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