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 #ifdef _KERNEL
 180 SYSCTL_DECL(_vfs_zfs_vdev);
 181
 182 static int sysctl_zfs_async_write_active_min_dirty_percent(SYSCTL_HANDLER_ARGS);
 183 SYSCTL_PROC(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, async_write_active_min_dirty_percent,
 184     CTLTYPE_UINT | CTLFLAG_MPSAFE | CTLFLAG_RWTUN, 0, sizeof(int),
 185     sysctl_zfs_async_write_active_min_dirty_percent, "I",
 186     "Percentage of async write dirty data below which "
 187     "async_write_min_active is used.");
 188
 189 static int sysctl_zfs_async_write_active_max_dirty_percent(SYSCTL_HANDLER_ARGS);
 190 SYSCTL_PROC(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, async_write_active_max_dirty_percent,
 191     CTLTYPE_UINT | CTLFLAG_MPSAFE | CTLFLAG_RWTUN, 0, sizeof(int),
 192     sysctl_zfs_async_write_active_max_dirty_percent, "I",
 193     "Percentage of async write dirty data above which "
 194     "async_write_max_active is used.");
 195
 196 SYSCTL_UINT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, max_active, CTLFLAG_RWTUN,
 197     &zfs_vdev_max_active, 0,
 198     "The maximum number of I/Os of all types active for each device.");
 199
 200 #define ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MIN(name)                                   \
 201 SYSCTL_UINT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, name ## _min_active, CTLFLAG_RWTUN,\
 202     &zfs_vdev_ ## name ## _min_active, 0,                               \
 203     "Initial number of I/O requests of type " #name                     \
 204     " active for each device");
 205
 206 #define ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MAX(name)                                   \
 207 SYSCTL_UINT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, name ## _max_active, CTLFLAG_RWTUN,\
 208     &zfs_vdev_ ## name ## _max_active, 0,                               \
 209     "Maximum number of I/O requests of type " #name                     \
 210     " active for each device");
 211
 212 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MIN(sync_read);
 213 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MAX(sync_read);
 214 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MIN(sync_write);
 215 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MAX(sync_write);
 216 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MIN(async_read);
 217 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MAX(async_read);
 218 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MIN(async_write);
 219 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MAX(async_write);
 220 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MIN(scrub);
 221 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MAX(scrub);
 222 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MIN(trim);
 223 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MAX(trim);
 224
 225 #undef ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB
 226
 227 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, aggregation_limit, CTLFLAG_RWTUN,
 228     &zfs_vdev_aggregation_limit, 0,
 229     "I/O requests are aggregated up to this size");
 230 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, read_gap_limit, CTLFLAG_RWTUN,
 231     &zfs_vdev_read_gap_limit, 0,
 232     "Acceptable gap between two reads being aggregated");
 233 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, write_gap_limit, CTLFLAG_RWTUN,
 234     &zfs_vdev_write_gap_limit, 0,
 235     "Acceptable gap between two writes being aggregated");
 236
 237 static int
 238 sysctl_zfs_async_write_active_min_dirty_percent(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
 239 {
 240         int val, err;
 241
 242         val = zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent;
 243         err = sysctl_handle_int(oidp, &val, 0, req);
 244         if (err != 0 || req->newptr == NULL)
 245                 return (err);
 246
 247         if (val < 0 || val > 100 ||
 248             val >= zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent)
 249                 return (EINVAL);
 250
 251         zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent = val;
 252
 253         return (0);
 254 }
 255
 256 static int
 257 sysctl_zfs_async_write_active_max_dirty_percent(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
 258 {
 259         int val, err;
 260
 261         val = zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent;
 262         err = sysctl_handle_int(oidp, &val, 0, req);
 263         if (err != 0 || req->newptr == NULL)
 264                 return (err);
 265
 266         if (val < 0 || val > 100 ||
 267             val <= zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent)
 268                 return (EINVAL);
 269
 270         zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent = val;
 271
 272         return (0);
 273 }
 274 #endif
 275 #endif
 276
 277 int
 278 vdev_queue_offset_compare(const void *x1, const void *x2)
 279 {
 280         const zio_t *z1 = x1;
 281         const zio_t *z2 = x2;
 282
 283         if (z1->io_offset < z2->io_offset)
 284                 return (-1);
 285         if (z1->io_offset > z2->io_offset)
 286                 return (1);
 287
 288         if (z1 < z2)
 289                 return (-1);
 290         if (z1 > z2)
 291                 return (1);
 292
 293         return (0);
 294 }
 295
 296 static inline avl_tree_t *
 297 vdev_queue_class_tree(vdev_queue_t *vq, zio_priority_t p)
 298 {
 299         return (&vq->vq_class[p].vqc_queued_tree);
 300 }
 301
 302 static inline avl_tree_t *
 303 vdev_queue_type_tree(vdev_queue_t *vq, zio_type_t t)
 304 {
 305         if (t == ZIO_TYPE_READ)
 306                 return (&vq->vq_read_offset_tree);
 307         else if (t == ZIO_TYPE_WRITE)
 308                 return (&vq->vq_write_offset_tree);
 309         else
 310                 return (NULL);
 311 }
 312
 313 int
 314 vdev_queue_timestamp_compare(const void *x1, const void *x2)
 315 {
 316         const zio_t *z1 = x1;
 317         const zio_t *z2 = x2;
 318
 319         if (z1->io_timestamp < z2->io_timestamp)
 320                 return (-1);
 321         if (z1->io_timestamp > z2->io_timestamp)
 322                 return (1);
 323
 324         if (z1->io_offset < z2->io_offset)
 325                 return (-1);
 326         if (z1->io_offset > z2->io_offset)
 327                 return (1);
 328
 329         if (z1 < z2)
 330                 return (-1);
 331         if (z1 > z2)
 332                 return (1);
 333
 334         return (0);
 335 }
 336
 337 void
 338 vdev_queue_init(vdev_t *vd)
 339 {
 340         vdev_queue_t *vq = &vd->vdev_queue;
 341
 342         mutex_init(&vq->vq_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
 343         vq->vq_vdev = vd;
 344
 345         avl_create(&vq->vq_active_tree, vdev_queue_offset_compare,
 346             sizeof (zio_t), offsetof(struct zio, io_queue_node));
 347         avl_create(vdev_queue_type_tree(vq, ZIO_TYPE_READ),
 348             vdev_queue_offset_compare, sizeof (zio_t),
 349             offsetof(struct zio, io_offset_node));
 350         avl_create(vdev_queue_type_tree(vq, ZIO_TYPE_WRITE),
 351             vdev_queue_offset_compare, sizeof (zio_t),
 352             offsetof(struct zio, io_offset_node));
 353
 354         for (zio_priority_t p = 0; p < ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE; p++) {
 355                 int (*compfn) (const void *, const void *);
 356
 357                 /*
 358                  * The synchronous i/o queues are dispatched in FIFO rather
 359                  * than LBA order.  This provides more consistent latency for
 360                  * these i/os.
 361                  */
 362                 if (p == ZIO_PRIORITY_SYNC_READ || p == ZIO_PRIORITY_SYNC_WRITE)
 363                         compfn = vdev_queue_timestamp_compare;
 364                 else
 365                         compfn = vdev_queue_offset_compare;
 366
 367                 avl_create(vdev_queue_class_tree(vq, p), compfn,
 368                     sizeof (zio_t), offsetof(struct zio, io_queue_node));
 369         }
 370
 371         vq->vq_lastoffset = 0;
 372 }
 373
 374 void
 375 vdev_queue_fini(vdev_t *vd)
 376 {
 377         vdev_queue_t *vq = &vd->vdev_queue;
 378
 379         for (zio_priority_t p = 0; p < ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE; p++)
 380                 avl_destroy(vdev_queue_class_tree(vq, p));
 381         avl_destroy(&vq->vq_active_tree);
 382         avl_destroy(vdev_queue_type_tree(vq, ZIO_TYPE_READ));
 383         avl_destroy(vdev_queue_type_tree(vq, ZIO_TYPE_WRITE));
 384
 385         mutex_destroy(&vq->vq_lock);
 386 }
 387
 388 static void
 389 vdev_queue_io_add(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 390 {
 391         spa_t *spa = zio->io_spa;
 392         avl_tree_t *qtt;
 393         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 394         ASSERT3U(zio->io_priority, <, ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 395         avl_add(vdev_queue_class_tree(vq, zio->io_priority), zio);
 396         qtt = vdev_queue_type_tree(vq, zio->io_type);
 397         if (qtt)
 398                 avl_add(qtt, zio);
 399
 400 #ifdef illumos
 401         mutex_enter(&spa->spa_iokstat_lock);
 402         spa->spa_queue_stats[zio->io_priority].spa_queued++;
 403         if (spa->spa_iokstat != NULL)
 404                 kstat_waitq_enter(spa->spa_iokstat->ks_data);
 405         mutex_exit(&spa->spa_iokstat_lock);
 406 #endif
 407 }
 408
 409 static void
 410 vdev_queue_io_remove(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 411 {
 412         spa_t *spa = zio->io_spa;
 413         avl_tree_t *qtt;
 414         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 415         ASSERT3U(zio->io_priority, <, ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 416         avl_remove(vdev_queue_class_tree(vq, zio->io_priority), zio);
 417         qtt = vdev_queue_type_tree(vq, zio->io_type);
 418         if (qtt)
 419                 avl_remove(qtt, zio);
 420
 421 #ifdef illumos
 422         mutex_enter(&spa->spa_iokstat_lock);
 423         ASSERT3U(spa->spa_queue_stats[zio->io_priority].spa_queued, >, 0);
 424         spa->spa_queue_stats[zio->io_priority].spa_queued--;
 425         if (spa->spa_iokstat != NULL)
 426                 kstat_waitq_exit(spa->spa_iokstat->ks_data);
 427         mutex_exit(&spa->spa_iokstat_lock);
 428 #endif
 429 }
 430
 431 static void
 432 vdev_queue_pending_add(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 433 {
 434         spa_t *spa = zio->io_spa;
 435         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 436         ASSERT3U(zio->io_priority, <, ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 437         vq->vq_class[zio->io_priority].vqc_active++;
 438         avl_add(&vq->vq_active_tree, zio);
 439
 440 #ifdef illumos
 441         mutex_enter(&spa->spa_iokstat_lock);
 442         spa->spa_queue_stats[zio->io_priority].spa_active++;
 443         if (spa->spa_iokstat != NULL)
 444                 kstat_runq_enter(spa->spa_iokstat->ks_data);
 445         mutex_exit(&spa->spa_iokstat_lock);
 446 #endif
 447 }
 448
 449 static void
 450 vdev_queue_pending_remove(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 451 {
 452         spa_t *spa = zio->io_spa;
 453         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 454         ASSERT3U(zio->io_priority, <, ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 455         vq->vq_class[zio->io_priority].vqc_active--;
 456         avl_remove(&vq->vq_active_tree, zio);
 457
 458 #ifdef illumos
 459         mutex_enter(&spa->spa_iokstat_lock);
 460         ASSERT3U(spa->spa_queue_stats[zio->io_priority].spa_active, >, 0);
 461         spa->spa_queue_stats[zio->io_priority].spa_active--;
 462         if (spa->spa_iokstat != NULL) {
 463                 kstat_io_t *ksio = spa->spa_iokstat->ks_data;
 464
 465                 kstat_runq_exit(spa->spa_iokstat->ks_data);
 466                 if (zio->io_type == ZIO_TYPE_READ) {
 467                         ksio->reads++;
 468                         ksio->nread += zio->io_size;
 469                 } else if (zio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE) {
 470                         ksio->writes++;
 471                         ksio->nwritten += zio->io_size;
 472                 }
 473         }
 474         mutex_exit(&spa->spa_iokstat_lock);
 475 #endif
 476 }
 477
 478 static void
 479 vdev_queue_agg_io_done(zio_t *aio)
 480 {
 481         if (aio->io_type == ZIO_TYPE_READ) {
 482                 zio_t *pio;
 483                 while ((pio = zio_walk_parents(aio)) != NULL) {
 484                         bcopy((char *)aio->io_data + (pio->io_offset -
 485                             aio->io_offset), pio->io_data, pio->io_size);
 486                 }
 487         }
 488
 489         zio_buf_free(aio->io_data, aio->io_size);
 490 }
 491
 492 static int
 493 vdev_queue_class_min_active(zio_priority_t p)
 494 {
 495         switch (p) {
 496         case ZIO_PRIORITY_SYNC_READ:
 497                 return (zfs_vdev_sync_read_min_active);
 498         case ZIO_PRIORITY_SYNC_WRITE:
 499                 return (zfs_vdev_sync_write_min_active);
 500         case ZIO_PRIORITY_ASYNC_READ:
 501                 return (zfs_vdev_async_read_min_active);
 502         case ZIO_PRIORITY_ASYNC_WRITE:
 503                 return (zfs_vdev_async_write_min_active);
 504         case ZIO_PRIORITY_SCRUB:
 505                 return (zfs_vdev_scrub_min_active);
 506         case ZIO_PRIORITY_TRIM:
 507                 return (zfs_vdev_trim_min_active);
 508         default:
 509                 panic("invalid priority %u", p);
 510                 return (0);
 511         }
 512 }
 513
 514 static __noinline int
 515 vdev_queue_max_async_writes(spa_t *spa)
 516 {
 517         int writes;
 518         uint64_t dirty = spa->spa_dsl_pool->dp_dirty_total;
 519         uint64_t min_bytes = zfs_dirty_data_max *
 520             zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent / 100;
 521         uint64_t max_bytes = zfs_dirty_data_max *
 522             zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent / 100;
 523
 524         /*
 525          * Sync tasks correspond to interactive user actions. To reduce the
 526          * execution time of those actions we push data out as fast as possible.
 527          */
 528         if (spa_has_pending_synctask(spa)) {
 529                 return (zfs_vdev_async_write_max_active);
 530         }
 531
 532         if (dirty < min_bytes)
 533                 return (zfs_vdev_async_write_min_active);
 534         if (dirty > max_bytes)
 535                 return (zfs_vdev_async_write_max_active);
 536
 537         /*
 538          * linear interpolation:
 539          * slope = (max_writes - min_writes) / (max_bytes - min_bytes)
 540          * move right by min_bytes
 541          * move up by min_writes
 542          */
 543         writes = (dirty - min_bytes) *
 544             (zfs_vdev_async_write_max_active -
 545             zfs_vdev_async_write_min_active) /
 546             (max_bytes - min_bytes) +
 547             zfs_vdev_async_write_min_active;
 548         ASSERT3U(writes, >=, zfs_vdev_async_write_min_active);
 549         ASSERT3U(writes, <=, zfs_vdev_async_write_max_active);
 550         return (writes);
 551 }
 552
 553 static int
 554 vdev_queue_class_max_active(spa_t *spa, zio_priority_t p)
 555 {
 556         switch (p) {
 557         case ZIO_PRIORITY_SYNC_READ:
 558                 return (zfs_vdev_sync_read_max_active);
 559         case ZIO_PRIORITY_SYNC_WRITE:
 560                 return (zfs_vdev_sync_write_max_active);
 561         case ZIO_PRIORITY_ASYNC_READ:
 562                 return (zfs_vdev_async_read_max_active);
 563         case ZIO_PRIORITY_ASYNC_WRITE:
 564                 return (vdev_queue_max_async_writes(spa));
 565         case ZIO_PRIORITY_SCRUB:
 566                 return (zfs_vdev_scrub_max_active);
 567         case ZIO_PRIORITY_TRIM:
 568                 return (zfs_vdev_trim_max_active);
 569         default:
 570                 panic("invalid priority %u", p);
 571                 return (0);
 572         }
 573 }
 574
 575 /*
 576  * Return the i/o class to issue from, or ZIO_PRIORITY_MAX_QUEUEABLE if
 577  * there is no eligible class.
 578  */
 579 static zio_priority_t
 580 vdev_queue_class_to_issue(vdev_queue_t *vq)
 581 {
 582         spa_t *spa = vq->vq_vdev->vdev_spa;
 583         zio_priority_t p;
 584
 585         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 586
 587         if (avl_numnodes(&vq->vq_active_tree) >= zfs_vdev_max_active)
 588                 return (ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 589
 590         /* find a queue that has not reached its minimum # outstanding i/os */
 591         for (p = 0; p < ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE; p++) {
 592                 if (avl_numnodes(vdev_queue_class_tree(vq, p)) > 0 &&
 593                     vq->vq_class[p].vqc_active <
 594                     vdev_queue_class_min_active(p))
 595                         return (p);
 596         }
 597
 598         /*
 599          * If we haven't found a queue, look for one that hasn't reached its
 600          * maximum # outstanding i/os.
 601          */
 602         for (p = 0; p < ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE; p++) {
 603                 if (avl_numnodes(vdev_queue_class_tree(vq, p)) > 0 &&
 604                     vq->vq_class[p].vqc_active <
 605                     vdev_queue_class_max_active(spa, p))
 606                         return (p);
 607         }
 608
 609         /* No eligible queued i/os */
 610         return (ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 611 }
 612
 613 /*
 614  * Compute the range spanned by two i/os, which is the endpoint of the last
 615  * (lio->io_offset + lio->io_size) minus start of the first (fio->io_offset).
 616  * Conveniently, the gap between fio and lio is given by -IO_SPAN(lio, fio);
 617  * thus fio and lio are adjacent if and only if IO_SPAN(lio, fio) == 0.
 618  */
 619 #define IO_SPAN(fio, lio) ((lio)->io_offset + (lio)->io_size - (fio)->io_offset)
 620 #define IO_GAP(fio, lio) (-IO_SPAN(lio, fio))
 621
 622 static zio_t *
 623 vdev_queue_aggregate(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 624 {
 625         zio_t *first, *last, *aio, *dio, *mandatory, *nio;
 626         uint64_t maxgap = 0;
 627         uint64_t size;
 628         boolean_t stretch;
 629         avl_tree_t *t;
 630         enum zio_flag flags;
 631
 632         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 633
 634         if (zio->io_flags & ZIO_FLAG_DONT_AGGREGATE)
 635                 return (NULL);
 636
 637         first = last = zio;
 638
 639         if (zio->io_type == ZIO_TYPE_READ)
 640                 maxgap = zfs_vdev_read_gap_limit;
 641
 642         /*
 643          * We can aggregate I/Os that are sufficiently adjacent and of
 644          * the same flavor, as expressed by the AGG_INHERIT flags.
 645          * The latter requirement is necessary so that certain
 646          * attributes of the I/O, such as whether it's a normal I/O
 647          * or a scrub/resilver, can be preserved in the aggregate.
 648          * We can include optional I/Os, but don't allow them
 649          * to begin a range as they add no benefit in that situation.
 650          */
 651
 652         /*
 653          * We keep track of the last non-optional I/O.
 654          */
 655         mandatory = (first->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL) ? NULL : first;
 656
 657         /*
 658          * Walk backwards through sufficiently contiguous I/Os
 659          * recording the last non-option I/O.
 660          */
 661         flags = zio->io_flags & ZIO_FLAG_AGG_INHERIT;
 662         t = vdev_queue_type_tree(vq, zio->io_type);
 663         while (t != NULL && (dio = AVL_PREV(t, first)) != NULL &&
 664             (dio->io_flags & ZIO_FLAG_AGG_INHERIT) == flags &&
 665             IO_SPAN(dio, last) <= zfs_vdev_aggregation_limit &&
 666             IO_GAP(dio, first) <= maxgap) {
 667                 first = dio;
 668                 if (mandatory == NULL && !(first->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL))
 669                         mandatory = first;
 670         }
 671
 672         /*
 673          * Skip any initial optional I/Os.
 674          */
 675         while ((first->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL) && first != last) {
 676                 first = AVL_NEXT(t, first);
 677                 ASSERT(first != NULL);
 678         }
 679
 680         /*
 681          * Walk forward through sufficiently contiguous I/Os.
 682          */
 683         while ((dio = AVL_NEXT(t, last)) != NULL &&
 684             (dio->io_flags & ZIO_FLAG_AGG_INHERIT) == flags &&
 685             IO_SPAN(first, dio) <= zfs_vdev_aggregation_limit &&
 686             IO_GAP(last, dio) <= maxgap) {
 687                 last = dio;
 688                 if (!(last->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL))
 689                         mandatory = last;
 690         }
 691
 692         /*
 693          * Now that we've established the range of the I/O aggregation
 694          * we must decide what to do with trailing optional I/Os.
 695          * For reads, there's nothing to do. While we are unable to
 696          * aggregate further, it's possible that a trailing optional
 697          * I/O would allow the underlying device to aggregate with
 698          * subsequent I/Os. We must therefore determine if the next
 699          * non-optional I/O is close enough to make aggregation
 700          * worthwhile.
 701          */
 702         stretch = B_FALSE;
 703         if (zio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE && mandatory != NULL) {
 704                 zio_t *nio = last;
 705                 while ((dio = AVL_NEXT(t, nio)) != NULL &&
 706                     IO_GAP(nio, dio) == 0 &&
 707                     IO_GAP(mandatory, dio) <= zfs_vdev_write_gap_limit) {
 708                         nio = dio;
 709                         if (!(nio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL)) {
 710                                 stretch = B_TRUE;
 711                                 break;
 712                         }
 713                 }
 714         }
 715
 716         if (stretch) {
 717                 /* This may be a no-op. */
 718                 dio = AVL_NEXT(t, last);
 719                 dio->io_flags &= ~ZIO_FLAG_OPTIONAL;
 720         } else {
 721                 while (last != mandatory && last != first) {
 722                         ASSERT(last->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL);
 723                         last = AVL_PREV(t, last);
 724                         ASSERT(last != NULL);
 725                 }
 726         }
 727
 728         if (first == last)
 729                 return (NULL);
 730
 731         size = IO_SPAN(first, last);
 732         ASSERT3U(size, <=, zfs_vdev_aggregation_limit);
 733
 734         aio = zio_vdev_delegated_io(first->io_vd, first->io_offset,
 735             zio_buf_alloc(size), size, first->io_type, zio->io_priority,
 736             flags | ZIO_FLAG_DONT_CACHE | ZIO_FLAG_DONT_QUEUE,
 737             vdev_queue_agg_io_done, NULL);
 738         aio->io_timestamp = first->io_timestamp;
 739
 740         nio = first;
 741         do {
 742                 dio = nio;
 743                 nio = AVL_NEXT(t, dio);
 744                 ASSERT3U(dio->io_type, ==, aio->io_type);
 745
 746                 if (dio->io_flags & ZIO_FLAG_NODATA) {
 747                         ASSERT3U(dio->io_type, ==, ZIO_TYPE_WRITE);
 748                         bzero((char *)aio->io_data + (dio->io_offset -
 749                             aio->io_offset), dio->io_size);
 750                 } else if (dio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE) {
 751                         bcopy(dio->io_data, (char *)aio->io_data +
 752                             (dio->io_offset - aio->io_offset),
 753                             dio->io_size);
 754                 }
 755
 756                 zio_add_child(dio, aio);
 757                 vdev_queue_io_remove(vq, dio);
 758                 zio_vdev_io_bypass(dio);
 759                 zio_execute(dio);
 760         } while (dio != last);
 761
 762         return (aio);
 763 }
 764
 765 static zio_t *
 766 vdev_queue_io_to_issue(vdev_queue_t *vq)
 767 {
 768         zio_t *zio, *aio;
 769         zio_priority_t p;
 770         avl_index_t idx;
 771         avl_tree_t *tree;
 772         zio_t search;
 773
 774 again:
 775         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 776
 777         p = vdev_queue_class_to_issue(vq);
 778
 779         if (p == ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE) {
 780                 /* No eligible queued i/os */
 781                 return (NULL);
 782         }
 783
 784         /*
 785          * For LBA-ordered queues (async / scrub), issue the i/o which follows
 786          * the most recently issued i/o in LBA (offset) order.
 787          *
 788          * For FIFO queues (sync), issue the i/o with the lowest timestamp.
 789          */
 790         tree = vdev_queue_class_tree(vq, p);
 791         search.io_timestamp = 0;
 792         search.io_offset = vq->vq_last_offset + 1;
 793         VERIFY3P(avl_find(tree, &search, &idx), ==, NULL);
 794         zio = avl_nearest(tree, idx, AVL_AFTER);
 795         if (zio == NULL)
 796                 zio = avl_first(tree);
 797         ASSERT3U(zio->io_priority, ==, p);
 798
 799         aio = vdev_queue_aggregate(vq, zio);
 800         if (aio != NULL)
 801                 zio = aio;
 802         else
 803                 vdev_queue_io_remove(vq, zio);
 804
 805         /*
 806          * If the I/O is or was optional and therefore has no data, we need to
 807          * simply discard it. We need to drop the vdev queue's lock to avoid a
 808          * deadlock that we could encounter since this I/O will complete
 809          * immediately.
 810          */
 811         if (zio->io_flags & ZIO_FLAG_NODATA) {
 812                 mutex_exit(&vq->vq_lock);
 813                 zio_vdev_io_bypass(zio);
 814                 zio_execute(zio);
 815                 mutex_enter(&vq->vq_lock);
 816                 goto again;
 817         }
 818
 819         vdev_queue_pending_add(vq, zio);
 820         vq->vq_last_offset = zio->io_offset;
 821
 822         return (zio);
 823 }
 824
 825 zio_t *
 826 vdev_queue_io(zio_t *zio)
 827 {
 828         vdev_queue_t *vq = &zio->io_vd->vdev_queue;
 829         zio_t *nio;
 830
 831         if (zio->io_flags & ZIO_FLAG_DONT_QUEUE)
 832                 return (zio);
 833
 834         /*
 835          * Children i/os inherent their parent's priority, which might
 836          * not match the child's i/o type.  Fix it up here.
 837          */
 838         if (zio->io_type == ZIO_TYPE_READ) {
 839                 if (zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_SYNC_READ &&
 840                     zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_ASYNC_READ &&
 841                     zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_SCRUB)
 842                         zio->io_priority = ZIO_PRIORITY_ASYNC_READ;
 843         } else if (zio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE) {
 844                 if (zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_SYNC_WRITE &&
 845                     zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_ASYNC_WRITE)
 846                         zio->io_priority = ZIO_PRIORITY_ASYNC_WRITE;
 847         } else {
 848                 ASSERT(zio->io_type == ZIO_TYPE_FREE);
 849                 zio->io_priority = ZIO_PRIORITY_TRIM;
 850         }
 851
 852         zio->io_flags |= ZIO_FLAG_DONT_CACHE | ZIO_FLAG_DONT_QUEUE;
 853
 854         mutex_enter(&vq->vq_lock);
 855         zio->io_timestamp = gethrtime();
 856         vdev_queue_io_add(vq, zio);
 857         nio = vdev_queue_io_to_issue(vq);
 858         mutex_exit(&vq->vq_lock);
 859
 860         if (nio == NULL)
 861                 return (NULL);
 862
 863         if (nio->io_done == vdev_queue_agg_io_done) {
 864                 zio_nowait(nio);
 865                 return (NULL);
 866         }
 867
 868         return (nio);
 869 }
 870
 871 void
 872 vdev_queue_io_done(zio_t *zio)
 873 {
 874         vdev_queue_t *vq = &zio->io_vd->vdev_queue;
 875         zio_t *nio;
 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 }