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