_bypass(dio);
 809                 zio_execute(dio);
 810         } while (dio != last);
 811
 812         return (aio);
 813 }
 814
 815 static zio_t *
 816 vdev_queue_io_to_issue(vdev_queue_t *vq)
 817 {
 818         zio_t *zio, *aio;
 819         zio_priority_t p;
 820         avl_index_t idx;
 821         avl_tree_t *tree;
 822         zio_t search;
 823
 824 again:
 825         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 826
 827         p = vdev_queue_class_to_issue(vq);
 828
 829         if (p == ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE) {
 830                 /* No eligible queued i/os */
 831                 return (NULL);
 832         }
 833
 834         /*
 835          * For LBA-ordered queues (async / scrub), issue the i/o which follows
 836          * the most recently issued i/o in LBA (offset) order.
 837          *
 838          * For FIFO queues (sync), issue the i/o with the lowest timestamp.
 839          */
 840         tree = vdev_queue_class_tree(vq, p);
 841         search.io_timestamp = 0;
 842         search.io_offset = vq->vq_last_offset + 1;
 843         VERIFY3P(avl_find(tree, &search, &idx), ==, NULL);
 844         zio = avl_nearest(tree, idx, AVL_AFTER);
 845         if (zio == NULL)
 846                 zio = avl_first(tree);
 847         ASSERT3U(zio->io_priority, ==, p);
 848
 849         aio = vdev_queue_aggregate(vq, zio);
 850         if (aio != NULL)
 851                 zio = aio;
 852         else
 853                 vdev_queue_io_remove(vq, zio);
 854
 855         /*
 856          * If the I/O is or was optional and therefore has no data, we need to
 857          * simply discard it. We need to drop the vdev queue's lock to avoid a
 858          * deadlock that we could encounter since this I/O will complete
 859          * immediately.
 860          */
 861         if (zio->io_flags & ZIO_FLAG_NODATA) {
 862                 mutex_exit(&vq->vq_lock);
 863                 zio_vdev_io_bypass(zio);
 864                 zio_execute(zio);
 865                 mutex_enter(&vq->vq_lock);
 866                 goto again;
 867         }
 868
 869         vdev_queue_pending_add(vq, zio);
 870         vq->vq_last_offset = zio->io_offset;
 871
 872         return (zio);
 873 }
 874
 875 zio_t *
 876 vdev_queue_io(zio_t *zio)
 877 {
 878         vdev_queue_t *vq = &zio->io_vd->vdev_queue;
 879         zio_t *nio;
 880
 881         if (zio->io_flags & ZIO_FLAG_DONT_QUEUE)
 882                 return (zio);
 883
 884         /*
 885          * Children i/os inherent their parent's priority, which might
 886          * not match the child's i/o type.  Fix it up here.
 887          */
 888         if (zio->io_type == ZIO_TYPE_READ) {
 889                 if (zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_SYNC_READ &&
 890                     zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_ASYNC_READ &&
 891                     zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_SCRUB &&
 892                     zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_REMOVAL)
 893                         zio->io_priority = ZIO_PRIORITY_ASYNC_READ;
 894         } else if (zio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE) {
 895                 if (zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_SYNC_WRITE &&
 896                     zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_ASYNC_WRITE &&
 897                     zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_REMOVAL)
 898                         zio->io_priority = ZIO_PRIORITY_ASYNC_WRITE;
 899         } else {
 900                 ASSERT(zio->io_type == ZIO_TYPE_FREE);
 901                 zio->io_priority = ZIO_PRIORITY_TRIM;
 902         }
 903
 904         zio->io_flags |= ZIO_FLAG_DONT_CACHE | ZIO_FLAG_DONT_QUEUE;
 905
 906         mutex_enter(&vq->vq_lock);
 907         zio->io_timestamp = gethrtime();
 908         vdev_queue_io_add(vq, zio);
 909         nio = vdev_queue_io_to_issue(vq);
 910         mutex_exit(&vq->vq_lock);
 911
 912         if (nio == NULL)
 913                 return (NULL);
 914
 915         if (nio->io_done == vdev_queue_agg_io_done) {
 916                 zio_nowait(nio);
 917                 return (NULL);
 918         }
 919
 920         return (nio);
 921 }
 922
 923 void
 924 vdev_queue_io_done(zio_t *zio)
 925 {
 926         vdev_queue_t *vq = &zio->io_vd->vdev_queue;
 927         zio_t *nio;
 928
 929         mutex_enter(&vq->vq_lock);
 930
 931         vdev_queue_pending_remove(vq, zio);
 932
 933         vq->vq_io_complete_ts = gethrtime();
 934
 935         while ((nio = vdev_queue_io_to_issue(vq)) != NULL) {
 936                 mutex_exit(&vq->vq_lock);
 937                 if (nio->io_done == vdev_queue_agg_io_done) {
 938                         zio_nowait(nio);
 939                 } else {
 940                         zio_vdev_io_reissue(nio);
 941                         zio_execute(nio);
 942                 }
 943                 mutex_enter(&vq->vq_lock);
 944         }
 945
 946         mutex_exit(&vq->vq_lock);
 947 }
 948
 949 void
 950 vdev_queue_change_io_priority(zio_t *zio, zio_priority_t priority)
 951 {
 952         vdev_queue_t *vq = &zio->io_vd->vdev_queue;
 953         avl_tree_t *tree;
 954
 955         ASSERT3U(zio->io_priority, <, ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 956         ASSERT3U(priority, <, ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 957
 958         if (zio->io_type == ZIO_TYPE_READ) {
 959                 if (priority != ZIO_PRIORITY_SYNC_READ &&
 960                     priority != ZIO_PRIORITY_ASYNC_READ &&
 961                     priority != ZIO_PRIORITY_SCRUB)
 962                         priority = ZIO_PRIORITY_ASYNC_READ;
 963         } else {
 964                 ASSERT(zio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE);
 965                 if (priority != ZIO_PRIORITY_SYNC_WRITE &&
 966                     priority != ZIO_PRIORITY_ASYNC_WRITE)
 967                         priority = ZIO_PRIORITY_ASYNC_WRITE;
 968         }
 969
 970         mutex_enter(&vq->vq_lock);
 971
 972         /*
 973          * If the zio is in none of the queues we can simply change
 974          * the priority. If the zio is waiting to be submitted we must
 975          * remove it from the queue and re-insert it with the new priority.
 976          * Otherwise, the zio is currently active and we cannot change its
 977          * priority.
 978          */
 979         tree = vdev_queue_class_tree(vq, zio->io_priority);
 980         if (avl_find(tree, zio, NULL) == zio) {
 981                 avl_remove(vdev_queue_class_tree(vq, zio->io_priority), zio);
 982                 zio->io_priority = priority;
 983                 avl_add(vdev_queue_class_tree(vq, zio->io_priority), zio);
 984         } else if (avl_find(&vq->vq_active_tree, zio, NULL) != zio) {
 985                 zio->io_priority = priority;
 986         }
 987
 988         mutex_exit(&vq->vq_lock);
 989 }
 990
 991 /*
 992  * As these three methods are only used for load calculations we're not concerned
 993  * if we get an incorrect value on 32bit platforms due to lack of vq_lock mutex
 994  * use here, instead we prefer to keep it lock free for performance.
 995  */
 996 int
 997 vdev_queue_length(vdev_t *vd)
 998 {
 999         return (avl_numnodes(&vd->vdev_queue.vq_active_tree));
1000 }
1001
1002 uint64_t
1003 vdev_queue_lastoffset(vdev_t *vd)
1004 {
1005         return (vd->vdev_queue.vq_lastoffset);
1006 }
1007
1008 void
1009 vdev_queue_register_lastoffset(vdev_t *vd, zio_t *zio)
1010 {
1011         vd->vdev_queue.vq_lastoffset = zio->io_offset + zio->io_size;
1012 }