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 uint32_t zfs_vdev_initializing_min_active = 1;
 161 uint32_t zfs_vdev_initializing_max_active = 1;
 162
 163
 164 /*
 165  * When the pool has less than zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent
 166  * dirty data, use zfs_vdev_async_write_min_active.  When it has more than
 167  * zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent, use
 168  * zfs_vdev_async_write_max_active. The value is linearly interpolated
 169  * between min and max.
 170  */
 171 int zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent = 30;
 172 int zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent = 60;
 173
 174 /*
 175  * To reduce IOPs, we aggregate small adjacent I/Os into one large I/O.
 176  * For read I/Os, we also aggregate across small adjacency gaps; for writes
 177  * we include spans of optional I/Os to aid aggregation at the disk even when
 178  * they aren't able to help us aggregate at this level.
 179  */
 180 int zfs_vdev_aggregation_limit = 1 << 20;
 181 int zfs_vdev_aggregation_limit_non_rotating = SPA_OLD_MAXBLOCKSIZE;
 182 int zfs_vdev_read_gap_limit = 32 << 10;
 183 int zfs_vdev_write_gap_limit = 4 << 10;
 184
 185 /*
 186  * Define the queue depth percentage for each top-level. This percentage is
 187  * used in conjunction with zfs_vdev_async_max_active to determine how many
 188  * allocations a specific top-level vdev should handle. Once the queue depth
 189  * reaches zfs_vdev_queue_depth_pct * zfs_vdev_async_write_max_active / 100
 190  * then allocator will stop allocating blocks on that top-level device.
 191  * The default kernel setting is 1000% which will yield 100 allocations per
 192  * device. For userland testing, the default setting is 300% which equates
 193  * to 30 allocations per device.
 194  */
 195 #ifdef _KERNEL
 196 int zfs_vdev_queue_depth_pct = 1000;
 197 #else
 198 int zfs_vdev_queue_depth_pct = 300;
 199 #endif
 200
 201 /*
 202  * When performing allocations for a given metaslab, we want to make sure that
 203  * there are enough IOs to aggregate together to improve throughput. We want to
 204  * ensure that there are at least 128k worth of IOs that can be aggregated, and
 205  * we assume that the average allocation size is 4k, so we need the queue depth
 206  * to be 32 per allocator to get good aggregation of sequential writes.
 207  */
 208 int zfs_vdev_def_queue_depth = 32;
 209
 210 #ifdef __FreeBSD__
 211 #ifdef _KERNEL
 212 SYSCTL_DECL(_vfs_zfs_vdev);
 213
 214 static int sysctl_zfs_async_write_active_min_dirty_percent(SYSCTL_HANDLER_ARGS);
 215 SYSCTL_PROC(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, async_write_active_min_dirty_percent,
 216     CTLTYPE_UINT | CTLFLAG_MPSAFE | CTLFLAG_RWTUN, 0, sizeof(int),
 217     sysctl_zfs_async_write_active_min_dirty_percent, "I",
 218     "Percentage of async write dirty data below which "
 219     "async_write_min_active is used.");
 220
 221 static int sysctl_zfs_async_write_active_max_dirty_percent(SYSCTL_HANDLER_ARGS);
 222 SYSCTL_PROC(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, async_write_active_max_dirty_percent,
 223     CTLTYPE_UINT | CTLFLAG_MPSAFE | CTLFLAG_RWTUN, 0, sizeof(int),
 224     sysctl_zfs_async_write_active_max_dirty_percent, "I",
 225     "Percentage of async write dirty data above which "
 226     "async_write_max_active is used.");
 227
 228 SYSCTL_UINT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, max_active, CTLFLAG_RWTUN,
 229     &zfs_vdev_max_active, 0,
 230     "The maximum number of I/Os of all types active for each device.");
 231
 232 #define ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MIN(name)                                   \
 233 SYSCTL_UINT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, name ## _min_active, CTLFLAG_RWTUN,\
 234     &zfs_vdev_ ## name ## _min_active, 0,                               \
 235     "Initial number of I/O requests of type " #name                     \
 236     " active for each device");
 237
 238 #define ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MAX(name)                                   \
 239 SYSCTL_UINT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, name ## _max_active, CTLFLAG_RWTUN,\
 240     &zfs_vdev_ ## name ## _max_active, 0,                               \
 241     "Maximum number of I/O requests of type " #name                     \
 242     " active for each device");
 243
 244 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MIN(sync_read);
 245 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MAX(sync_read);
 246 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MIN(sync_write);
 247 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MAX(sync_write);
 248 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MIN(async_read);
 249 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MAX(async_read);
 250 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MIN(async_write);
 251 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MAX(async_write);
 252 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MIN(scrub);
 253 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MAX(scrub);
 254 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MIN(trim);
 255 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MAX(trim);
 256 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MIN(removal);
 257 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MAX(removal);
 258 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MIN(initializing);
 259 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MAX(initializing);
 260
 261 #undef ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB
 262
 263 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, aggregation_limit, CTLFLAG_RWTUN,
 264     &zfs_vdev_aggregation_limit, 0,
 265     "I/O requests are aggregated up to this size");
 266 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, aggregation_limit_non_rotating, CTLFLAG_RWTUN,
 267     &zfs_vdev_aggregation_limit_non_rotating, 0,
 268     "I/O requests are aggregated up to this size for non-rotating media");
 269 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, read_gap_limit, CTLFLAG_RWTUN,
 270     &zfs_vdev_read_gap_limit, 0,
 271     "Acceptable gap between two reads being aggregated");
 272 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, write_gap_limit, CTLFLAG_RWTUN,
 273     &zfs_vdev_write_gap_limit, 0,
 274     "Acceptable gap between two writes being aggregated");
 275 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, queue_depth_pct, CTLFLAG_RWTUN,
 276     &zfs_vdev_queue_depth_pct, 0,
 277     "Queue depth percentage for each top-level");
 278 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, def_queue_depth, CTLFLAG_RWTUN,
 279     &zfs_vdev_def_queue_depth, 0,
 280     "Default queue depth for each allocator");
 281
 282 static int
 283 sysctl_zfs_async_write_active_min_dirty_percent(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
 284 {
 285         int val, err;
 286
 287         val = zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent;
 288         err = sysctl_handle_int(oidp, &val, 0, req);
 289         if (err != 0 || req->newptr == NULL)
 290                 return (err);
 291
 292         if (val < 0 || val > 100 ||
 293             val >= zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent)
 294                 return (EINVAL);
 295
 296         zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent = val;
 297
 298         return (0);
 299 }
 300
 301 static int
 302 sysctl_zfs_async_write_active_max_dirty_percent(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
 303 {
 304         int val, err;
 305
 306         val = zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent;
 307         err = sysctl_handle_int(oidp, &val, 0, req);
 308         if (err != 0 || req->newptr == NULL)
 309                 return (err);
 310
 311         if (val < 0 || val > 100 ||
 312             val <= zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent)
 313                 return (EINVAL);
 314
 315         zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent = val;
 316
 317         return (0);
 318 }
 319 #endif
 320 #endif
 321
 322 int
 323 vdev_queue_offset_compare(const void *x1, const void *x2)
 324 {
 325         const zio_t *z1 = (const zio_t *)x1;
 326         const zio_t *z2 = (const zio_t *)x2;
 327
 328         int cmp = AVL_CMP(z1->io_offset, z2->io_offset);
 329
 330         if (likely(cmp))
 331                 return (cmp);
 332
 333         return (AVL_PCMP(z1, z2));
 334 }
 335
 336 static inline avl_tree_t *
 337 vdev_queue_class_tree(vdev_queue_t *vq, zio_priority_t p)
 338 {
 339         return (&vq->vq_class[p].vqc_queued_tree);
 340 }
 341
 342 static inline avl_tree_t *
 343 vdev_queue_type_tree(vdev_queue_t *vq, zio_type_t t)
 344 {
 345         if (t == ZIO_TYPE_READ)
 346                 return (&vq->vq_read_offset_tree);
 347         else if (t == ZIO_TYPE_WRITE)
 348                 return (&vq->vq_write_offset_tree);
 349         else
 350                 return (NULL);
 351 }
 352
 353 int
 354 vdev_queue_timestamp_compare(const void *x1, const void *x2)
 355 {
 356         const zio_t *z1 = x1;
 357         const zio_t *z2 = x2;
 358
 359         if (z1->io_timestamp < z2->io_timestamp)
 360                 return (-1);
 361         if (z1->io_timestamp > z2->io_timestamp)
 362                 return (1);
 363
 364         if (z1->io_offset < z2->io_offset)
 365                 return (-1);
 366         if (z1->io_offset > z2->io_offset)
 367                 return (1);
 368
 369         if (z1 < z2)
 370                 return (-1);
 371         if (z1 > z2)
 372                 return (1);
 373
 374         return (0);
 375 }
 376
 377 void
 378 vdev_queue_init(vdev_t *vd)
 379 {
 380         vdev_queue_t *vq = &vd->vdev_queue;
 381
 382         mutex_init(&vq->vq_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
 383         vq->vq_vdev = vd;
 384
 385         avl_create(&vq->vq_active_tree, vdev_queue_offset_compare,
 386             sizeof (zio_t), offsetof(struct zio, io_queue_node));
 387         avl_create(vdev_queue_type_tree(vq, ZIO_TYPE_READ),
 388             vdev_queue_offset_compare, sizeof (zio_t),
 389             offsetof(struct zio, io_offset_node));
 390         avl_create(vdev_queue_type_tree(vq, ZIO_TYPE_WRITE),
 391             vdev_queue_offset_compare, sizeof (zio_t),
 392             offsetof(struct zio, io_offset_node));
 393
 394         for (zio_priority_t p = 0; p < ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE; p++) {
 395                 int (*compfn) (const void *, const void *);
 396
 397                 /*
 398                  * The synchronous i/o queues are dispatched in FIFO rather
 399                  * than LBA order.  This provides more consistent latency for
 400                  * these i/os.
 401                  */
 402                 if (p == ZIO_PRIORITY_SYNC_READ || p == ZIO_PRIORITY_SYNC_WRITE)
 403                         compfn = vdev_queue_timestamp_compare;
 404                 else
 405                         compfn = vdev_queue_offset_compare;
 406
 407                 avl_create(vdev_queue_class_tree(vq, p), compfn,
 408                     sizeof (zio_t), offsetof(struct zio, io_queue_node));
 409         }
 410
 411         vq->vq_lastoffset = 0;
 412 }
 413
 414 void
 415 vdev_queue_fini(vdev_t *vd)
 416 {
 417         vdev_queue_t *vq = &vd->vdev_queue;
 418
 419         for (zio_priority_t p = 0; p < ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE; p++)
 420                 avl_destroy(vdev_queue_class_tree(vq, p));
 421         avl_destroy(&vq->vq_active_tree);
 422         avl_destroy(vdev_queue_type_tree(vq, ZIO_TYPE_READ));
 423         avl_destroy(vdev_queue_type_tree(vq, ZIO_TYPE_WRITE));
 424
 425         mutex_destroy(&vq->vq_lock);
 426 }
 427
 428 static void
 429 vdev_queue_io_add(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 430 {
 431         spa_t *spa = zio->io_spa;
 432         avl_tree_t *qtt;
 433
 434         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 435         ASSERT3U(zio->io_priority, <, ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 436         avl_add(vdev_queue_class_tree(vq, zio->io_priority), zio);
 437         qtt = vdev_queue_type_tree(vq, zio->io_type);
 438         if (qtt)
 439                 avl_add(qtt, zio);
 440
 441 #ifdef illumos
 442         mutex_enter(&spa->spa_iokstat_lock);
 443         spa->spa_queue_stats[zio->io_priority].spa_queued++;
 444         if (spa->spa_iokstat != NULL)
 445                 kstat_waitq_enter(spa->spa_iokstat->ks_data);
 446         mutex_exit(&spa->spa_iokstat_lock);
 447 #endif
 448 }
 449
 450 static void
 451 vdev_queue_io_remove(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 452 {
 453         spa_t *spa = zio->io_spa;
 454         avl_tree_t *qtt;
 455
 456         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 457         ASSERT3U(zio->io_priority, <, ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 458         avl_remove(vdev_queue_class_tree(vq, zio->io_priority), zio);
 459         qtt = vdev_queue_type_tree(vq, zio->io_type);
 460         if (qtt)
 461                 avl_remove(qtt, zio);
 462
 463 #ifdef illumos
 464         mutex_enter(&spa->spa_iokstat_lock);
 465         ASSERT3U(spa->spa_queue_stats[zio->io_priority].spa_queued, >, 0);
 466         spa->spa_queue_stats[zio->io_priority].spa_queued--;
 467         if (spa->spa_iokstat != NULL)
 468                 kstat_waitq_exit(spa->spa_iokstat->ks_data);
 469         mutex_exit(&spa->spa_iokstat_lock);
 470 #endif
 471 }
 472
 473 static void
 474 vdev_queue_pending_add(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 475 {
 476         spa_t *spa = zio->io_spa;
 477         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 478         ASSERT3U(zio->io_priority, <, ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 479         vq->vq_class[zio->io_priority].vqc_active++;
 480         avl_add(&vq->vq_active_tree, zio);
 481
 482 #ifdef illumos
 483         mutex_enter(&spa->spa_iokstat_lock);
 484         spa->spa_queue_stats[zio->io_priority].spa_active++;
 485         if (spa->spa_iokstat != NULL)
 486                 kstat_runq_enter(spa->spa_iokstat->ks_data);
 487         mutex_exit(&spa->spa_iokstat_lock);
 488 #endif
 489 }
 490
 491 static void
 492 vdev_queue_pending_remove(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 493 {
 494         spa_t *spa = zio->io_spa;
 495         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 496         ASSERT3U(zio->io_priority, <, ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 497         vq->vq_class[zio->io_priority].vqc_active--;
 498         avl_remove(&vq->vq_active_tree, zio);
 499
 500 #ifdef illumos
 501         mutex_enter(&spa->spa_iokstat_lock);
 502         ASSERT3U(spa->spa_queue_stats[zio->io_priority].spa_active, >, 0);
 503         spa->spa_queue_stats[zio->io_priority].spa_active--;
 504         if (spa->spa_iokstat != NULL) {
 505                 kstat_io_t *ksio = spa->spa_iokstat->ks_data;
 506
 507                 kstat_runq_exit(spa->spa_iokstat->ks_data);
 508                 if (zio->io_type == ZIO_TYPE_READ) {
 509                         ksio->reads++;
 510                         ksio->nread += zio->io_size;
 511                 } else if (zio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE) {
 512                         ksio->writes++;
 513                         ksio->nwritten += zio->io_size;
 514                 }
 515         }
 516         mutex_exit(&spa->spa_iokstat_lock);
 517 #endif
 518 }
 519
 520 static void
 521 vdev_queue_agg_io_done(zio_t *aio)
 522 {
 523         if (aio->io_type == ZIO_TYPE_READ) {
 524                 zio_t *pio;
 525                 zio_link_t *zl = NULL;
 526                 while ((pio = zio_walk_parents(aio, &zl)) != NULL) {
 527                         abd_copy_off(pio->io_abd, aio->io_abd,
 528                             0, pio->io_offset - aio->io_offset, pio->io_size);
 529                 }
 530         }
 531
 532         abd_free(aio->io_abd);
 533 }
 534
 535 static int
 536 vdev_queue_class_min_active(zio_priority_t p)
 537 {
 538         switch (p) {
 539         case ZIO_PRIORITY_SYNC_READ:
 540                 return (zfs_vdev_sync_read_min_active);
 541         case ZIO_PRIORITY_SYNC_WRITE:
 542                 return (zfs_vdev_sync_write_min_active);
 543         case ZIO_PRIORITY_ASYNC_READ:
 544                 return (zfs_vdev_async_read_min_active);
 545         case ZIO_PRIORITY_ASYNC_WRITE:
 546                 return (zfs_vdev_async_write_min_active);
 547         case ZIO_PRIORITY_SCRUB:
 548                 return (zfs_vdev_scrub_min_active);
 549         case ZIO_PRIORITY_TRIM:
 550                 return (zfs_vdev_trim_min_active);
 551         case ZIO_PRIORITY_REMOVAL:
 552                 return (zfs_vdev_removal_min_active);
 553         case ZIO_PRIORITY_INITIALIZING:
 554                 return (zfs_vdev_initializing_min_active);
 555         default:
 556                 panic("invalid priority %u", p);
 557                 return (0);
 558         }
 559 }
 560
 561 static __noinline int
 562 vdev_queue_max_async_writes(spa_t *spa)
 563 {
 564         int writes;
 565         uint64_t dirty = spa->spa_dsl_pool->dp_dirty_total;
 566         uint64_t min_bytes = zfs_dirty_data_max *
 567             zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent / 100;
 568         uint64_t max_bytes = zfs_dirty_data_max *
 569             zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent / 100;
 570
 571         /*
 572          * Sync tasks correspond to interactive user actions. To reduce the
 573          * execution time of those actions we push data out as fast as possible.
 574          */
 575         if (spa_has_pending_synctask(spa)) {
 576                 return (zfs_vdev_async_write_max_active);
 577         }
 578
 579         if (dirty < min_bytes)
 580                 return (zfs_vdev_async_write_min_active);
 581         if (dirty > max_bytes)
 582                 return (zfs_vdev_async_write_max_active);
 583
 584         /*
 585          * linear interpolation:
 586          * slope = (max_writes - min_writes) / (max_bytes - min_bytes)
 587          * move right by min_bytes
 588          * move up by min_writes
 589          */
 590         writes = (dirty - min_bytes) *
 591             (zfs_vdev_async_write_max_active -
 592             zfs_vdev_async_write_min_active) /
 593             (max_bytes - min_bytes) +
 594             zfs_vdev_async_write_min_active;
 595         ASSERT3U(writes, >=, zfs_vdev_async_write_min_active);
 596         ASSERT3U(writes, <=, zfs_vdev_async_write_max_active);
 597         return (writes);
 598 }
 599
 600 static int
 601 vdev_queue_class_max_active(spa_t *spa, zio_priority_t p)
 602 {
 603         switch (p) {
 604         case ZIO_PRIORITY_SYNC_READ:
 605                 return (zfs_vdev_sync_read_max_active);
 606         case ZIO_PRIORITY_SYNC_WRITE:
 607                 return (zfs_vdev_sync_write_max_active);
 608         case ZIO_PRIORITY_ASYNC_READ:
 609                 return (zfs_vdev_async_read_max_active);
 610         case ZIO_PRIORITY_ASYNC_WRITE:
 611                 return (vdev_queue_max_async_writes(spa));
 612         case ZIO_PRIORITY_SCRUB:
 613                 return (zfs_vdev_scrub_max_active);
 614         case ZIO_PRIORITY_TRIM:
 615                 return (zfs_vdev_trim_max_active);
 616         case ZIO_PRIORITY_REMOVAL:
 617                 return (zfs_vdev_removal_max_active);
 618         case ZIO_PRIORITY_INITIALIZING:
 619                 return (zfs_vdev_initializing_max_active);
 620         default:
 621                 panic("invalid priority %u", p);
 622                 return (0);
 623         }
 624 }
 625
 626 /*
 627  * Return the i/o class to issue from, or ZIO_PRIORITY_MAX_QUEUEABLE if
 628  * there is no eligible class.
 629  */
 630 static zio_priority_t
 631 vdev_queue_class_to_issue(vdev_queue_t *vq)
 632 {
 633         spa_t *spa = vq->vq_vdev->vdev_spa;
 634         zio_priority_t p;
 635
 636         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 637
 638         if (avl_numnodes(&vq->vq_active_tree) >= zfs_vdev_max_active)
 639                 return (ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 640
 641         /* find a queue that has not reached its minimum # outstanding i/os */
 642         for (p = 0; p < ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE; p++) {
 643                 if (avl_numnodes(vdev_queue_class_tree(vq, p)) > 0 &&
 644                     vq->vq_class[p].vqc_active <
 645                     vdev_queue_class_min_active(p))
 646                         return (p);
 647         }
 648
 649         /*
 650          * If we haven't found a queue, look for one that hasn't reached its
 651          * maximum # outstanding i/os.
 652          */
 653         for (p = 0; p < ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE; p++) {
 654                 if (avl_numnodes(vdev_queue_class_tree(vq, p)) > 0 &&
 655                     vq->vq_class[p].vqc_active <
 656                     vdev_queue_class_max_active(spa, p))
 657                         return (p);
 658         }
 659
 660         /* No eligible queued i/os */
 661         return (ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 662 }
 663
 664 /*
 665  * Compute the range spanned by two i/os, which is the endpoint of the last
 666  * (lio->io_offset + lio->io_size) minus start of the first (fio->io_offset).
 667  * Conveniently, the gap between fio and lio is given by -IO_SPAN(lio, fio);
 668  * thus fio and lio are adjacent if and only if IO_SPAN(lio, fio) == 0.
 669  */
 670 #define IO_SPAN(fio, lio) ((lio)->io_offset + (lio)->io_size - (fio)->io_offset)
 671 #define IO_GAP(fio, lio) (-IO_SPAN(lio, fio))
 672
 673 static zio_t *
 674 vdev_queue_aggregate(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 675 {
 676         zio_t *first, *last, *aio, *dio, *mandatory, *nio;
 677         zio_link_t *zl = NULL;
 678         uint64_t maxgap = 0;
 679         uint64_t size;
 680         uint64_t limit;
 681         int maxblocksize;
 682         boolean_t stretch;
 683         avl_tree_t *t;
 684         enum zio_flag flags;
 685
 686         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 687
 688         maxblocksize = spa_maxblocksize(vq->vq_vdev->vdev_spa);
 689         if (vq->vq_vdev->vdev_nonrot)
 690                 limit = zfs_vdev_aggregation_limit_non_rotating;
 691         else
 692                 limit = zfs_vdev_aggregation_limit;
 693         limit = MAX(MIN(limit, maxblocksize), 0);
 694
 695         if (zio->io_flags & ZIO_FLAG_DONT_AGGREGATE || limit == 0)
 696                 return (NULL);
 697
 698         first = last = zio;
 699
 700         if (zio->io_type == ZIO_TYPE_READ)
 701                 maxgap = zfs_vdev_read_gap_limit;
 702
 703         /*
 704          * We can aggregate I/Os that are sufficiently adjacent and of
 705          * the same flavor, as expressed by the AGG_INHERIT flags.
 706          * The latter requirement is necessary so that certain
 707          * attributes of the I/O, such as whether it's a normal I/O
 708          * or a scrub/resilver, can be preserved in the aggregate.
 709          * We can include optional I/Os, but don't allow them
 710          * to begin a range as they add no benefit in that situation.
 711          */
 712
 713         /*
 714          * We keep track of the last non-optional I/O.
 715          */
 716         mandatory = (first->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL) ? NULL : first;
 717
 718         /*
 719          * Walk backwards through sufficiently contiguous I/Os
 720          * recording the last non-optional I/O.
 721          */
 722         flags = zio->io_flags & ZIO_FLAG_AGG_INHERIT;
 723         t = vdev_queue_type_tree(vq, zio->io_type);
 724         while (t != NULL && (dio = AVL_PREV(t, first)) != NULL &&
 725             (dio->io_flags & ZIO_FLAG_AGG_INHERIT) == flags &&
 726             IO_SPAN(dio, last) <= limit &&
 727             IO_GAP(dio, first) <= maxgap &&
 728             dio->io_type == zio->io_type) {
 729                 first = dio;
 730                 if (mandatory == NULL && !(first->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL))
 731                         mandatory = first;
 732         }
 733
 734         /*
 735          * Skip any initial optional I/Os.
 736          */
 737         while ((first->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL) && first != last) {
 738                 first = AVL_NEXT(t, first);
 739                 ASSERT(first != NULL);
 740         }
 741
 742         /*
 743          * Walk forward through sufficiently contiguous I/Os.
 744          * The aggregation limit does not apply to optional i/os, so that
 745          * we can issue contiguous writes even if they are larger than the
 746          * aggregation limit.
 747          */
 748         while ((dio = AVL_NEXT(t, last)) != NULL &&
 749             (dio->io_flags & ZIO_FLAG_AGG_INHERIT) == flags &&
 750             (IO_SPAN(first, dio) <= limit ||
 751             (dio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL)) &&
 752             IO_SPAN(first, dio) <= maxblocksize &&
 753             IO_GAP(last, dio) <= maxgap &&
 754             dio->io_type == zio->io_type) {
 755                 last = dio;
 756                 if (!(last->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL))
 757                         mandatory = last;
 758         }
 759
 760         /*
 761          * Now that we've established the range of the I/O aggregation
 762          * we must decide what to do with trailing optional I/Os.
 763          * For reads, there's nothing to do. While we are unable to
 764          * aggregate further, it's possible that a trailing optional
 765          * I/O would allow the underlying device to aggregate with
 766          * subsequent I/Os. We must therefore determine if the next
 767          * non-optional I/O is close enough to make aggregation
 768          * worthwhile.
 769          */
 770         stretch = B_FALSE;
 771         if (zio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE && mandatory != NULL) {
 772                 zio_t *nio = last;
 773                 while ((dio = AVL_NEXT(t, nio)) != NULL &&
 774                     IO_GAP(nio, dio) == 0 &&
 775                     IO_GAP(mandatory, dio) <= zfs_vdev_write_gap_limit) {
 776                         nio = dio;
 777                         if (!(nio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL)) {
 778                                 stretch = B_TRUE;
 779                                 break;
 780                         }
 781                 }
 782         }
 783
 784         if (stretch) {
 785                 /*
 786                  * We are going to include an optional io in our aggregated
 787                  * span, thus closing the write gap.  Only mandatory i/os can
 788                  * start aggregated spans, so make sure that the next i/o
 789                  * after our span is mandatory.
 790                  */
 791                 dio = AVL_NEXT(t, last);
 792                 dio->io_flags &= ~ZIO_FLAG_OPTIONAL;
 793         } else {
 794                 /* do not include the optional i/o */
 795                 while (last != mandatory && last != first) {
 796                         ASSERT(last->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL);
 797                         last = AVL_PREV(t, last);
 798                         ASSERT(last != NULL);
 799                 }
 800         }
 801
 802         if (first == last)
 803                 return (NULL);
 804
 805         size = IO_SPAN(first, last);
 806         ASSERT3U(size, <=, maxblocksize);
 807
 808         aio = zio_vdev_delegated_io(first->io_vd, first->io_offset,
 809             abd_alloc_for_io(size, B_TRUE), size, first->io_type,
 810             zio->io_priority, flags | ZIO_FLAG_DONT_CACHE | ZIO_FLAG_DONT_QUEUE,
 811             vdev_queue_agg_io_done, NULL);
 812         aio->io_timestamp = first->io_timestamp;
 813
 814         nio = first;
 815         do {
 816                 dio = nio;
 817                 nio = AVL_NEXT(t, dio);
 818                 ASSERT3U(dio->io_type, ==, aio->io_type);
 819
 820                 if (dio->io_flags & ZIO_FLAG_NODATA) {
 821                         ASSERT3U(dio->io_type, ==, ZIO_TYPE_WRITE);
 822                         abd_zero_off(aio->io_abd,
 823                             dio->io_offset - aio->io_offset, dio->io_size);
 824                 } else if (dio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE) {
 825                         abd_copy_off(aio->io_abd, dio->io_abd,
 826                             dio->io_offset - aio->io_offset, 0, dio->io_size);
 827                 }
 828
 829                 zio_add_child(dio, aio);
 830                 vdev_queue_io_remove(vq, dio);
 831         } while (dio != last);
 832
 833         /*
 834          * We need to drop the vdev queue's lock to avoid a deadlock that we
 835          * could encounter since this I/O will complete immediately.
 836          */
 837         mutex_exit(&vq->vq_lock);
 838         while ((dio = zio_walk_parents(aio, &zl)) != NULL) {
 839                 zio_vdev_io_bypass(dio);
 840                 zio_execute(dio);
 841         }
 842         mutex_enter(&vq->vq_lock);
 843
 844         return (aio);
 845 }
 846
 847 static zio_t *
 848 vdev_queue_io_to_issue(vdev_queue_t *vq)
 849 {
 850         zio_t *zio, *aio;
 851         zio_priority_t p;
 852         avl_index_t idx;
 853         avl_tree_t *tree;
 854         zio_t search;
 855
 856 again:
 857         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 858
 859         p = vdev_queue_class_to_issue(vq);
 860
 861         if (p == ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE) {
 862                 /* No eligible queued i/os */
 863                 return (NULL);
 864         }
 865
 866         /*
 867          * For LBA-ordered queues (async / scrub / initializing), issue the
 868          * i/o which follows the most recently issued i/o in LBA (offset) order.
 869          *
 870          * For FIFO queues (sync), issue the i/o with the lowest timestamp.
 871          */
 872         tree = vdev_queue_class_tree(vq, p);
 873         search.io_timestamp = 0;
 874         search.io_offset = vq->vq_last_offset + 1;
 875         VERIFY3P(avl_find(tree, &search, &idx), ==, NULL);
 876         zio = avl_nearest(tree, idx, AVL_AFTER);
 877         if (zio == NULL)
 878                 zio = avl_first(tree);
 879         ASSERT3U(zio->io_priority, ==, p);
 880
 881         aio = vdev_queue_aggregate(vq, zio);
 882         if (aio != NULL)
 883                 zio = aio;
 884         else
 885                 vdev_queue_io_remove(vq, zio);
 886
 887         /*
 888          * If the I/O is or was optional and therefore has no data, we need to
 889          * simply discard it. We need to drop the vdev queue's lock to avoid a
 890          * deadlock that we could encounter since this I/O will complete
 891          * immediately.
 892          */
 893         if (zio->io_flags & ZIO_FLAG_NODATA) {
 894                 mutex_exit(&vq->vq_lock);
 895                 zio_vdev_io_bypass(zio);
 896                 zio_execute(zio);
 897                 mutex_enter(&vq->vq_lock);
 898                 goto again;
 899         }
 900
 901         vdev_queue_pending_add(vq, zio);
 902         vq->vq_last_offset = zio->io_offset;
 903
 904         return (zio);
 905 }
 906
 907 zio_t *
 908 vdev_queue_io(zio_t *zio)
 909 {
 910         vdev_queue_t *vq = &zio->io_vd->vdev_queue;
 911         zio_t *nio;
 912
 913         if (zio->io_flags & ZIO_FLAG_DONT_QUEUE)
 914                 return (zio);
 915
 916         /*
 917          * Children i/os inherent their parent's priority, which might
 918          * not match the child's i/o type.  Fix it up here.
 919          */
 920         if (zio->io_type == ZIO_TYPE_READ) {
 921                 if (zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_SYNC_READ &&
 922                     zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_ASYNC_READ &&
 923                     zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_SCRUB &&
 924                     zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_REMOVAL &&
 925                     zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_INITIALIZING)
 926                         zio->io_priority = ZIO_PRIORITY_ASYNC_READ;
 927         } else if (zio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE) {
 928                 if (zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_SYNC_WRITE &&
 929                     zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_ASYNC_WRITE &&
 930                     zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_REMOVAL &&
 931                     zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_INITIALIZING)
 932                         zio->io_priority = ZIO_PRIORITY_ASYNC_WRITE;
 933         } else {
 934                 ASSERT(zio->io_type == ZIO_TYPE_FREE);
 935                 zio->io_priority = ZIO_PRIORITY_TRIM;
 936         }
 937
 938         zio->io_flags |= ZIO_FLAG_DONT_CACHE | ZIO_FLAG_DONT_QUEUE;
 939
 940         mutex_enter(&vq->vq_lock);
 941         zio->io_timestamp = gethrtime();
 942         vdev_queue_io_add(vq, zio);
 943         nio = vdev_queue_io_to_issue(vq);
 944         mutex_exit(&vq->vq_lock);
 945
 946         if (nio == NULL)
 947                 return (NULL);
 948
 949         if (nio->io_done == vdev_queue_agg_io_done) {
 950                 zio_nowait(nio);
 951                 return (NULL);
 952         }
 953
 954         return (nio);
 955 }
 956
 957 void
 958 vdev_queue_io_done(zio_t *zio)
 959 {
 960         vdev_queue_t *vq = &zio->io_vd->vdev_queue;
 961         zio_t *nio;
 962
 963         mutex_enter(&vq->vq_lock);
 964
 965         vdev_queue_pending_remove(vq, zio);
 966
 967         vq->vq_io_complete_ts = gethrtime();
 968
 969         while ((nio = vdev_queue_io_to_issue(vq)) != NULL) {
 970                 mutex_exit(&vq->vq_lock);
 971                 if (nio->io_done == vdev_queue_agg_io_done) {
 972                         zio_nowait(nio);
 973                 } else {
 974                         zio_vdev_io_reissue(nio);
 975                         zio_execute(nio);
 976                 }
 977                 mutex_enter(&vq->vq_lock);
 978         }
 979
 980         mutex_exit(&vq->vq_lock);
 981 }
 982
 983 void
 984 vdev_queue_change_io_priority(zio_t *zio, zio_priority_t priority)
 985 {
 986         vdev_queue_t *vq = &zio->io_vd->vdev_queue;
 987         avl_tree_t *tree;
 988
 989         /*
 990          * ZIO_PRIORITY_NOW is used by the vdev cache code and the aggregate zio
 991          * code to issue IOs without adding them to the vdev queue. In this
 992          * case, the zio is already going to be issued as quickly as possible
 993          * and so it doesn't need any reprioitization to help.
 994          */
 995         if (zio->io_priority == ZIO_PRIORITY_NOW)
 996                 return;
 997
 998         ASSERT3U(zio->io_priority, <, ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 999         ASSERT3U(priority, <, ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
1000
1001         if (zio->io_type == ZIO_TYPE_READ) {
1002                 if (priority != ZIO_PRIORITY_SYNC_READ &&
1003                     priority != ZIO_PRIORITY_ASYNC_READ &&
1004                     priority != ZIO_PRIORITY_SCRUB)
1005                         priority = ZIO_PRIORITY_ASYNC_READ;
1006         } else {
1007                 ASSERT(zio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE);
1008                 if (priority != ZIO_PRIORITY_SYNC_WRITE &&
1009                     priority != ZIO_PRIORITY_ASYNC_WRITE)
1010                         priority = ZIO_PRIORITY_ASYNC_WRITE;
1011         }
1012
1013         mutex_enter(&vq->vq_lock);
1014
1015         /*
1016          * If the zio is in none of the queues we can simply change
1017          * the priority. If the zio is waiting to be submitted we must
1018          * remove it from the queue and re-insert it with the new priority.
1019          * Otherwise, the zio is currently active and we cannot change its
1020          * priority.
1021          */
1022         tree = vdev_queue_class_tree(vq, zio->io_priority);
1023         if (avl_find(tree, zio, NULL) == zio) {
1024                 avl_remove(vdev_queue_class_tree(vq, zio->io_priority), zio);
1025                 zio->io_priority = priority;
1026                 avl_add(vdev_queue_class_tree(vq, zio->io_priority), zio);
1027         } else if (avl_find(&vq->vq_active_tree, zio, NULL) != zio) {
1028                 zio->io_priority = priority;
1029         }
1030
1031         mutex_exit(&vq->vq_lock);
1032 }
1033
1034 /*
1035  * As these three methods are only used for load calculations we're not concerned
1036  * if we get an incorrect value on 32bit platforms due to lack of vq_lock mutex
1037  * use here, instead we prefer to keep it lock free for performance.
1038  */
1039 int
1040 vdev_queue_length(vdev_t *vd)
1041 {
1042         return (avl_numnodes(&vd->vdev_queue.vq_active_tree));
1043 }
1044
1045 uint64_t
1046 vdev_queue_lastoffset(vdev_t *vd)
1047 {
1048         return (vd->vdev_queue.vq_lastoffset);
1049 }
1050
1051 void
1052 vdev_queue_register_lastoffset(vdev_t *vd, zio_t *zio)
1053 {
1054         vd->vdev_queue.vq_lastoffset = zio->io_offset + zio->io_size;
1055 }