]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - sys/contrib/openzfs/module/zfs/metaslab.c
Update the Arm Optimized Routine library to v23.01
[FreeBSD/FreeBSD.git] / sys / contrib / openzfs / module / zfs / metaslab.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 https://opensource.org/licenses/CDDL-1.0.
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 (c) 2005, 2010, Oracle and/or its affiliates. All rights reserved.
23  * Copyright (c) 2011, 2019 by Delphix. All rights reserved.
24  * Copyright (c) 2013 by Saso Kiselkov. All rights reserved.
25  * Copyright (c) 2015, Nexenta Systems, Inc. All rights reserved.
26  * Copyright (c) 2017, Intel Corporation.
27  */
28
29 #include <sys/zfs_context.h>
30 #include <sys/dmu.h>
31 #include <sys/dmu_tx.h>
32 #include <sys/space_map.h>
33 #include <sys/metaslab_impl.h>
34 #include <sys/vdev_impl.h>
35 #include <sys/vdev_draid.h>
36 #include <sys/zio.h>
37 #include <sys/spa_impl.h>
38 #include <sys/zfeature.h>
39 #include <sys/vdev_indirect_mapping.h>
40 #include <sys/zap.h>
41 #include <sys/btree.h>
42
43 #define WITH_DF_BLOCK_ALLOCATOR
44
45 #define GANG_ALLOCATION(flags) \
46         ((flags) & (METASLAB_GANG_CHILD | METASLAB_GANG_HEADER))
47
48 /*
49  * Metaslab granularity, in bytes. This is roughly similar to what would be
50  * referred to as the "stripe size" in traditional RAID arrays. In normal
51  * operation, we will try to write this amount of data to each disk before
52  * moving on to the next top-level vdev.
53  */
54 static uint64_t metaslab_aliquot = 1024 * 1024;
55
56 /*
57  * For testing, make some blocks above a certain size be gang blocks.
58  */
59 uint64_t metaslab_force_ganging = SPA_MAXBLOCKSIZE + 1;
60
61 /*
62  * In pools where the log space map feature is not enabled we touch
63  * multiple metaslabs (and their respective space maps) with each
64  * transaction group. Thus, we benefit from having a small space map
65  * block size since it allows us to issue more I/O operations scattered
66  * around the disk. So a sane default for the space map block size
67  * is 8~16K.
68  */
69 int zfs_metaslab_sm_blksz_no_log = (1 << 14);
70
71 /*
72  * When the log space map feature is enabled, we accumulate a lot of
73  * changes per metaslab that are flushed once in a while so we benefit
74  * from a bigger block size like 128K for the metaslab space maps.
75  */
76 int zfs_metaslab_sm_blksz_with_log = (1 << 17);
77
78 /*
79  * The in-core space map representation is more compact than its on-disk form.
80  * The zfs_condense_pct determines how much more compact the in-core
81  * space map representation must be before we compact it on-disk.
82  * Values should be greater than or equal to 100.
83  */
84 uint_t zfs_condense_pct = 200;
85
86 /*
87  * Condensing a metaslab is not guaranteed to actually reduce the amount of
88  * space used on disk. In particular, a space map uses data in increments of
89  * MAX(1 << ashift, space_map_blksz), so a metaslab might use the
90  * same number of blocks after condensing. Since the goal of condensing is to
91  * reduce the number of IOPs required to read the space map, we only want to
92  * condense when we can be sure we will reduce the number of blocks used by the
93  * space map. Unfortunately, we cannot precisely compute whether or not this is
94  * the case in metaslab_should_condense since we are holding ms_lock. Instead,
95  * we apply the following heuristic: do not condense a spacemap unless the
96  * uncondensed size consumes greater than zfs_metaslab_condense_block_threshold
97  * blocks.
98  */
99 static const int zfs_metaslab_condense_block_threshold = 4;
100
101 /*
102  * The zfs_mg_noalloc_threshold defines which metaslab groups should
103  * be eligible for allocation. The value is defined as a percentage of
104  * free space. Metaslab groups that have more free space than
105  * zfs_mg_noalloc_threshold are always eligible for allocations. Once
106  * a metaslab group's free space is less than or equal to the
107  * zfs_mg_noalloc_threshold the allocator will avoid allocating to that
108  * group unless all groups in the pool have reached zfs_mg_noalloc_threshold.
109  * Once all groups in the pool reach zfs_mg_noalloc_threshold then all
110  * groups are allowed to accept allocations. Gang blocks are always
111  * eligible to allocate on any metaslab group. The default value of 0 means
112  * no metaslab group will be excluded based on this criterion.
113  */
114 static uint_t zfs_mg_noalloc_threshold = 0;
115
116 /*
117  * Metaslab groups are considered eligible for allocations if their
118  * fragmentation metric (measured as a percentage) is less than or
119  * equal to zfs_mg_fragmentation_threshold. If a metaslab group
120  * exceeds this threshold then it will be skipped unless all metaslab
121  * groups within the metaslab class have also crossed this threshold.
122  *
123  * This tunable was introduced to avoid edge cases where we continue
124  * allocating from very fragmented disks in our pool while other, less
125  * fragmented disks, exists. On the other hand, if all disks in the
126  * pool are uniformly approaching the threshold, the threshold can
127  * be a speed bump in performance, where we keep switching the disks
128  * that we allocate from (e.g. we allocate some segments from disk A
129  * making it bypassing the threshold while freeing segments from disk
130  * B getting its fragmentation below the threshold).
131  *
132  * Empirically, we've seen that our vdev selection for allocations is
133  * good enough that fragmentation increases uniformly across all vdevs
134  * the majority of the time. Thus we set the threshold percentage high
135  * enough to avoid hitting the speed bump on pools that are being pushed
136  * to the edge.
137  */
138 static uint_t zfs_mg_fragmentation_threshold = 95;
139
140 /*
141  * Allow metaslabs to keep their active state as long as their fragmentation
142  * percentage is less than or equal to zfs_metaslab_fragmentation_threshold. An
143  * active metaslab that exceeds this threshold will no longer keep its active
144  * status allowing better metaslabs to be selected.
145  */
146 static uint_t zfs_metaslab_fragmentation_threshold = 70;
147
148 /*
149  * When set will load all metaslabs when pool is first opened.
150  */
151 int metaslab_debug_load = B_FALSE;
152
153 /*
154  * When set will prevent metaslabs from being unloaded.
155  */
156 static int metaslab_debug_unload = B_FALSE;
157
158 /*
159  * Minimum size which forces the dynamic allocator to change
160  * it's allocation strategy.  Once the space map cannot satisfy
161  * an allocation of this size then it switches to using more
162  * aggressive strategy (i.e search by size rather than offset).
163  */
164 uint64_t metaslab_df_alloc_threshold = SPA_OLD_MAXBLOCKSIZE;
165
166 /*
167  * The minimum free space, in percent, which must be available
168  * in a space map to continue allocations in a first-fit fashion.
169  * Once the space map's free space drops below this level we dynamically
170  * switch to using best-fit allocations.
171  */
172 uint_t metaslab_df_free_pct = 4;
173
174 /*
175  * Maximum distance to search forward from the last offset. Without this
176  * limit, fragmented pools can see >100,000 iterations and
177  * metaslab_block_picker() becomes the performance limiting factor on
178  * high-performance storage.
179  *
180  * With the default setting of 16MB, we typically see less than 500
181  * iterations, even with very fragmented, ashift=9 pools. The maximum number
182  * of iterations possible is:
183  *     metaslab_df_max_search / (2 * (1<<ashift))
184  * With the default setting of 16MB this is 16*1024 (with ashift=9) or
185  * 2048 (with ashift=12).
186  */
187 static uint_t metaslab_df_max_search = 16 * 1024 * 1024;
188
189 /*
190  * Forces the metaslab_block_picker function to search for at least this many
191  * segments forwards until giving up on finding a segment that the allocation
192  * will fit into.
193  */
194 static const uint32_t metaslab_min_search_count = 100;
195
196 /*
197  * If we are not searching forward (due to metaslab_df_max_search,
198  * metaslab_df_free_pct, or metaslab_df_alloc_threshold), this tunable
199  * controls what segment is used.  If it is set, we will use the largest free
200  * segment.  If it is not set, we will use a segment of exactly the requested
201  * size (or larger).
202  */
203 static int metaslab_df_use_largest_segment = B_FALSE;
204
205 /*
206  * Percentage of all cpus that can be used by the metaslab taskq.
207  */
208 int metaslab_load_pct = 50;
209
210 /*
211  * These tunables control how long a metaslab will remain loaded after the
212  * last allocation from it.  A metaslab can't be unloaded until at least
213  * metaslab_unload_delay TXG's and metaslab_unload_delay_ms milliseconds
214  * have elapsed.  However, zfs_metaslab_mem_limit may cause it to be
215  * unloaded sooner.  These settings are intended to be generous -- to keep
216  * metaslabs loaded for a long time, reducing the rate of metaslab loading.
217  */
218 static uint_t metaslab_unload_delay = 32;
219 static uint_t metaslab_unload_delay_ms = 10 * 60 * 1000; /* ten minutes */
220
221 /*
222  * Max number of metaslabs per group to preload.
223  */
224 uint_t metaslab_preload_limit = 10;
225
226 /*
227  * Enable/disable preloading of metaslab.
228  */
229 static int metaslab_preload_enabled = B_TRUE;
230
231 /*
232  * Enable/disable fragmentation weighting on metaslabs.
233  */
234 static int metaslab_fragmentation_factor_enabled = B_TRUE;
235
236 /*
237  * Enable/disable lba weighting (i.e. outer tracks are given preference).
238  */
239 static int metaslab_lba_weighting_enabled = B_TRUE;
240
241 /*
242  * Enable/disable metaslab group biasing.
243  */
244 static int metaslab_bias_enabled = B_TRUE;
245
246 /*
247  * Enable/disable remapping of indirect DVAs to their concrete vdevs.
248  */
249 static const boolean_t zfs_remap_blkptr_enable = B_TRUE;
250
251 /*
252  * Enable/disable segment-based metaslab selection.
253  */
254 static int zfs_metaslab_segment_weight_enabled = B_TRUE;
255
256 /*
257  * When using segment-based metaslab selection, we will continue
258  * allocating from the active metaslab until we have exhausted
259  * zfs_metaslab_switch_threshold of its buckets.
260  */
261 static int zfs_metaslab_switch_threshold = 2;
262
263 /*
264  * Internal switch to enable/disable the metaslab allocation tracing
265  * facility.
266  */
267 static const boolean_t metaslab_trace_enabled = B_FALSE;
268
269 /*
270  * Maximum entries that the metaslab allocation tracing facility will keep
271  * in a given list when running in non-debug mode. We limit the number
272  * of entries in non-debug mode to prevent us from using up too much memory.
273  * The limit should be sufficiently large that we don't expect any allocation
274  * to every exceed this value. In debug mode, the system will panic if this
275  * limit is ever reached allowing for further investigation.
276  */
277 static const uint64_t metaslab_trace_max_entries = 5000;
278
279 /*
280  * Maximum number of metaslabs per group that can be disabled
281  * simultaneously.
282  */
283 static const int max_disabled_ms = 3;
284
285 /*
286  * Time (in seconds) to respect ms_max_size when the metaslab is not loaded.
287  * To avoid 64-bit overflow, don't set above UINT32_MAX.
288  */
289 static uint64_t zfs_metaslab_max_size_cache_sec = 1 * 60 * 60; /* 1 hour */
290
291 /*
292  * Maximum percentage of memory to use on storing loaded metaslabs. If loading
293  * a metaslab would take it over this percentage, the oldest selected metaslab
294  * is automatically unloaded.
295  */
296 static uint_t zfs_metaslab_mem_limit = 25;
297
298 /*
299  * Force the per-metaslab range trees to use 64-bit integers to store
300  * segments. Used for debugging purposes.
301  */
302 static const boolean_t zfs_metaslab_force_large_segs = B_FALSE;
303
304 /*
305  * By default we only store segments over a certain size in the size-sorted
306  * metaslab trees (ms_allocatable_by_size and
307  * ms_unflushed_frees_by_size). This dramatically reduces memory usage and
308  * improves load and unload times at the cost of causing us to use slightly
309  * larger segments than we would otherwise in some cases.
310  */
311 static const uint32_t metaslab_by_size_min_shift = 14;
312
313 /*
314  * If not set, we will first try normal allocation.  If that fails then
315  * we will do a gang allocation.  If that fails then we will do a "try hard"
316  * gang allocation.  If that fails then we will have a multi-layer gang
317  * block.
318  *
319  * If set, we will first try normal allocation.  If that fails then
320  * we will do a "try hard" allocation.  If that fails we will do a gang
321  * allocation.  If that fails we will do a "try hard" gang allocation.  If
322  * that fails then we will have a multi-layer gang block.
323  */
324 static int zfs_metaslab_try_hard_before_gang = B_FALSE;
325
326 /*
327  * When not trying hard, we only consider the best zfs_metaslab_find_max_tries
328  * metaslabs.  This improves performance, especially when there are many
329  * metaslabs per vdev and the allocation can't actually be satisfied (so we
330  * would otherwise iterate all the metaslabs).  If there is a metaslab with a
331  * worse weight but it can actually satisfy the allocation, we won't find it
332  * until trying hard.  This may happen if the worse metaslab is not loaded
333  * (and the true weight is better than we have calculated), or due to weight
334  * bucketization.  E.g. we are looking for a 60K segment, and the best
335  * metaslabs all have free segments in the 32-63K bucket, but the best
336  * zfs_metaslab_find_max_tries metaslabs have ms_max_size <60KB, and a
337  * subsequent metaslab has ms_max_size >60KB (but fewer segments in this
338  * bucket, and therefore a lower weight).
339  */
340 static uint_t zfs_metaslab_find_max_tries = 100;
341
342 static uint64_t metaslab_weight(metaslab_t *, boolean_t);
343 static void metaslab_set_fragmentation(metaslab_t *, boolean_t);
344 static void metaslab_free_impl(vdev_t *, uint64_t, uint64_t, boolean_t);
345 static void metaslab_check_free_impl(vdev_t *, uint64_t, uint64_t);
346
347 static void metaslab_passivate(metaslab_t *msp, uint64_t weight);
348 static uint64_t metaslab_weight_from_range_tree(metaslab_t *msp);
349 static void metaslab_flush_update(metaslab_t *, dmu_tx_t *);
350 static unsigned int metaslab_idx_func(multilist_t *, void *);
351 static void metaslab_evict(metaslab_t *, uint64_t);
352 static void metaslab_rt_add(range_tree_t *rt, range_seg_t *rs, void *arg);
353 kmem_cache_t *metaslab_alloc_trace_cache;
354
355 typedef struct metaslab_stats {
356         kstat_named_t metaslabstat_trace_over_limit;
357         kstat_named_t metaslabstat_reload_tree;
358         kstat_named_t metaslabstat_too_many_tries;
359         kstat_named_t metaslabstat_try_hard;
360 } metaslab_stats_t;
361
362 static metaslab_stats_t metaslab_stats = {
363         { "trace_over_limit",           KSTAT_DATA_UINT64 },
364         { "reload_tree",                KSTAT_DATA_UINT64 },
365         { "too_many_tries",             KSTAT_DATA_UINT64 },
366         { "try_hard",                   KSTAT_DATA_UINT64 },
367 };
368
369 #define METASLABSTAT_BUMP(stat) \
370         atomic_inc_64(&metaslab_stats.stat.value.ui64);
371
372
373 static kstat_t *metaslab_ksp;
374
375 void
376 metaslab_stat_init(void)
377 {
378         ASSERT(metaslab_alloc_trace_cache == NULL);
379         metaslab_alloc_trace_cache = kmem_cache_create(
380             "metaslab_alloc_trace_cache", sizeof (metaslab_alloc_trace_t),
381             0, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, 0);
382         metaslab_ksp = kstat_create("zfs", 0, "metaslab_stats",
383             "misc", KSTAT_TYPE_NAMED, sizeof (metaslab_stats) /
384             sizeof (kstat_named_t), KSTAT_FLAG_VIRTUAL);
385         if (metaslab_ksp != NULL) {
386                 metaslab_ksp->ks_data = &metaslab_stats;
387                 kstat_install(metaslab_ksp);
388         }
389 }
390
391 void
392 metaslab_stat_fini(void)
393 {
394         if (metaslab_ksp != NULL) {
395                 kstat_delete(metaslab_ksp);
396                 metaslab_ksp = NULL;
397         }
398
399         kmem_cache_destroy(metaslab_alloc_trace_cache);
400         metaslab_alloc_trace_cache = NULL;
401 }
402
403 /*
404  * ==========================================================================
405  * Metaslab classes
406  * ==========================================================================
407  */
408 metaslab_class_t *
409 metaslab_class_create(spa_t *spa, const metaslab_ops_t *ops)
410 {
411         metaslab_class_t *mc;
412
413         mc = kmem_zalloc(offsetof(metaslab_class_t,
414             mc_allocator[spa->spa_alloc_count]), KM_SLEEP);
415
416         mc->mc_spa = spa;
417         mc->mc_ops = ops;
418         mutex_init(&mc->mc_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
419         multilist_create(&mc->mc_metaslab_txg_list, sizeof (metaslab_t),
420             offsetof(metaslab_t, ms_class_txg_node), metaslab_idx_func);
421         for (int i = 0; i < spa->spa_alloc_count; i++) {
422                 metaslab_class_allocator_t *mca = &mc->mc_allocator[i];
423                 mca->mca_rotor = NULL;
424                 zfs_refcount_create_tracked(&mca->mca_alloc_slots);
425         }
426
427         return (mc);
428 }
429
430 void
431 metaslab_class_destroy(metaslab_class_t *mc)
432 {
433         spa_t *spa = mc->mc_spa;
434
435         ASSERT(mc->mc_alloc == 0);
436         ASSERT(mc->mc_deferred == 0);
437         ASSERT(mc->mc_space == 0);
438         ASSERT(mc->mc_dspace == 0);
439
440         for (int i = 0; i < spa->spa_alloc_count; i++) {
441                 metaslab_class_allocator_t *mca = &mc->mc_allocator[i];
442                 ASSERT(mca->mca_rotor == NULL);
443                 zfs_refcount_destroy(&mca->mca_alloc_slots);
444         }
445         mutex_destroy(&mc->mc_lock);
446         multilist_destroy(&mc->mc_metaslab_txg_list);
447         kmem_free(mc, offsetof(metaslab_class_t,
448             mc_allocator[spa->spa_alloc_count]));
449 }
450
451 int
452 metaslab_class_validate(metaslab_class_t *mc)
453 {
454         metaslab_group_t *mg;
455         vdev_t *vd;
456
457         /*
458          * Must hold one of the spa_config locks.
459          */
460         ASSERT(spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALL, RW_READER) ||
461             spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALL, RW_WRITER));
462
463         if ((mg = mc->mc_allocator[0].mca_rotor) == NULL)
464                 return (0);
465
466         do {
467                 vd = mg->mg_vd;
468                 ASSERT(vd->vdev_mg != NULL);
469                 ASSERT3P(vd->vdev_top, ==, vd);
470                 ASSERT3P(mg->mg_class, ==, mc);
471                 ASSERT3P(vd->vdev_ops, !=, &vdev_hole_ops);
472         } while ((mg = mg->mg_next) != mc->mc_allocator[0].mca_rotor);
473
474         return (0);
475 }
476
477 static void
478 metaslab_class_space_update(metaslab_class_t *mc, int64_t alloc_delta,
479     int64_t defer_delta, int64_t space_delta, int64_t dspace_delta)
480 {
481         atomic_add_64(&mc->mc_alloc, alloc_delta);
482         atomic_add_64(&mc->mc_deferred, defer_delta);
483         atomic_add_64(&mc->mc_space, space_delta);
484         atomic_add_64(&mc->mc_dspace, dspace_delta);
485 }
486
487 uint64_t
488 metaslab_class_get_alloc(metaslab_class_t *mc)
489 {
490         return (mc->mc_alloc);
491 }
492
493 uint64_t
494 metaslab_class_get_deferred(metaslab_class_t *mc)
495 {
496         return (mc->mc_deferred);
497 }
498
499 uint64_t
500 metaslab_class_get_space(metaslab_class_t *mc)
501 {
502         return (mc->mc_space);
503 }
504
505 uint64_t
506 metaslab_class_get_dspace(metaslab_class_t *mc)
507 {
508         return (spa_deflate(mc->mc_spa) ? mc->mc_dspace : mc->mc_space);
509 }
510
511 void
512 metaslab_class_histogram_verify(metaslab_class_t *mc)
513 {
514         spa_t *spa = mc->mc_spa;
515         vdev_t *rvd = spa->spa_root_vdev;
516         uint64_t *mc_hist;
517         int i;
518
519         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_HISTOGRAM_VERIFY) == 0)
520                 return;
521
522         mc_hist = kmem_zalloc(sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE,
523             KM_SLEEP);
524
525         mutex_enter(&mc->mc_lock);
526         for (int c = 0; c < rvd->vdev_children; c++) {
527                 vdev_t *tvd = rvd->vdev_child[c];
528                 metaslab_group_t *mg = vdev_get_mg(tvd, mc);
529
530                 /*
531                  * Skip any holes, uninitialized top-levels, or
532                  * vdevs that are not in this metalab class.
533                  */
534                 if (!vdev_is_concrete(tvd) || tvd->vdev_ms_shift == 0 ||
535                     mg->mg_class != mc) {
536                         continue;
537                 }
538
539                 IMPLY(mg == mg->mg_vd->vdev_log_mg,
540                     mc == spa_embedded_log_class(mg->mg_vd->vdev_spa));
541
542                 for (i = 0; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i++)
543                         mc_hist[i] += mg->mg_histogram[i];
544         }
545
546         for (i = 0; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
547                 VERIFY3U(mc_hist[i], ==, mc->mc_histogram[i]);
548         }
549
550         mutex_exit(&mc->mc_lock);
551         kmem_free(mc_hist, sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE);
552 }
553
554 /*
555  * Calculate the metaslab class's fragmentation metric. The metric
556  * is weighted based on the space contribution of each metaslab group.
557  * The return value will be a number between 0 and 100 (inclusive), or
558  * ZFS_FRAG_INVALID if the metric has not been set. See comment above the
559  * zfs_frag_table for more information about the metric.
560  */
561 uint64_t
562 metaslab_class_fragmentation(metaslab_class_t *mc)
563 {
564         vdev_t *rvd = mc->mc_spa->spa_root_vdev;
565         uint64_t fragmentation = 0;
566
567         spa_config_enter(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
568
569         for (int c = 0; c < rvd->vdev_children; c++) {
570                 vdev_t *tvd = rvd->vdev_child[c];
571                 metaslab_group_t *mg = tvd->vdev_mg;
572
573                 /*
574                  * Skip any holes, uninitialized top-levels,
575                  * or vdevs that are not in this metalab class.
576                  */
577                 if (!vdev_is_concrete(tvd) || tvd->vdev_ms_shift == 0 ||
578                     mg->mg_class != mc) {
579                         continue;
580                 }
581
582                 /*
583                  * If a metaslab group does not contain a fragmentation
584                  * metric then just bail out.
585                  */
586                 if (mg->mg_fragmentation == ZFS_FRAG_INVALID) {
587                         spa_config_exit(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG);
588                         return (ZFS_FRAG_INVALID);
589                 }
590
591                 /*
592                  * Determine how much this metaslab_group is contributing
593                  * to the overall pool fragmentation metric.
594                  */
595                 fragmentation += mg->mg_fragmentation *
596                     metaslab_group_get_space(mg);
597         }
598         fragmentation /= metaslab_class_get_space(mc);
599
600         ASSERT3U(fragmentation, <=, 100);
601         spa_config_exit(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG);
602         return (fragmentation);
603 }
604
605 /*
606  * Calculate the amount of expandable space that is available in
607  * this metaslab class. If a device is expanded then its expandable
608  * space will be the amount of allocatable space that is currently not
609  * part of this metaslab class.
610  */
611 uint64_t
612 metaslab_class_expandable_space(metaslab_class_t *mc)
613 {
614         vdev_t *rvd = mc->mc_spa->spa_root_vdev;
615         uint64_t space = 0;
616
617         spa_config_enter(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
618         for (int c = 0; c < rvd->vdev_children; c++) {
619                 vdev_t *tvd = rvd->vdev_child[c];
620                 metaslab_group_t *mg = tvd->vdev_mg;
621
622                 if (!vdev_is_concrete(tvd) || tvd->vdev_ms_shift == 0 ||
623                     mg->mg_class != mc) {
624                         continue;
625                 }
626
627                 /*
628                  * Calculate if we have enough space to add additional
629                  * metaslabs. We report the expandable space in terms
630                  * of the metaslab size since that's the unit of expansion.
631                  */
632                 space += P2ALIGN(tvd->vdev_max_asize - tvd->vdev_asize,
633                     1ULL << tvd->vdev_ms_shift);
634         }
635         spa_config_exit(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG);
636         return (space);
637 }
638
639 void
640 metaslab_class_evict_old(metaslab_class_t *mc, uint64_t txg)
641 {
642         multilist_t *ml = &mc->mc_metaslab_txg_list;
643         for (int i = 0; i < multilist_get_num_sublists(ml); i++) {
644                 multilist_sublist_t *mls = multilist_sublist_lock(ml, i);
645                 metaslab_t *msp = multilist_sublist_head(mls);
646                 multilist_sublist_unlock(mls);
647                 while (msp != NULL) {
648                         mutex_enter(&msp->ms_lock);
649
650                         /*
651                          * If the metaslab has been removed from the list
652                          * (which could happen if we were at the memory limit
653                          * and it was evicted during this loop), then we can't
654                          * proceed and we should restart the sublist.
655                          */
656                         if (!multilist_link_active(&msp->ms_class_txg_node)) {
657                                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
658                                 i--;
659                                 break;
660                         }
661                         mls = multilist_sublist_lock(ml, i);
662                         metaslab_t *next_msp = multilist_sublist_next(mls, msp);
663                         multilist_sublist_unlock(mls);
664                         if (txg >
665                             msp->ms_selected_txg + metaslab_unload_delay &&
666                             gethrtime() > msp->ms_selected_time +
667                             (uint64_t)MSEC2NSEC(metaslab_unload_delay_ms)) {
668                                 metaslab_evict(msp, txg);
669                         } else {
670                                 /*
671                                  * Once we've hit a metaslab selected too
672                                  * recently to evict, we're done evicting for
673                                  * now.
674                                  */
675                                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
676                                 break;
677                         }
678                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
679                         msp = next_msp;
680                 }
681         }
682 }
683
684 static int
685 metaslab_compare(const void *x1, const void *x2)
686 {
687         const metaslab_t *m1 = (const metaslab_t *)x1;
688         const metaslab_t *m2 = (const metaslab_t *)x2;
689
690         int sort1 = 0;
691         int sort2 = 0;
692         if (m1->ms_allocator != -1 && m1->ms_primary)
693                 sort1 = 1;
694         else if (m1->ms_allocator != -1 && !m1->ms_primary)
695                 sort1 = 2;
696         if (m2->ms_allocator != -1 && m2->ms_primary)
697                 sort2 = 1;
698         else if (m2->ms_allocator != -1 && !m2->ms_primary)
699                 sort2 = 2;
700
701         /*
702          * Sort inactive metaslabs first, then primaries, then secondaries. When
703          * selecting a metaslab to allocate from, an allocator first tries its
704          * primary, then secondary active metaslab. If it doesn't have active
705          * metaslabs, or can't allocate from them, it searches for an inactive
706          * metaslab to activate. If it can't find a suitable one, it will steal
707          * a primary or secondary metaslab from another allocator.
708          */
709         if (sort1 < sort2)
710                 return (-1);
711         if (sort1 > sort2)
712                 return (1);
713
714         int cmp = TREE_CMP(m2->ms_weight, m1->ms_weight);
715         if (likely(cmp))
716                 return (cmp);
717
718         IMPLY(TREE_CMP(m1->ms_start, m2->ms_start) == 0, m1 == m2);
719
720         return (TREE_CMP(m1->ms_start, m2->ms_start));
721 }
722
723 /*
724  * ==========================================================================
725  * Metaslab groups
726  * ==========================================================================
727  */
728 /*
729  * Update the allocatable flag and the metaslab group's capacity.
730  * The allocatable flag is set to true if the capacity is below
731  * the zfs_mg_noalloc_threshold or has a fragmentation value that is
732  * greater than zfs_mg_fragmentation_threshold. If a metaslab group
733  * transitions from allocatable to non-allocatable or vice versa then the
734  * metaslab group's class is updated to reflect the transition.
735  */
736 static void
737 metaslab_group_alloc_update(metaslab_group_t *mg)
738 {
739         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
740         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
741         vdev_stat_t *vs = &vd->vdev_stat;
742         boolean_t was_allocatable;
743         boolean_t was_initialized;
744
745         ASSERT(vd == vd->vdev_top);
746         ASSERT3U(spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALLOC, RW_READER), ==,
747             SCL_ALLOC);
748
749         mutex_enter(&mg->mg_lock);
750         was_allocatable = mg->mg_allocatable;
751         was_initialized = mg->mg_initialized;
752
753         mg->mg_free_capacity = ((vs->vs_space - vs->vs_alloc) * 100) /
754             (vs->vs_space + 1);
755
756         mutex_enter(&mc->mc_lock);
757
758         /*
759          * If the metaslab group was just added then it won't
760          * have any space until we finish syncing out this txg.
761          * At that point we will consider it initialized and available
762          * for allocations.  We also don't consider non-activated
763          * metaslab groups (e.g. vdevs that are in the middle of being removed)
764          * to be initialized, because they can't be used for allocation.
765          */
766         mg->mg_initialized = metaslab_group_initialized(mg);
767         if (!was_initialized && mg->mg_initialized) {
768                 mc->mc_groups++;
769         } else if (was_initialized && !mg->mg_initialized) {
770                 ASSERT3U(mc->mc_groups, >, 0);
771                 mc->mc_groups--;
772         }
773         if (mg->mg_initialized)
774                 mg->mg_no_free_space = B_FALSE;
775
776         /*
777          * A metaslab group is considered allocatable if it has plenty
778          * of free space or is not heavily fragmented. We only take
779          * fragmentation into account if the metaslab group has a valid
780          * fragmentation metric (i.e. a value between 0 and 100).
781          */
782         mg->mg_allocatable = (mg->mg_activation_count > 0 &&
783             mg->mg_free_capacity > zfs_mg_noalloc_threshold &&
784             (mg->mg_fragmentation == ZFS_FRAG_INVALID ||
785             mg->mg_fragmentation <= zfs_mg_fragmentation_threshold));
786
787         /*
788          * The mc_alloc_groups maintains a count of the number of
789          * groups in this metaslab class that are still above the
790          * zfs_mg_noalloc_threshold. This is used by the allocating
791          * threads to determine if they should avoid allocations to
792          * a given group. The allocator will avoid allocations to a group
793          * if that group has reached or is below the zfs_mg_noalloc_threshold
794          * and there are still other groups that are above the threshold.
795          * When a group transitions from allocatable to non-allocatable or
796          * vice versa we update the metaslab class to reflect that change.
797          * When the mc_alloc_groups value drops to 0 that means that all
798          * groups have reached the zfs_mg_noalloc_threshold making all groups
799          * eligible for allocations. This effectively means that all devices
800          * are balanced again.
801          */
802         if (was_allocatable && !mg->mg_allocatable)
803                 mc->mc_alloc_groups--;
804         else if (!was_allocatable && mg->mg_allocatable)
805                 mc->mc_alloc_groups++;
806         mutex_exit(&mc->mc_lock);
807
808         mutex_exit(&mg->mg_lock);
809 }
810
811 int
812 metaslab_sort_by_flushed(const void *va, const void *vb)
813 {
814         const metaslab_t *a = va;
815         const metaslab_t *b = vb;
816
817         int cmp = TREE_CMP(a->ms_unflushed_txg, b->ms_unflushed_txg);
818         if (likely(cmp))
819                 return (cmp);
820
821         uint64_t a_vdev_id = a->ms_group->mg_vd->vdev_id;
822         uint64_t b_vdev_id = b->ms_group->mg_vd->vdev_id;
823         cmp = TREE_CMP(a_vdev_id, b_vdev_id);
824         if (cmp)
825                 return (cmp);
826
827         return (TREE_CMP(a->ms_id, b->ms_id));
828 }
829
830 metaslab_group_t *
831 metaslab_group_create(metaslab_class_t *mc, vdev_t *vd, int allocators)
832 {
833         metaslab_group_t *mg;
834
835         mg = kmem_zalloc(offsetof(metaslab_group_t,
836             mg_allocator[allocators]), KM_SLEEP);
837         mutex_init(&mg->mg_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
838         mutex_init(&mg->mg_ms_disabled_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
839         cv_init(&mg->mg_ms_disabled_cv, NULL, CV_DEFAULT, NULL);
840         avl_create(&mg->mg_metaslab_tree, metaslab_compare,
841             sizeof (metaslab_t), offsetof(metaslab_t, ms_group_node));
842         mg->mg_vd = vd;
843         mg->mg_class = mc;
844         mg->mg_activation_count = 0;
845         mg->mg_initialized = B_FALSE;
846         mg->mg_no_free_space = B_TRUE;
847         mg->mg_allocators = allocators;
848
849         for (int i = 0; i < allocators; i++) {
850                 metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[i];
851                 zfs_refcount_create_tracked(&mga->mga_alloc_queue_depth);
852         }
853
854         mg->mg_taskq = taskq_create("metaslab_group_taskq", metaslab_load_pct,
855             maxclsyspri, 10, INT_MAX, TASKQ_THREADS_CPU_PCT | TASKQ_DYNAMIC);
856
857         return (mg);
858 }
859
860 void
861 metaslab_group_destroy(metaslab_group_t *mg)
862 {
863         ASSERT(mg->mg_prev == NULL);
864         ASSERT(mg->mg_next == NULL);
865         /*
866          * We may have gone below zero with the activation count
867          * either because we never activated in the first place or
868          * because we're done, and possibly removing the vdev.
869          */
870         ASSERT(mg->mg_activation_count <= 0);
871
872         taskq_destroy(mg->mg_taskq);
873         avl_destroy(&mg->mg_metaslab_tree);
874         mutex_destroy(&mg->mg_lock);
875         mutex_destroy(&mg->mg_ms_disabled_lock);
876         cv_destroy(&mg->mg_ms_disabled_cv);
877
878         for (int i = 0; i < mg->mg_allocators; i++) {
879                 metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[i];
880                 zfs_refcount_destroy(&mga->mga_alloc_queue_depth);
881         }
882         kmem_free(mg, offsetof(metaslab_group_t,
883             mg_allocator[mg->mg_allocators]));
884 }
885
886 void
887 metaslab_group_activate(metaslab_group_t *mg)
888 {
889         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
890         spa_t *spa = mc->mc_spa;
891         metaslab_group_t *mgprev, *mgnext;
892
893         ASSERT3U(spa_config_held(spa, SCL_ALLOC, RW_WRITER), !=, 0);
894
895         ASSERT(mg->mg_prev == NULL);
896         ASSERT(mg->mg_next == NULL);
897         ASSERT(mg->mg_activation_count <= 0);
898
899         if (++mg->mg_activation_count <= 0)
900                 return;
901
902         mg->mg_aliquot = metaslab_aliquot * MAX(1,
903             vdev_get_ndisks(mg->mg_vd) - vdev_get_nparity(mg->mg_vd));
904         metaslab_group_alloc_update(mg);
905
906         if ((mgprev = mc->mc_allocator[0].mca_rotor) == NULL) {
907                 mg->mg_prev = mg;
908                 mg->mg_next = mg;
909         } else {
910                 mgnext = mgprev->mg_next;
911                 mg->mg_prev = mgprev;
912                 mg->mg_next = mgnext;
913                 mgprev->mg_next = mg;
914                 mgnext->mg_prev = mg;
915         }
916         for (int i = 0; i < spa->spa_alloc_count; i++) {
917                 mc->mc_allocator[i].mca_rotor = mg;
918                 mg = mg->mg_next;
919         }
920 }
921
922 /*
923  * Passivate a metaslab group and remove it from the allocation rotor.
924  * Callers must hold both the SCL_ALLOC and SCL_ZIO lock prior to passivating
925  * a metaslab group. This function will momentarily drop spa_config_locks
926  * that are lower than the SCL_ALLOC lock (see comment below).
927  */
928 void
929 metaslab_group_passivate(metaslab_group_t *mg)
930 {
931         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
932         spa_t *spa = mc->mc_spa;
933         metaslab_group_t *mgprev, *mgnext;
934         int locks = spa_config_held(spa, SCL_ALL, RW_WRITER);
935
936         ASSERT3U(spa_config_held(spa, SCL_ALLOC | SCL_ZIO, RW_WRITER), ==,
937             (SCL_ALLOC | SCL_ZIO));
938
939         if (--mg->mg_activation_count != 0) {
940                 for (int i = 0; i < spa->spa_alloc_count; i++)
941                         ASSERT(mc->mc_allocator[i].mca_rotor != mg);
942                 ASSERT(mg->mg_prev == NULL);
943                 ASSERT(mg->mg_next == NULL);
944                 ASSERT(mg->mg_activation_count < 0);
945                 return;
946         }
947
948         /*
949          * The spa_config_lock is an array of rwlocks, ordered as
950          * follows (from highest to lowest):
951          *      SCL_CONFIG > SCL_STATE > SCL_L2ARC > SCL_ALLOC >
952          *      SCL_ZIO > SCL_FREE > SCL_VDEV
953          * (For more information about the spa_config_lock see spa_misc.c)
954          * The higher the lock, the broader its coverage. When we passivate
955          * a metaslab group, we must hold both the SCL_ALLOC and the SCL_ZIO
956          * config locks. However, the metaslab group's taskq might be trying
957          * to preload metaslabs so we must drop the SCL_ZIO lock and any
958          * lower locks to allow the I/O to complete. At a minimum,
959          * we continue to hold the SCL_ALLOC lock, which prevents any future
960          * allocations from taking place and any changes to the vdev tree.
961          */
962         spa_config_exit(spa, locks & ~(SCL_ZIO - 1), spa);
963         taskq_wait_outstanding(mg->mg_taskq, 0);
964         spa_config_enter(spa, locks & ~(SCL_ZIO - 1), spa, RW_WRITER);
965         metaslab_group_alloc_update(mg);
966         for (int i = 0; i < mg->mg_allocators; i++) {
967                 metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[i];
968                 metaslab_t *msp = mga->mga_primary;
969                 if (msp != NULL) {
970                         mutex_enter(&msp->ms_lock);
971                         metaslab_passivate(msp,
972                             metaslab_weight_from_range_tree(msp));
973                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
974                 }
975                 msp = mga->mga_secondary;
976                 if (msp != NULL) {
977                         mutex_enter(&msp->ms_lock);
978                         metaslab_passivate(msp,
979                             metaslab_weight_from_range_tree(msp));
980                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
981                 }
982         }
983
984         mgprev = mg->mg_prev;
985         mgnext = mg->mg_next;
986
987         if (mg == mgnext) {
988                 mgnext = NULL;
989         } else {
990                 mgprev->mg_next = mgnext;
991                 mgnext->mg_prev = mgprev;
992         }
993         for (int i = 0; i < spa->spa_alloc_count; i++) {
994                 if (mc->mc_allocator[i].mca_rotor == mg)
995                         mc->mc_allocator[i].mca_rotor = mgnext;
996         }
997
998         mg->mg_prev = NULL;
999         mg->mg_next = NULL;
1000 }
1001
1002 boolean_t
1003 metaslab_group_initialized(metaslab_group_t *mg)
1004 {
1005         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
1006         vdev_stat_t *vs = &vd->vdev_stat;
1007
1008         return (vs->vs_space != 0 && mg->mg_activation_count > 0);
1009 }
1010
1011 uint64_t
1012 metaslab_group_get_space(metaslab_group_t *mg)
1013 {
1014         /*
1015          * Note that the number of nodes in mg_metaslab_tree may be one less
1016          * than vdev_ms_count, due to the embedded log metaslab.
1017          */
1018         mutex_enter(&mg->mg_lock);
1019         uint64_t ms_count = avl_numnodes(&mg->mg_metaslab_tree);
1020         mutex_exit(&mg->mg_lock);
1021         return ((1ULL << mg->mg_vd->vdev_ms_shift) * ms_count);
1022 }
1023
1024 void
1025 metaslab_group_histogram_verify(metaslab_group_t *mg)
1026 {
1027         uint64_t *mg_hist;
1028         avl_tree_t *t = &mg->mg_metaslab_tree;
1029         uint64_t ashift = mg->mg_vd->vdev_ashift;
1030
1031         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_HISTOGRAM_VERIFY) == 0)
1032                 return;
1033
1034         mg_hist = kmem_zalloc(sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE,
1035             KM_SLEEP);
1036
1037         ASSERT3U(RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE, >=,
1038             SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE + ashift);
1039
1040         mutex_enter(&mg->mg_lock);
1041         for (metaslab_t *msp = avl_first(t);
1042             msp != NULL; msp = AVL_NEXT(t, msp)) {
1043                 VERIFY3P(msp->ms_group, ==, mg);
1044                 /* skip if not active */
1045                 if (msp->ms_sm == NULL)
1046                         continue;
1047
1048                 for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
1049                         mg_hist[i + ashift] +=
1050                             msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
1051                 }
1052         }
1053
1054         for (int i = 0; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i ++)
1055                 VERIFY3U(mg_hist[i], ==, mg->mg_histogram[i]);
1056
1057         mutex_exit(&mg->mg_lock);
1058
1059         kmem_free(mg_hist, sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE);
1060 }
1061
1062 static void
1063 metaslab_group_histogram_add(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
1064 {
1065         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
1066         uint64_t ashift = mg->mg_vd->vdev_ashift;
1067
1068         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1069         if (msp->ms_sm == NULL)
1070                 return;
1071
1072         mutex_enter(&mg->mg_lock);
1073         mutex_enter(&mc->mc_lock);
1074         for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
1075                 IMPLY(mg == mg->mg_vd->vdev_log_mg,
1076                     mc == spa_embedded_log_class(mg->mg_vd->vdev_spa));
1077                 mg->mg_histogram[i + ashift] +=
1078                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
1079                 mc->mc_histogram[i + ashift] +=
1080                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
1081         }
1082         mutex_exit(&mc->mc_lock);
1083         mutex_exit(&mg->mg_lock);
1084 }
1085
1086 void
1087 metaslab_group_histogram_remove(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
1088 {
1089         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
1090         uint64_t ashift = mg->mg_vd->vdev_ashift;
1091
1092         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1093         if (msp->ms_sm == NULL)
1094                 return;
1095
1096         mutex_enter(&mg->mg_lock);
1097         mutex_enter(&mc->mc_lock);
1098         for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
1099                 ASSERT3U(mg->mg_histogram[i + ashift], >=,
1100                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i]);
1101                 ASSERT3U(mc->mc_histogram[i + ashift], >=,
1102                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i]);
1103                 IMPLY(mg == mg->mg_vd->vdev_log_mg,
1104                     mc == spa_embedded_log_class(mg->mg_vd->vdev_spa));
1105
1106                 mg->mg_histogram[i + ashift] -=
1107                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
1108                 mc->mc_histogram[i + ashift] -=
1109                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
1110         }
1111         mutex_exit(&mc->mc_lock);
1112         mutex_exit(&mg->mg_lock);
1113 }
1114
1115 static void
1116 metaslab_group_add(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
1117 {
1118         ASSERT(msp->ms_group == NULL);
1119         mutex_enter(&mg->mg_lock);
1120         msp->ms_group = mg;
1121         msp->ms_weight = 0;
1122         avl_add(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
1123         mutex_exit(&mg->mg_lock);
1124
1125         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1126         metaslab_group_histogram_add(mg, msp);
1127         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1128 }
1129
1130 static void
1131 metaslab_group_remove(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
1132 {
1133         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1134         metaslab_group_histogram_remove(mg, msp);
1135         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1136
1137         mutex_enter(&mg->mg_lock);
1138         ASSERT(msp->ms_group == mg);
1139         avl_remove(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
1140
1141         metaslab_class_t *mc = msp->ms_group->mg_class;
1142         multilist_sublist_t *mls =
1143             multilist_sublist_lock_obj(&mc->mc_metaslab_txg_list, msp);
1144         if (multilist_link_active(&msp->ms_class_txg_node))
1145                 multilist_sublist_remove(mls, msp);
1146         multilist_sublist_unlock(mls);
1147
1148         msp->ms_group = NULL;
1149         mutex_exit(&mg->mg_lock);
1150 }
1151
1152 static void
1153 metaslab_group_sort_impl(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp, uint64_t weight)
1154 {
1155         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1156         ASSERT(MUTEX_HELD(&mg->mg_lock));
1157         ASSERT(msp->ms_group == mg);
1158
1159         avl_remove(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
1160         msp->ms_weight = weight;
1161         avl_add(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
1162
1163 }
1164
1165 static void
1166 metaslab_group_sort(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp, uint64_t weight)
1167 {
1168         /*
1169          * Although in principle the weight can be any value, in
1170          * practice we do not use values in the range [1, 511].
1171          */
1172         ASSERT(weight >= SPA_MINBLOCKSIZE || weight == 0);
1173         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1174
1175         mutex_enter(&mg->mg_lock);
1176         metaslab_group_sort_impl(mg, msp, weight);
1177         mutex_exit(&mg->mg_lock);
1178 }
1179
1180 /*
1181  * Calculate the fragmentation for a given metaslab group. We can use
1182  * a simple average here since all metaslabs within the group must have
1183  * the same size. The return value will be a value between 0 and 100
1184  * (inclusive), or ZFS_FRAG_INVALID if less than half of the metaslab in this
1185  * group have a fragmentation metric.
1186  */
1187 uint64_t
1188 metaslab_group_fragmentation(metaslab_group_t *mg)
1189 {
1190         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
1191         uint64_t fragmentation = 0;
1192         uint64_t valid_ms = 0;
1193
1194         for (int m = 0; m < vd->vdev_ms_count; m++) {
1195                 metaslab_t *msp = vd->vdev_ms[m];
1196
1197                 if (msp->ms_fragmentation == ZFS_FRAG_INVALID)
1198                         continue;
1199                 if (msp->ms_group != mg)
1200                         continue;
1201
1202                 valid_ms++;
1203                 fragmentation += msp->ms_fragmentation;
1204         }
1205
1206         if (valid_ms <= mg->mg_vd->vdev_ms_count / 2)
1207                 return (ZFS_FRAG_INVALID);
1208
1209         fragmentation /= valid_ms;
1210         ASSERT3U(fragmentation, <=, 100);
1211         return (fragmentation);
1212 }
1213
1214 /*
1215  * Determine if a given metaslab group should skip allocations. A metaslab
1216  * group should avoid allocations if its free capacity is less than the
1217  * zfs_mg_noalloc_threshold or its fragmentation metric is greater than
1218  * zfs_mg_fragmentation_threshold and there is at least one metaslab group
1219  * that can still handle allocations. If the allocation throttle is enabled
1220  * then we skip allocations to devices that have reached their maximum
1221  * allocation queue depth unless the selected metaslab group is the only
1222  * eligible group remaining.
1223  */
1224 static boolean_t
1225 metaslab_group_allocatable(metaslab_group_t *mg, metaslab_group_t *rotor,
1226     int flags, uint64_t psize, int allocator, int d)
1227 {
1228         spa_t *spa = mg->mg_vd->vdev_spa;
1229         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
1230
1231         /*
1232          * We can only consider skipping this metaslab group if it's
1233          * in the normal metaslab class and there are other metaslab
1234          * groups to select from. Otherwise, we always consider it eligible
1235          * for allocations.
1236          */
1237         if ((mc != spa_normal_class(spa) &&
1238             mc != spa_special_class(spa) &&
1239             mc != spa_dedup_class(spa)) ||
1240             mc->mc_groups <= 1)
1241                 return (B_TRUE);
1242
1243         /*
1244          * If the metaslab group's mg_allocatable flag is set (see comments
1245          * in metaslab_group_alloc_update() for more information) and
1246          * the allocation throttle is disabled then allow allocations to this
1247          * device. However, if the allocation throttle is enabled then
1248          * check if we have reached our allocation limit (mga_alloc_queue_depth)
1249          * to determine if we should allow allocations to this metaslab group.
1250          * If all metaslab groups are no longer considered allocatable
1251          * (mc_alloc_groups == 0) or we're trying to allocate the smallest
1252          * gang block size then we allow allocations on this metaslab group
1253          * regardless of the mg_allocatable or throttle settings.
1254          */
1255         if (mg->mg_allocatable) {
1256                 metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[allocator];
1257                 int64_t qdepth;
1258                 uint64_t qmax = mga->mga_cur_max_alloc_queue_depth;
1259
1260                 if (!mc->mc_alloc_throttle_enabled)
1261                         return (B_TRUE);
1262
1263                 /*
1264                  * If this metaslab group does not have any free space, then
1265                  * there is no point in looking further.
1266                  */
1267                 if (mg->mg_no_free_space)
1268                         return (B_FALSE);
1269
1270                 /*
1271                  * Some allocations (e.g., those coming from device removal
1272                  * where the * allocations are not even counted in the
1273                  * metaslab * allocation queues) are allowed to bypass
1274                  * the throttle.
1275                  */
1276                 if (flags & METASLAB_DONT_THROTTLE)
1277                         return (B_TRUE);
1278
1279                 /*
1280                  * Relax allocation throttling for ditto blocks.  Due to
1281                  * random imbalances in allocation it tends to push copies
1282                  * to one vdev, that looks a bit better at the moment.
1283                  */
1284                 qmax = qmax * (4 + d) / 4;
1285
1286                 qdepth = zfs_refcount_count(&mga->mga_alloc_queue_depth);
1287
1288                 /*
1289                  * If this metaslab group is below its qmax or it's
1290                  * the only allocatable metasable group, then attempt
1291                  * to allocate from it.
1292                  */
1293                 if (qdepth < qmax || mc->mc_alloc_groups == 1)
1294                         return (B_TRUE);
1295                 ASSERT3U(mc->mc_alloc_groups, >, 1);
1296
1297                 /*
1298                  * Since this metaslab group is at or over its qmax, we
1299                  * need to determine if there are metaslab groups after this
1300                  * one that might be able to handle this allocation. This is
1301                  * racy since we can't hold the locks for all metaslab
1302                  * groups at the same time when we make this check.
1303                  */
1304                 for (metaslab_group_t *mgp = mg->mg_next;
1305                     mgp != rotor; mgp = mgp->mg_next) {
1306                         metaslab_group_allocator_t *mgap =
1307                             &mgp->mg_allocator[allocator];
1308                         qmax = mgap->mga_cur_max_alloc_queue_depth;
1309                         qmax = qmax * (4 + d) / 4;
1310                         qdepth =
1311                             zfs_refcount_count(&mgap->mga_alloc_queue_depth);
1312
1313                         /*
1314                          * If there is another metaslab group that
1315                          * might be able to handle the allocation, then
1316                          * we return false so that we skip this group.
1317                          */
1318                         if (qdepth < qmax && !mgp->mg_no_free_space)
1319                                 return (B_FALSE);
1320                 }
1321
1322                 /*
1323                  * We didn't find another group to handle the allocation
1324                  * so we can't skip this metaslab group even though
1325                  * we are at or over our qmax.
1326                  */
1327                 return (B_TRUE);
1328
1329         } else if (mc->mc_alloc_groups == 0 || psize == SPA_MINBLOCKSIZE) {
1330                 return (B_TRUE);
1331         }
1332         return (B_FALSE);
1333 }
1334
1335 /*
1336  * ==========================================================================
1337  * Range tree callbacks
1338  * ==========================================================================
1339  */
1340
1341 /*
1342  * Comparison function for the private size-ordered tree using 32-bit
1343  * ranges. Tree is sorted by size, larger sizes at the end of the tree.
1344  */
1345 static int
1346 metaslab_rangesize32_compare(const void *x1, const void *x2)
1347 {
1348         const range_seg32_t *r1 = x1;
1349         const range_seg32_t *r2 = x2;
1350
1351         uint64_t rs_size1 = r1->rs_end - r1->rs_start;
1352         uint64_t rs_size2 = r2->rs_end - r2->rs_start;
1353
1354         int cmp = TREE_CMP(rs_size1, rs_size2);
1355         if (likely(cmp))
1356                 return (cmp);
1357
1358         return (TREE_CMP(r1->rs_start, r2->rs_start));
1359 }
1360
1361 /*
1362  * Comparison function for the private size-ordered tree using 64-bit
1363  * ranges. Tree is sorted by size, larger sizes at the end of the tree.
1364  */
1365 static int
1366 metaslab_rangesize64_compare(const void *x1, const void *x2)
1367 {
1368         const range_seg64_t *r1 = x1;
1369         const range_seg64_t *r2 = x2;
1370
1371         uint64_t rs_size1 = r1->rs_end - r1->rs_start;
1372         uint64_t rs_size2 = r2->rs_end - r2->rs_start;
1373
1374         int cmp = TREE_CMP(rs_size1, rs_size2);
1375         if (likely(cmp))
1376                 return (cmp);
1377
1378         return (TREE_CMP(r1->rs_start, r2->rs_start));
1379 }
1380 typedef struct metaslab_rt_arg {
1381         zfs_btree_t *mra_bt;
1382         uint32_t mra_floor_shift;
1383 } metaslab_rt_arg_t;
1384
1385 struct mssa_arg {
1386         range_tree_t *rt;
1387         metaslab_rt_arg_t *mra;
1388 };
1389
1390 static void
1391 metaslab_size_sorted_add(void *arg, uint64_t start, uint64_t size)
1392 {
1393         struct mssa_arg *mssap = arg;
1394         range_tree_t *rt = mssap->rt;
1395         metaslab_rt_arg_t *mrap = mssap->mra;
1396         range_seg_max_t seg = {0};
1397         rs_set_start(&seg, rt, start);
1398         rs_set_end(&seg, rt, start + size);
1399         metaslab_rt_add(rt, &seg, mrap);
1400 }
1401
1402 static void
1403 metaslab_size_tree_full_load(range_tree_t *rt)
1404 {
1405         metaslab_rt_arg_t *mrap = rt->rt_arg;
1406         METASLABSTAT_BUMP(metaslabstat_reload_tree);
1407         ASSERT0(zfs_btree_numnodes(mrap->mra_bt));
1408         mrap->mra_floor_shift = 0;
1409         struct mssa_arg arg = {0};
1410         arg.rt = rt;
1411         arg.mra = mrap;
1412         range_tree_walk(rt, metaslab_size_sorted_add, &arg);
1413 }
1414
1415 /*
1416  * Create any block allocator specific components. The current allocators
1417  * rely on using both a size-ordered range_tree_t and an array of uint64_t's.
1418  */
1419 static void
1420 metaslab_rt_create(range_tree_t *rt, void *arg)
1421 {
1422         metaslab_rt_arg_t *mrap = arg;
1423         zfs_btree_t *size_tree = mrap->mra_bt;
1424
1425         size_t size;
1426         int (*compare) (const void *, const void *);
1427         switch (rt->rt_type) {
1428         case RANGE_SEG32:
1429                 size = sizeof (range_seg32_t);
1430                 compare = metaslab_rangesize32_compare;
1431                 break;
1432         case RANGE_SEG64:
1433                 size = sizeof (range_seg64_t);
1434                 compare = metaslab_rangesize64_compare;
1435                 break;
1436         default:
1437                 panic("Invalid range seg type %d", rt->rt_type);
1438         }
1439         zfs_btree_create(size_tree, compare, size);
1440         mrap->mra_floor_shift = metaslab_by_size_min_shift;
1441 }
1442
1443 static void
1444 metaslab_rt_destroy(range_tree_t *rt, void *arg)
1445 {
1446         (void) rt;
1447         metaslab_rt_arg_t *mrap = arg;
1448         zfs_btree_t *size_tree = mrap->mra_bt;
1449
1450         zfs_btree_destroy(size_tree);
1451         kmem_free(mrap, sizeof (*mrap));
1452 }
1453
1454 static void
1455 metaslab_rt_add(range_tree_t *rt, range_seg_t *rs, void *arg)
1456 {
1457         metaslab_rt_arg_t *mrap = arg;
1458         zfs_btree_t *size_tree = mrap->mra_bt;
1459
1460         if (rs_get_end(rs, rt) - rs_get_start(rs, rt) <
1461             (1ULL << mrap->mra_floor_shift))
1462                 return;
1463
1464         zfs_btree_add(size_tree, rs);
1465 }
1466
1467 static void
1468 metaslab_rt_remove(range_tree_t *rt, range_seg_t *rs, void *arg)
1469 {
1470         metaslab_rt_arg_t *mrap = arg;
1471         zfs_btree_t *size_tree = mrap->mra_bt;
1472
1473         if (rs_get_end(rs, rt) - rs_get_start(rs, rt) < (1ULL <<
1474             mrap->mra_floor_shift))
1475                 return;
1476
1477         zfs_btree_remove(size_tree, rs);
1478 }
1479
1480 static void
1481 metaslab_rt_vacate(range_tree_t *rt, void *arg)
1482 {
1483         metaslab_rt_arg_t *mrap = arg;
1484         zfs_btree_t *size_tree = mrap->mra_bt;
1485         zfs_btree_clear(size_tree);
1486         zfs_btree_destroy(size_tree);
1487
1488         metaslab_rt_create(rt, arg);
1489 }
1490
1491 static const range_tree_ops_t metaslab_rt_ops = {
1492         .rtop_create = metaslab_rt_create,
1493         .rtop_destroy = metaslab_rt_destroy,
1494         .rtop_add = metaslab_rt_add,
1495         .rtop_remove = metaslab_rt_remove,
1496         .rtop_vacate = metaslab_rt_vacate
1497 };
1498
1499 /*
1500  * ==========================================================================
1501  * Common allocator routines
1502  * ==========================================================================
1503  */
1504
1505 /*
1506  * Return the maximum contiguous segment within the metaslab.
1507  */
1508 uint64_t
1509 metaslab_largest_allocatable(metaslab_t *msp)
1510 {
1511         zfs_btree_t *t = &msp->ms_allocatable_by_size;
1512         range_seg_t *rs;
1513
1514         if (t == NULL)
1515                 return (0);
1516         if (zfs_btree_numnodes(t) == 0)
1517                 metaslab_size_tree_full_load(msp->ms_allocatable);
1518
1519         rs = zfs_btree_last(t, NULL);
1520         if (rs == NULL)
1521                 return (0);
1522
1523         return (rs_get_end(rs, msp->ms_allocatable) - rs_get_start(rs,
1524             msp->ms_allocatable));
1525 }
1526
1527 /*
1528  * Return the maximum contiguous segment within the unflushed frees of this
1529  * metaslab.
1530  */
1531 static uint64_t
1532 metaslab_largest_unflushed_free(metaslab_t *msp)
1533 {
1534         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1535
1536         if (msp->ms_unflushed_frees == NULL)
1537                 return (0);
1538
1539         if (zfs_btree_numnodes(&msp->ms_unflushed_frees_by_size) == 0)
1540                 metaslab_size_tree_full_load(msp->ms_unflushed_frees);
1541         range_seg_t *rs = zfs_btree_last(&msp->ms_unflushed_frees_by_size,
1542             NULL);
1543         if (rs == NULL)
1544                 return (0);
1545
1546         /*
1547          * When a range is freed from the metaslab, that range is added to
1548          * both the unflushed frees and the deferred frees. While the block
1549          * will eventually be usable, if the metaslab were loaded the range
1550          * would not be added to the ms_allocatable tree until TXG_DEFER_SIZE
1551          * txgs had passed.  As a result, when attempting to estimate an upper
1552          * bound for the largest currently-usable free segment in the
1553          * metaslab, we need to not consider any ranges currently in the defer
1554          * trees. This algorithm approximates the largest available chunk in
1555          * the largest range in the unflushed_frees tree by taking the first
1556          * chunk.  While this may be a poor estimate, it should only remain so
1557          * briefly and should eventually self-correct as frees are no longer
1558          * deferred. Similar logic applies to the ms_freed tree. See
1559          * metaslab_load() for more details.
1560          *
1561          * There are two primary sources of inaccuracy in this estimate. Both
1562          * are tolerated for performance reasons. The first source is that we
1563          * only check the largest segment for overlaps. Smaller segments may
1564          * have more favorable overlaps with the other trees, resulting in
1565          * larger usable chunks.  Second, we only look at the first chunk in
1566          * the largest segment; there may be other usable chunks in the
1567          * largest segment, but we ignore them.
1568          */
1569         uint64_t rstart = rs_get_start(rs, msp->ms_unflushed_frees);
1570         uint64_t rsize = rs_get_end(rs, msp->ms_unflushed_frees) - rstart;
1571         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
1572                 uint64_t start = 0;
1573                 uint64_t size = 0;
1574                 boolean_t found = range_tree_find_in(msp->ms_defer[t], rstart,
1575                     rsize, &start, &size);
1576                 if (found) {
1577                         if (rstart == start)
1578                                 return (0);
1579                         rsize = start - rstart;
1580                 }
1581         }
1582
1583         uint64_t start = 0;
1584         uint64_t size = 0;
1585         boolean_t found = range_tree_find_in(msp->ms_freed, rstart,
1586             rsize, &start, &size);
1587         if (found)
1588                 rsize = start - rstart;
1589
1590         return (rsize);
1591 }
1592
1593 static range_seg_t *
1594 metaslab_block_find(zfs_btree_t *t, range_tree_t *rt, uint64_t start,
1595     uint64_t size, zfs_btree_index_t *where)
1596 {
1597         range_seg_t *rs;
1598         range_seg_max_t rsearch;
1599
1600         rs_set_start(&rsearch, rt, start);
1601         rs_set_end(&rsearch, rt, start + size);
1602
1603         rs = zfs_btree_find(t, &rsearch, where);
1604         if (rs == NULL) {
1605                 rs = zfs_btree_next(t, where, where);
1606         }
1607
1608         return (rs);
1609 }
1610
1611 #if defined(WITH_DF_BLOCK_ALLOCATOR) || \
1612     defined(WITH_CF_BLOCK_ALLOCATOR)
1613
1614 /*
1615  * This is a helper function that can be used by the allocator to find a
1616  * suitable block to allocate. This will search the specified B-tree looking
1617  * for a block that matches the specified criteria.
1618  */
1619 static uint64_t
1620 metaslab_block_picker(range_tree_t *rt, uint64_t *cursor, uint64_t size,
1621     uint64_t max_search)
1622 {
1623         if (*cursor == 0)
1624                 *cursor = rt->rt_start;
1625         zfs_btree_t *bt = &rt->rt_root;
1626         zfs_btree_index_t where;
1627         range_seg_t *rs = metaslab_block_find(bt, rt, *cursor, size, &where);
1628         uint64_t first_found;
1629         int count_searched = 0;
1630
1631         if (rs != NULL)
1632                 first_found = rs_get_start(rs, rt);
1633
1634         while (rs != NULL && (rs_get_start(rs, rt) - first_found <=
1635             max_search || count_searched < metaslab_min_search_count)) {
1636                 uint64_t offset = rs_get_start(rs, rt);
1637                 if (offset + size <= rs_get_end(rs, rt)) {
1638                         *cursor = offset + size;
1639                         return (offset);
1640                 }
1641                 rs = zfs_btree_next(bt, &where, &where);
1642                 count_searched++;
1643         }
1644
1645         *cursor = 0;
1646         return (-1ULL);
1647 }
1648 #endif /* WITH_DF/CF_BLOCK_ALLOCATOR */
1649
1650 #if defined(WITH_DF_BLOCK_ALLOCATOR)
1651 /*
1652  * ==========================================================================
1653  * Dynamic Fit (df) block allocator
1654  *
1655  * Search for a free chunk of at least this size, starting from the last
1656  * offset (for this alignment of block) looking for up to
1657  * metaslab_df_max_search bytes (16MB).  If a large enough free chunk is not
1658  * found within 16MB, then return a free chunk of exactly the requested size (or
1659  * larger).
1660  *
1661  * If it seems like searching from the last offset will be unproductive, skip
1662  * that and just return a free chunk of exactly the requested size (or larger).
1663  * This is based on metaslab_df_alloc_threshold and metaslab_df_free_pct.  This
1664  * mechanism is probably not very useful and may be removed in the future.
1665  *
1666  * The behavior when not searching can be changed to return the largest free
1667  * chunk, instead of a free chunk of exactly the requested size, by setting
1668  * metaslab_df_use_largest_segment.
1669  * ==========================================================================
1670  */
1671 static uint64_t
1672 metaslab_df_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1673 {
1674         /*
1675          * Find the largest power of 2 block size that evenly divides the
1676          * requested size. This is used to try to allocate blocks with similar
1677          * alignment from the same area of the metaslab (i.e. same cursor
1678          * bucket) but it does not guarantee that other allocations sizes
1679          * may exist in the same region.
1680          */
1681         uint64_t align = size & -size;
1682         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[highbit64(align) - 1];
1683         range_tree_t *rt = msp->ms_allocatable;
1684         uint_t free_pct = range_tree_space(rt) * 100 / msp->ms_size;
1685         uint64_t offset;
1686
1687         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1688
1689         /*
1690          * If we're running low on space, find a segment based on size,
1691          * rather than iterating based on offset.
1692          */
1693         if (metaslab_largest_allocatable(msp) < metaslab_df_alloc_threshold ||
1694             free_pct < metaslab_df_free_pct) {
1695                 offset = -1;
1696         } else {
1697                 offset = metaslab_block_picker(rt,
1698                     cursor, size, metaslab_df_max_search);
1699         }
1700
1701         if (offset == -1) {
1702                 range_seg_t *rs;
1703                 if (zfs_btree_numnodes(&msp->ms_allocatable_by_size) == 0)
1704                         metaslab_size_tree_full_load(msp->ms_allocatable);
1705
1706                 if (metaslab_df_use_largest_segment) {
1707                         /* use largest free segment */
1708                         rs = zfs_btree_last(&msp->ms_allocatable_by_size, NULL);
1709                 } else {
1710                         zfs_btree_index_t where;
1711                         /* use segment of this size, or next largest */
1712                         rs = metaslab_block_find(&msp->ms_allocatable_by_size,
1713                             rt, msp->ms_start, size, &where);
1714                 }
1715                 if (rs != NULL && rs_get_start(rs, rt) + size <= rs_get_end(rs,
1716                     rt)) {
1717                         offset = rs_get_start(rs, rt);
1718                         *cursor = offset + size;
1719                 }
1720         }
1721
1722         return (offset);
1723 }
1724
1725 const metaslab_ops_t zfs_metaslab_ops = {
1726         metaslab_df_alloc
1727 };
1728 #endif /* WITH_DF_BLOCK_ALLOCATOR */
1729
1730 #if defined(WITH_CF_BLOCK_ALLOCATOR)
1731 /*
1732  * ==========================================================================
1733  * Cursor fit block allocator -
1734  * Select the largest region in the metaslab, set the cursor to the beginning
1735  * of the range and the cursor_end to the end of the range. As allocations
1736  * are made advance the cursor. Continue allocating from the cursor until
1737  * the range is exhausted and then find a new range.
1738  * ==========================================================================
1739  */
1740 static uint64_t
1741 metaslab_cf_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1742 {
1743         range_tree_t *rt = msp->ms_allocatable;
1744         zfs_btree_t *t = &msp->ms_allocatable_by_size;
1745         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[0];
1746         uint64_t *cursor_end = &msp->ms_lbas[1];
1747         uint64_t offset = 0;
1748
1749         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1750
1751         ASSERT3U(*cursor_end, >=, *cursor);
1752
1753         if ((*cursor + size) > *cursor_end) {
1754                 range_seg_t *rs;
1755
1756                 if (zfs_btree_numnodes(t) == 0)
1757                         metaslab_size_tree_full_load(msp->ms_allocatable);
1758                 rs = zfs_btree_last(t, NULL);
1759                 if (rs == NULL || (rs_get_end(rs, rt) - rs_get_start(rs, rt)) <
1760                     size)
1761                         return (-1ULL);
1762
1763                 *cursor = rs_get_start(rs, rt);
1764                 *cursor_end = rs_get_end(rs, rt);
1765         }
1766
1767         offset = *cursor;
1768         *cursor += size;
1769
1770         return (offset);
1771 }
1772
1773 const metaslab_ops_t zfs_metaslab_ops = {
1774         metaslab_cf_alloc
1775 };
1776 #endif /* WITH_CF_BLOCK_ALLOCATOR */
1777
1778 #if defined(WITH_NDF_BLOCK_ALLOCATOR)
1779 /*
1780  * ==========================================================================
1781  * New dynamic fit allocator -
1782  * Select a region that is large enough to allocate 2^metaslab_ndf_clump_shift
1783  * contiguous blocks. If no region is found then just use the largest segment
1784  * that remains.
1785  * ==========================================================================
1786  */
1787
1788 /*
1789  * Determines desired number of contiguous blocks (2^metaslab_ndf_clump_shift)
1790  * to request from the allocator.
1791  */
1792 uint64_t metaslab_ndf_clump_shift = 4;
1793
1794 static uint64_t
1795 metaslab_ndf_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1796 {
1797         zfs_btree_t *t = &msp->ms_allocatable->rt_root;
1798         range_tree_t *rt = msp->ms_allocatable;
1799         zfs_btree_index_t where;
1800         range_seg_t *rs;
1801         range_seg_max_t rsearch;
1802         uint64_t hbit = highbit64(size);
1803         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[hbit - 1];
1804         uint64_t max_size = metaslab_largest_allocatable(msp);
1805
1806         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1807
1808         if (max_size < size)
1809                 return (-1ULL);
1810
1811         rs_set_start(&rsearch, rt, *cursor);
1812         rs_set_end(&rsearch, rt, *cursor + size);
1813
1814         rs = zfs_btree_find(t, &rsearch, &where);
1815         if (rs == NULL || (rs_get_end(rs, rt) - rs_get_start(rs, rt)) < size) {
1816                 t = &msp->ms_allocatable_by_size;
1817
1818                 rs_set_start(&rsearch, rt, 0);
1819                 rs_set_end(&rsearch, rt, MIN(max_size, 1ULL << (hbit +
1820                     metaslab_ndf_clump_shift)));
1821
1822                 rs = zfs_btree_find(t, &rsearch, &where);
1823                 if (rs == NULL)
1824                         rs = zfs_btree_next(t, &where, &where);
1825                 ASSERT(rs != NULL);
1826         }
1827
1828         if ((rs_get_end(rs, rt) - rs_get_start(rs, rt)) >= size) {
1829                 *cursor = rs_get_start(rs, rt) + size;
1830                 return (rs_get_start(rs, rt));
1831         }
1832         return (-1ULL);
1833 }
1834
1835 const metaslab_ops_t zfs_metaslab_ops = {
1836         metaslab_ndf_alloc
1837 };
1838 #endif /* WITH_NDF_BLOCK_ALLOCATOR */
1839
1840
1841 /*
1842  * ==========================================================================
1843  * Metaslabs
1844  * ==========================================================================
1845  */
1846
1847 /*
1848  * Wait for any in-progress metaslab loads to complete.
1849  */
1850 static void
1851 metaslab_load_wait(metaslab_t *msp)
1852 {
1853         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1854
1855         while (msp->ms_loading) {
1856                 ASSERT(!msp->ms_loaded);
1857                 cv_wait(&msp->ms_load_cv, &msp->ms_lock);
1858         }
1859 }
1860
1861 /*
1862  * Wait for any in-progress flushing to complete.
1863  */
1864 static void
1865 metaslab_flush_wait(metaslab_t *msp)
1866 {
1867         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1868
1869         while (msp->ms_flushing)
1870                 cv_wait(&msp->ms_flush_cv, &msp->ms_lock);
1871 }
1872
1873 static unsigned int
1874 metaslab_idx_func(multilist_t *ml, void *arg)
1875 {
1876         metaslab_t *msp = arg;
1877
1878         /*
1879          * ms_id values are allocated sequentially, so full 64bit
1880          * division would be a waste of time, so limit it to 32 bits.
1881          */
1882         return ((unsigned int)msp->ms_id % multilist_get_num_sublists(ml));
1883 }
1884
1885 uint64_t
1886 metaslab_allocated_space(metaslab_t *msp)
1887 {
1888         return (msp->ms_allocated_space);
1889 }
1890
1891 /*
1892  * Verify that the space accounting on disk matches the in-core range_trees.
1893  */
1894 static void
1895 metaslab_verify_space(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
1896 {
1897         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
1898         uint64_t allocating = 0;
1899         uint64_t sm_free_space, msp_free_space;
1900
1901         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1902         ASSERT(!msp->ms_condensing);
1903
1904         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_METASLAB_VERIFY) == 0)
1905                 return;
1906
1907         /*
1908          * We can only verify the metaslab space when we're called
1909          * from syncing context with a loaded metaslab that has an
1910          * allocated space map. Calling this in non-syncing context
1911          * does not provide a consistent view of the metaslab since
1912          * we're performing allocations in the future.
1913          */
1914         if (txg != spa_syncing_txg(spa) || msp->ms_sm == NULL ||
1915             !msp->ms_loaded)
1916                 return;
1917
1918         /*
1919          * Even though the smp_alloc field can get negative,
1920          * when it comes to a metaslab's space map, that should
1921          * never be the case.
1922          */
1923         ASSERT3S(space_map_allocated(msp->ms_sm), >=, 0);
1924
1925         ASSERT3U(space_map_allocated(msp->ms_sm), >=,
1926             range_tree_space(msp->ms_unflushed_frees));
1927
1928         ASSERT3U(metaslab_allocated_space(msp), ==,
1929             space_map_allocated(msp->ms_sm) +
1930             range_tree_space(msp->ms_unflushed_allocs) -
1931             range_tree_space(msp->ms_unflushed_frees));
1932
1933         sm_free_space = msp->ms_size - metaslab_allocated_space(msp);
1934
1935         /*
1936          * Account for future allocations since we would have
1937          * already deducted that space from the ms_allocatable.
1938          */
1939         for (int t = 0; t < TXG_CONCURRENT_STATES; t++) {
1940                 allocating +=
1941                     range_tree_space(msp->ms_allocating[(txg + t) & TXG_MASK]);
1942         }
1943         ASSERT3U(allocating + msp->ms_allocated_this_txg, ==,
1944             msp->ms_allocating_total);
1945
1946         ASSERT3U(msp->ms_deferspace, ==,
1947             range_tree_space(msp->ms_defer[0]) +
1948             range_tree_space(msp->ms_defer[1]));
1949
1950         msp_free_space = range_tree_space(msp->ms_allocatable) + allocating +
1951             msp->ms_deferspace + range_tree_space(msp->ms_freed);
1952
1953         VERIFY3U(sm_free_space, ==, msp_free_space);
1954 }
1955
1956 static void
1957 metaslab_aux_histograms_clear(metaslab_t *msp)
1958 {
1959         /*
1960          * Auxiliary histograms are only cleared when resetting them,
1961          * which can only happen while the metaslab is loaded.
1962          */
1963         ASSERT(msp->ms_loaded);
1964
1965         memset(msp->ms_synchist, 0, sizeof (msp->ms_synchist));
1966         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++)
1967                 memset(msp->ms_deferhist[t], 0, sizeof (msp->ms_deferhist[t]));
1968 }
1969
1970 static void
1971 metaslab_aux_histogram_add(uint64_t *histogram, uint64_t shift,
1972     range_tree_t *rt)
1973 {
1974         /*
1975          * This is modeled after space_map_histogram_add(), so refer to that
1976          * function for implementation details. We want this to work like
1977          * the space map histogram, and not the range tree histogram, as we
1978          * are essentially constructing a delta that will be later subtracted
1979          * from the space map histogram.
1980          */
1981         int idx = 0;
1982         for (int i = shift; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
1983                 ASSERT3U(i, >=, idx + shift);
1984                 histogram[idx] += rt->rt_histogram[i] << (i - idx - shift);
1985
1986                 if (idx < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE - 1) {
1987                         ASSERT3U(idx + shift, ==, i);
1988                         idx++;
1989                         ASSERT3U(idx, <, SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE);
1990                 }
1991         }
1992 }
1993
1994 /*
1995  * Called at every sync pass that the metaslab gets synced.
1996  *
1997  * The reason is that we want our auxiliary histograms to be updated
1998  * wherever the metaslab's space map histogram is updated. This way
1999  * we stay consistent on which parts of the metaslab space map's
2000  * histogram are currently not available for allocations (e.g because
2001  * they are in the defer, freed, and freeing trees).
2002  */
2003 static void
2004 metaslab_aux_histograms_update(metaslab_t *msp)
2005 {
2006         space_map_t *sm = msp->ms_sm;
2007         ASSERT(sm != NULL);
2008
2009         /*
2010          * This is similar to the metaslab's space map histogram updates
2011          * that take place in metaslab_sync(). The only difference is that
2012          * we only care about segments that haven't made it into the
2013          * ms_allocatable tree yet.
2014          */
2015         if (msp->ms_loaded) {
2016                 metaslab_aux_histograms_clear(msp);
2017
2018                 metaslab_aux_histogram_add(msp->ms_synchist,
2019                     sm->sm_shift, msp->ms_freed);
2020
2021                 for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
2022                         metaslab_aux_histogram_add(msp->ms_deferhist[t],
2023                             sm->sm_shift, msp->ms_defer[t]);
2024                 }
2025         }
2026
2027         metaslab_aux_histogram_add(msp->ms_synchist,
2028             sm->sm_shift, msp->ms_freeing);
2029 }
2030
2031 /*
2032  * Called every time we are done syncing (writing to) the metaslab,
2033  * i.e. at the end of each sync pass.
2034  * [see the comment in metaslab_impl.h for ms_synchist, ms_deferhist]
2035  */
2036 static void
2037 metaslab_aux_histograms_update_done(metaslab_t *msp, boolean_t defer_allowed)
2038 {
2039         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
2040         space_map_t *sm = msp->ms_sm;
2041
2042         if (sm == NULL) {
2043                 /*
2044                  * We came here from metaslab_init() when creating/opening a
2045                  * pool, looking at a metaslab that hasn't had any allocations
2046                  * yet.
2047                  */
2048                 return;
2049         }
2050
2051         /*
2052          * This is similar to the actions that we take for the ms_freed
2053          * and ms_defer trees in metaslab_sync_done().
2054          */
2055         uint64_t hist_index = spa_syncing_txg(spa) % TXG_DEFER_SIZE;
2056         if (defer_allowed) {
2057                 memcpy(msp->ms_deferhist[hist_index], msp->ms_synchist,
2058                     sizeof (msp->ms_synchist));
2059         } else {
2060                 memset(msp->ms_deferhist[hist_index], 0,
2061                     sizeof (msp->ms_deferhist[hist_index]));
2062         }
2063         memset(msp->ms_synchist, 0, sizeof (msp->ms_synchist));
2064 }
2065
2066 /*
2067  * Ensure that the metaslab's weight and fragmentation are consistent
2068  * with the contents of the histogram (either the range tree's histogram
2069  * or the space map's depending whether the metaslab is loaded).
2070  */
2071 static void
2072 metaslab_verify_weight_and_frag(metaslab_t *msp)
2073 {
2074         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2075
2076         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_METASLAB_VERIFY) == 0)
2077                 return;
2078
2079         /*
2080          * We can end up here from vdev_remove_complete(), in which case we
2081          * cannot do these assertions because we hold spa config locks and
2082          * thus we are not allowed to read from the DMU.
2083          *
2084          * We check if the metaslab group has been removed and if that's
2085          * the case we return immediately as that would mean that we are
2086          * here from the aforementioned code path.
2087          */
2088         if (msp->ms_group == NULL)
2089                 return;
2090
2091         /*
2092          * Devices being removed always return a weight of 0 and leave
2093          * fragmentation and ms_max_size as is - there is nothing for
2094          * us to verify here.
2095          */
2096         vdev_t *vd = msp->ms_group->mg_vd;
2097         if (vd->vdev_removing)
2098                 return;
2099
2100         /*
2101          * If the metaslab is dirty it probably means that we've done
2102          * some allocations or frees that have changed our histograms
2103          * and thus the weight.
2104          */
2105         for (int t = 0; t < TXG_SIZE; t++) {
2106                 if (txg_list_member(&vd->vdev_ms_list, msp, t))
2107                         return;
2108         }
2109
2110         /*
2111          * This verification checks that our in-memory state is consistent
2112          * with what's on disk. If the pool is read-only then there aren't
2113          * any changes and we just have the initially-loaded state.
2114          */
2115         if (!spa_writeable(msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa))
2116                 return;
2117
2118         /* some extra verification for in-core tree if you can */
2119         if (msp->ms_loaded) {
2120                 range_tree_stat_verify(msp->ms_allocatable);
2121                 VERIFY(space_map_histogram_verify(msp->ms_sm,
2122                     msp->ms_allocatable));
2123         }
2124
2125         uint64_t weight = msp->ms_weight;
2126         uint64_t was_active = msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK;
2127         boolean_t space_based = WEIGHT_IS_SPACEBASED(msp->ms_weight);
2128         uint64_t frag = msp->ms_fragmentation;
2129         uint64_t max_segsize = msp->ms_max_size;
2130
2131         msp->ms_weight = 0;
2132         msp->ms_fragmentation = 0;
2133
2134         /*
2135          * This function is used for verification purposes and thus should
2136          * not introduce any side-effects/mutations on the system's state.
2137          *
2138          * Regardless of whether metaslab_weight() thinks this metaslab
2139          * should be active or not, we want to ensure that the actual weight
2140          * (and therefore the value of ms_weight) would be the same if it
2141          * was to be recalculated at this point.
2142          *
2143          * In addition we set the nodirty flag so metaslab_weight() does
2144          * not dirty the metaslab for future TXGs (e.g. when trying to
2145          * force condensing to upgrade the metaslab spacemaps).
2146          */
2147         msp->ms_weight = metaslab_weight(msp, B_TRUE) | was_active;
2148
2149         VERIFY3U(max_segsize, ==, msp->ms_max_size);
2150
2151         /*
2152          * If the weight type changed then there is no point in doing
2153          * verification. Revert fields to their original values.
2154          */
2155         if ((space_based && !WEIGHT_IS_SPACEBASED(msp->ms_weight)) ||
2156             (!space_based && WEIGHT_IS_SPACEBASED(msp->ms_weight))) {
2157                 msp->ms_fragmentation = frag;
2158                 msp->ms_weight = weight;
2159                 return;
2160         }
2161
2162         VERIFY3U(msp->ms_fragmentation, ==, frag);
2163         VERIFY3U(msp->ms_weight, ==, weight);
2164 }
2165
2166 /*
2167  * If we're over the zfs_metaslab_mem_limit, select the loaded metaslab from
2168  * this class that was used longest ago, and attempt to unload it.  We don't
2169  * want to spend too much time in this loop to prevent performance
2170  * degradation, and we expect that most of the time this operation will
2171  * succeed. Between that and the normal unloading processing during txg sync,
2172  * we expect this to keep the metaslab memory usage under control.
2173  */
2174 static void
2175 metaslab_potentially_evict(metaslab_class_t *mc)
2176 {
2177 #ifdef _KERNEL
2178         uint64_t allmem = arc_all_memory();
2179         uint64_t inuse = spl_kmem_cache_inuse(zfs_btree_leaf_cache);
2180         uint64_t size = spl_kmem_cache_entry_size(zfs_btree_leaf_cache);
2181         uint_t tries = 0;
2182         for (; allmem * zfs_metaslab_mem_limit / 100 < inuse * size &&
2183             tries < multilist_get_num_sublists(&mc->mc_metaslab_txg_list) * 2;
2184             tries++) {
2185                 unsigned int idx = multilist_get_random_index(
2186                     &mc->mc_metaslab_txg_list);
2187                 multilist_sublist_t *mls =
2188                     multilist_sublist_lock(&mc->mc_metaslab_txg_list, idx);
2189                 metaslab_t *msp = multilist_sublist_head(mls);
2190                 multilist_sublist_unlock(mls);
2191                 while (msp != NULL && allmem * zfs_metaslab_mem_limit / 100 <
2192                     inuse * size) {
2193                         VERIFY3P(mls, ==, multilist_sublist_lock(
2194                             &mc->mc_metaslab_txg_list, idx));
2195                         ASSERT3U(idx, ==,
2196                             metaslab_idx_func(&mc->mc_metaslab_txg_list, msp));
2197
2198                         if (!multilist_link_active(&msp->ms_class_txg_node)) {
2199                                 multilist_sublist_unlock(mls);
2200                                 break;
2201                         }
2202                         metaslab_t *next_msp = multilist_sublist_next(mls, msp);
2203                         multilist_sublist_unlock(mls);
2204                         /*
2205                          * If the metaslab is currently loading there are two
2206                          * cases. If it's the metaslab we're evicting, we
2207                          * can't continue on or we'll panic when we attempt to
2208                          * recursively lock the mutex. If it's another
2209                          * metaslab that's loading, it can be safely skipped,
2210                          * since we know it's very new and therefore not a
2211                          * good eviction candidate. We check later once the
2212                          * lock is held that the metaslab is fully loaded
2213                          * before actually unloading it.
2214                          */
2215                         if (msp->ms_loading) {
2216                                 msp = next_msp;
2217                                 inuse =
2218                                     spl_kmem_cache_inuse(zfs_btree_leaf_cache);
2219                                 continue;
2220                         }
2221                         /*
2222                          * We can't unload metaslabs with no spacemap because
2223                          * they're not ready to be unloaded yet. We can't
2224                          * unload metaslabs with outstanding allocations
2225                          * because doing so could cause the metaslab's weight
2226                          * to decrease while it's unloaded, which violates an
2227                          * invariant that we use to prevent unnecessary
2228                          * loading. We also don't unload metaslabs that are
2229                          * currently active because they are high-weight
2230                          * metaslabs that are likely to be used in the near
2231                          * future.
2232                          */
2233                         mutex_enter(&msp->ms_lock);
2234                         if (msp->ms_allocator == -1 && msp->ms_sm != NULL &&
2235                             msp->ms_allocating_total == 0) {
2236                                 metaslab_unload(msp);
2237                         }
2238                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2239                         msp = next_msp;
2240                         inuse = spl_kmem_cache_inuse(zfs_btree_leaf_cache);
2241                 }
2242         }
2243 #else
2244         (void) mc, (void) zfs_metaslab_mem_limit;
2245 #endif
2246 }
2247
2248 static int
2249 metaslab_load_impl(metaslab_t *msp)
2250 {
2251         int error = 0;
2252
2253         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2254         ASSERT(msp->ms_loading);
2255         ASSERT(!msp->ms_condensing);
2256
2257         /*
2258          * We temporarily drop the lock to unblock other operations while we
2259          * are reading the space map. Therefore, metaslab_sync() and
2260          * metaslab_sync_done() can run at the same time as we do.
2261          *
2262          * If we are using the log space maps, metaslab_sync() can't write to
2263          * the metaslab's space map while we are loading as we only write to
2264          * it when we are flushing the metaslab, and that can't happen while
2265          * we are loading it.
2266          *
2267          * If we are not using log space maps though, metaslab_sync() can
2268          * append to the space map while we are loading. Therefore we load
2269          * only entries that existed when we started the load. Additionally,
2270          * metaslab_sync_done() has to wait for the load to complete because
2271          * there are potential races like metaslab_load() loading parts of the
2272          * space map that are currently being appended by metaslab_sync(). If
2273          * we didn't, the ms_allocatable would have entries that
2274          * metaslab_sync_done() would try to re-add later.
2275          *
2276          * That's why before dropping the lock we remember the synced length
2277          * of the metaslab and read up to that point of the space map,
2278          * ignoring entries appended by metaslab_sync() that happen after we
2279          * drop the lock.
2280          */
2281         uint64_t length = msp->ms_synced_length;
2282         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2283
2284         hrtime_t load_start = gethrtime();
2285         metaslab_rt_arg_t *mrap;
2286         if (msp->ms_allocatable->rt_arg == NULL) {
2287                 mrap = kmem_zalloc(sizeof (*mrap), KM_SLEEP);
2288         } else {
2289                 mrap = msp->ms_allocatable->rt_arg;
2290                 msp->ms_allocatable->rt_ops = NULL;
2291                 msp->ms_allocatable->rt_arg = NULL;
2292         }
2293         mrap->mra_bt = &msp->ms_allocatable_by_size;
2294         mrap->mra_floor_shift = metaslab_by_size_min_shift;
2295
2296         if (msp->ms_sm != NULL) {
2297                 error = space_map_load_length(msp->ms_sm, msp->ms_allocatable,
2298                     SM_FREE, length);
2299
2300                 /* Now, populate the size-sorted tree. */
2301                 metaslab_rt_create(msp->ms_allocatable, mrap);
2302                 msp->ms_allocatable->rt_ops = &metaslab_rt_ops;
2303                 msp->ms_allocatable->rt_arg = mrap;
2304
2305                 struct mssa_arg arg = {0};
2306                 arg.rt = msp->ms_allocatable;
2307                 arg.mra = mrap;
2308                 range_tree_walk(msp->ms_allocatable, metaslab_size_sorted_add,
2309                     &arg);
2310         } else {
2311                 /*
2312                  * Add the size-sorted tree first, since we don't need to load
2313                  * the metaslab from the spacemap.
2314                  */
2315                 metaslab_rt_create(msp->ms_allocatable, mrap);
2316                 msp->ms_allocatable->rt_ops = &metaslab_rt_ops;
2317                 msp->ms_allocatable->rt_arg = mrap;
2318                 /*
2319                  * The space map has not been allocated yet, so treat
2320                  * all the space in the metaslab as free and add it to the
2321                  * ms_allocatable tree.
2322                  */
2323                 range_tree_add(msp->ms_allocatable,
2324                     msp->ms_start, msp->ms_size);
2325
2326                 if (msp->ms_new) {
2327                         /*
2328                          * If the ms_sm doesn't exist, this means that this
2329                          * metaslab hasn't gone through metaslab_sync() and
2330                          * thus has never been dirtied. So we shouldn't
2331                          * expect any unflushed allocs or frees from previous
2332                          * TXGs.
2333                          */
2334                         ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_unflushed_allocs));
2335                         ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_unflushed_frees));
2336                 }
2337         }
2338
2339         /*
2340          * We need to grab the ms_sync_lock to prevent metaslab_sync() from
2341          * changing the ms_sm (or log_sm) and the metaslab's range trees
2342          * while we are about to use them and populate the ms_allocatable.
2343          * The ms_lock is insufficient for this because metaslab_sync() doesn't
2344          * hold the ms_lock while writing the ms_checkpointing tree to disk.
2345          */
2346         mutex_enter(&msp->ms_sync_lock);
2347         mutex_enter(&msp->ms_lock);
2348
2349         ASSERT(!msp->ms_condensing);
2350         ASSERT(!msp->ms_flushing);
2351
2352         if (error != 0) {
2353                 mutex_exit(&msp->ms_sync_lock);
2354                 return (error);
2355         }
2356
2357         ASSERT3P(msp->ms_group, !=, NULL);
2358         msp->ms_loaded = B_TRUE;
2359
2360         /*
2361          * Apply all the unflushed changes to ms_allocatable right
2362          * away so any manipulations we do below have a clear view
2363          * of what is allocated and what is free.
2364          */
2365         range_tree_walk(msp->ms_unflushed_allocs,
2366             range_tree_remove, msp->ms_allocatable);
2367         range_tree_walk(msp->ms_unflushed_frees,
2368             range_tree_add, msp->ms_allocatable);
2369
2370         ASSERT3P(msp->ms_group, !=, NULL);
2371         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
2372         if (spa_syncing_log_sm(spa) != NULL) {
2373                 ASSERT(spa_feature_is_enabled(spa,
2374                     SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP));
2375
2376                 /*
2377                  * If we use a log space map we add all the segments
2378                  * that are in ms_unflushed_frees so they are available
2379                  * for allocation.
2380                  *
2381                  * ms_allocatable needs to contain all free segments
2382                  * that are ready for allocations (thus not segments
2383                  * from ms_freeing, ms_freed, and the ms_defer trees).
2384                  * But if we grab the lock in this code path at a sync
2385                  * pass later that 1, then it also contains the
2386                  * segments of ms_freed (they were added to it earlier
2387                  * in this path through ms_unflushed_frees). So we
2388                  * need to remove all the segments that exist in
2389                  * ms_freed from ms_allocatable as they will be added
2390                  * later in metaslab_sync_done().
2391                  *
2392                  * When there's no log space map, the ms_allocatable
2393                  * correctly doesn't contain any segments that exist
2394                  * in ms_freed [see ms_synced_length].
2395                  */
2396                 range_tree_walk(msp->ms_freed,
2397                     range_tree_remove, msp->ms_allocatable);
2398         }
2399
2400         /*
2401          * If we are not using the log space map, ms_allocatable
2402          * contains the segments that exist in the ms_defer trees
2403          * [see ms_synced_length]. Thus we need to remove them
2404          * from ms_allocatable as they will be added again in
2405          * metaslab_sync_done().
2406          *
2407          * If we are using the log space map, ms_allocatable still
2408          * contains the segments that exist in the ms_defer trees.
2409          * Not because it read them through the ms_sm though. But
2410          * because these segments are part of ms_unflushed_frees
2411          * whose segments we add to ms_allocatable earlier in this
2412          * code path.
2413          */
2414         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
2415                 range_tree_walk(msp->ms_defer[t],
2416                     range_tree_remove, msp->ms_allocatable);
2417         }
2418
2419         /*
2420          * Call metaslab_recalculate_weight_and_sort() now that the
2421          * metaslab is loaded so we get the metaslab's real weight.
2422          *
2423          * Unless this metaslab was created with older software and
2424          * has not yet been converted to use segment-based weight, we
2425          * expect the new weight to be better or equal to the weight
2426          * that the metaslab had while it was not loaded. This is
2427          * because the old weight does not take into account the
2428          * consolidation of adjacent segments between TXGs. [see
2429          * comment for ms_synchist and ms_deferhist[] for more info]
2430          */
2431         uint64_t weight = msp->ms_weight;
2432         uint64_t max_size = msp->ms_max_size;
2433         metaslab_recalculate_weight_and_sort(msp);
2434         if (!WEIGHT_IS_SPACEBASED(weight))
2435                 ASSERT3U(weight, <=, msp->ms_weight);
2436         msp->ms_max_size = metaslab_largest_allocatable(msp);
2437         ASSERT3U(max_size, <=, msp->ms_max_size);
2438         hrtime_t load_end = gethrtime();
2439         msp->ms_load_time = load_end;
2440         zfs_dbgmsg("metaslab_load: txg %llu, spa %s, vdev_id %llu, "
2441             "ms_id %llu, smp_length %llu, "
2442             "unflushed_allocs %llu, unflushed_frees %llu, "
2443             "freed %llu, defer %llu + %llu, unloaded time %llu ms, "
2444             "loading_time %lld ms, ms_max_size %llu, "
2445             "max size error %lld, "
2446             "old_weight %llx, new_weight %llx",
2447             (u_longlong_t)spa_syncing_txg(spa), spa_name(spa),
2448             (u_longlong_t)msp->ms_group->mg_vd->vdev_id,
2449             (u_longlong_t)msp->ms_id,
2450             (u_longlong_t)space_map_length(msp->ms_sm),
2451             (u_longlong_t)range_tree_space(msp->ms_unflushed_allocs),
2452             (u_longlong_t)range_tree_space(msp->ms_unflushed_frees),
2453             (u_longlong_t)range_tree_space(msp->ms_freed),
2454             (u_longlong_t)range_tree_space(msp->ms_defer[0]),
2455             (u_longlong_t)range_tree_space(msp->ms_defer[1]),
2456             (longlong_t)((load_start - msp->ms_unload_time) / 1000000),
2457             (longlong_t)((load_end - load_start) / 1000000),
2458             (u_longlong_t)msp->ms_max_size,
2459             (u_longlong_t)msp->ms_max_size - max_size,
2460             (u_longlong_t)weight, (u_longlong_t)msp->ms_weight);
2461
2462         metaslab_verify_space(msp, spa_syncing_txg(spa));
2463         mutex_exit(&msp->ms_sync_lock);
2464         return (0);
2465 }
2466
2467 int
2468 metaslab_load(metaslab_t *msp)
2469 {
2470         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2471
2472         /*
2473          * There may be another thread loading the same metaslab, if that's
2474          * the case just wait until the other thread is done and return.
2475          */
2476         metaslab_load_wait(msp);
2477         if (msp->ms_loaded)
2478                 return (0);
2479         VERIFY(!msp->ms_loading);
2480         ASSERT(!msp->ms_condensing);
2481
2482         /*
2483          * We set the loading flag BEFORE potentially dropping the lock to
2484          * wait for an ongoing flush (see ms_flushing below). This way other
2485          * threads know that there is already a thread that is loading this
2486          * metaslab.
2487          */
2488         msp->ms_loading = B_TRUE;
2489
2490         /*
2491          * Wait for any in-progress flushing to finish as we drop the ms_lock
2492          * both here (during space_map_load()) and in metaslab_flush() (when
2493          * we flush our changes to the ms_sm).
2494          */
2495         if (msp->ms_flushing)
2496                 metaslab_flush_wait(msp);
2497
2498         /*
2499          * In the possibility that we were waiting for the metaslab to be
2500          * flushed (where we temporarily dropped the ms_lock), ensure that
2501          * no one else loaded the metaslab somehow.
2502          */
2503         ASSERT(!msp->ms_loaded);
2504
2505         /*
2506          * If we're loading a metaslab in the normal class, consider evicting
2507          * another one to keep our memory usage under the limit defined by the
2508          * zfs_metaslab_mem_limit tunable.
2509          */
2510         if (spa_normal_class(msp->ms_group->mg_class->mc_spa) ==
2511             msp->ms_group->mg_class) {
2512                 metaslab_potentially_evict(msp->ms_group->mg_class);
2513         }
2514
2515         int error = metaslab_load_impl(msp);
2516
2517         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2518         msp->ms_loading = B_FALSE;
2519         cv_broadcast(&msp->ms_load_cv);
2520
2521         return (error);
2522 }
2523
2524 void
2525 metaslab_unload(metaslab_t *msp)
2526 {
2527         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2528
2529         /*
2530          * This can happen if a metaslab is selected for eviction (in
2531          * metaslab_potentially_evict) and then unloaded during spa_sync (via
2532          * metaslab_class_evict_old).
2533          */
2534         if (!msp->ms_loaded)
2535                 return;
2536
2537         range_tree_vacate(msp->ms_allocatable, NULL, NULL);
2538         msp->ms_loaded = B_FALSE;
2539         msp->ms_unload_time = gethrtime();
2540
2541         msp->ms_activation_weight = 0;
2542         msp->ms_weight &= ~METASLAB_ACTIVE_MASK;
2543
2544         if (msp->ms_group != NULL) {
2545                 metaslab_class_t *mc = msp->ms_group->mg_class;
2546                 multilist_sublist_t *mls =
2547                     multilist_sublist_lock_obj(&mc->mc_metaslab_txg_list, msp);
2548                 if (multilist_link_active(&msp->ms_class_txg_node))
2549                         multilist_sublist_remove(mls, msp);
2550                 multilist_sublist_unlock(mls);
2551
2552                 spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
2553                 zfs_dbgmsg("metaslab_unload: txg %llu, spa %s, vdev_id %llu, "
2554                     "ms_id %llu, weight %llx, "
2555                     "selected txg %llu (%llu ms ago), alloc_txg %llu, "
2556                     "loaded %llu ms ago, max_size %llu",
2557                     (u_longlong_t)spa_syncing_txg(spa), spa_name(spa),
2558                     (u_longlong_t)msp->ms_group->mg_vd->vdev_id,
2559                     (u_longlong_t)msp->ms_id,
2560                     (u_longlong_t)msp->ms_weight,
2561                     (u_longlong_t)msp->ms_selected_txg,
2562                     (u_longlong_t)(msp->ms_unload_time -
2563                     msp->ms_selected_time) / 1000 / 1000,
2564                     (u_longlong_t)msp->ms_alloc_txg,
2565                     (u_longlong_t)(msp->ms_unload_time -
2566                     msp->ms_load_time) / 1000 / 1000,
2567                     (u_longlong_t)msp->ms_max_size);
2568         }
2569
2570         /*
2571          * We explicitly recalculate the metaslab's weight based on its space
2572          * map (as it is now not loaded). We want unload metaslabs to always
2573          * have their weights calculated from the space map histograms, while
2574          * loaded ones have it calculated from their in-core range tree
2575          * [see metaslab_load()]. This way, the weight reflects the information
2576          * available in-core, whether it is loaded or not.
2577          *
2578          * If ms_group == NULL means that we came here from metaslab_fini(),
2579          * at which point it doesn't make sense for us to do the recalculation
2580          * and the sorting.
2581          */
2582         if (msp->ms_group != NULL)
2583                 metaslab_recalculate_weight_and_sort(msp);
2584 }
2585
2586 /*
2587  * We want to optimize the memory use of the per-metaslab range
2588  * trees. To do this, we store the segments in the range trees in
2589  * units of sectors, zero-indexing from the start of the metaslab. If
2590  * the vdev_ms_shift - the vdev_ashift is less than 32, we can store
2591  * the ranges using two uint32_ts, rather than two uint64_ts.
2592  */
2593 range_seg_type_t
2594 metaslab_calculate_range_tree_type(vdev_t *vdev, metaslab_t *msp,
2595     uint64_t *start, uint64_t *shift)
2596 {
2597         if (vdev->vdev_ms_shift - vdev->vdev_ashift < 32 &&
2598             !zfs_metaslab_force_large_segs) {
2599                 *shift = vdev->vdev_ashift;
2600                 *start = msp->ms_start;
2601                 return (RANGE_SEG32);
2602         } else {
2603                 *shift = 0;
2604                 *start = 0;
2605                 return (RANGE_SEG64);
2606         }
2607 }
2608
2609 void
2610 metaslab_set_selected_txg(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
2611 {
2612         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2613         metaslab_class_t *mc = msp->ms_group->mg_class;
2614         multilist_sublist_t *mls =
2615             multilist_sublist_lock_obj(&mc->mc_metaslab_txg_list, msp);
2616         if (multilist_link_active(&msp->ms_class_txg_node))
2617                 multilist_sublist_remove(mls, msp);
2618         msp->ms_selected_txg = txg;
2619         msp->ms_selected_time = gethrtime();
2620         multilist_sublist_insert_tail(mls, msp);
2621         multilist_sublist_unlock(mls);
2622 }
2623
2624 void
2625 metaslab_space_update(vdev_t *vd, metaslab_class_t *mc, int64_t alloc_delta,
2626     int64_t defer_delta, int64_t space_delta)
2627 {
2628         vdev_space_update(vd, alloc_delta, defer_delta, space_delta);
2629
2630         ASSERT3P(vd->vdev_spa->spa_root_vdev, ==, vd->vdev_parent);
2631         ASSERT(vd->vdev_ms_count != 0);
2632
2633         metaslab_class_space_update(mc, alloc_delta, defer_delta, space_delta,
2634             vdev_deflated_space(vd, space_delta));
2635 }
2636
2637 int
2638 metaslab_init(metaslab_group_t *mg, uint64_t id, uint64_t object,
2639     uint64_t txg, metaslab_t **msp)
2640 {
2641         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
2642         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
2643         objset_t *mos = spa->spa_meta_objset;
2644         metaslab_t *ms;
2645         int error;
2646
2647         ms = kmem_zalloc(sizeof (metaslab_t), KM_SLEEP);
2648         mutex_init(&ms->ms_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
2649         mutex_init(&ms->ms_sync_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
2650         cv_init(&ms->ms_load_cv, NULL, CV_DEFAULT, NULL);
2651         cv_init(&ms->ms_flush_cv, NULL, CV_DEFAULT, NULL);
2652         multilist_link_init(&ms->ms_class_txg_node);
2653
2654         ms->ms_id = id;
2655         ms->ms_start = id << vd->vdev_ms_shift;
2656         ms->ms_size = 1ULL << vd->vdev_ms_shift;
2657         ms->ms_allocator = -1;
2658         ms->ms_new = B_TRUE;
2659
2660         vdev_ops_t *ops = vd->vdev_ops;
2661         if (ops->vdev_op_metaslab_init != NULL)
2662                 ops->vdev_op_metaslab_init(vd, &ms->ms_start, &ms->ms_size);
2663
2664         /*
2665          * We only open space map objects that already exist. All others
2666          * will be opened when we finally allocate an object for it. For
2667          * readonly pools there is no need to open the space map object.
2668          *
2669          * Note:
2670          * When called from vdev_expand(), we can't call into the DMU as
2671          * we are holding the spa_config_lock as a writer and we would
2672          * deadlock [see relevant comment in vdev_metaslab_init()]. in
2673          * that case, the object parameter is zero though, so we won't
2674          * call into the DMU.
2675          */
2676         if (object != 0 && !(spa->spa_mode == SPA_MODE_READ &&
2677             !spa->spa_read_spacemaps)) {
2678                 error = space_map_open(&ms->ms_sm, mos, object, ms->ms_start,
2679                     ms->ms_size, vd->vdev_ashift);
2680
2681                 if (error != 0) {
2682                         kmem_free(ms, sizeof (metaslab_t));
2683                         return (error);
2684                 }
2685
2686                 ASSERT(ms->ms_sm != NULL);
2687                 ms->ms_allocated_space = space_map_allocated(ms->ms_sm);
2688         }
2689
2690         uint64_t shift, start;
2691         range_seg_type_t type =
2692             metaslab_calculate_range_tree_type(vd, ms, &start, &shift);
2693
2694         ms->ms_allocatable = range_tree_create(NULL, type, NULL, start, shift);
2695         for (int t = 0; t < TXG_SIZE; t++) {
2696                 ms->ms_allocating[t] = range_tree_create(NULL, type,
2697                     NULL, start, shift);
2698         }
2699         ms->ms_freeing = range_tree_create(NULL, type, NULL, start, shift);
2700         ms->ms_freed = range_tree_create(NULL, type, NULL, start, shift);
2701         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
2702                 ms->ms_defer[t] = range_tree_create(NULL, type, NULL,
2703                     start, shift);
2704         }
2705         ms->ms_checkpointing =
2706             range_tree_create(NULL, type, NULL, start, shift);
2707         ms->ms_unflushed_allocs =
2708             range_tree_create(NULL, type, NULL, start, shift);
2709
2710         metaslab_rt_arg_t *mrap = kmem_zalloc(sizeof (*mrap), KM_SLEEP);
2711         mrap->mra_bt = &ms->ms_unflushed_frees_by_size;
2712         mrap->mra_floor_shift = metaslab_by_size_min_shift;
2713         ms->ms_unflushed_frees = range_tree_create(&metaslab_rt_ops,
2714             type, mrap, start, shift);
2715
2716         ms->ms_trim = range_tree_create(NULL, type, NULL, start, shift);
2717
2718         metaslab_group_add(mg, ms);
2719         metaslab_set_fragmentation(ms, B_FALSE);
2720
2721         /*
2722          * If we're opening an existing pool (txg == 0) or creating
2723          * a new one (txg == TXG_INITIAL), all space is available now.
2724          * If we're adding space to an existing pool, the new space
2725          * does not become available until after this txg has synced.
2726          * The metaslab's weight will also be initialized when we sync
2727          * out this txg. This ensures that we don't attempt to allocate
2728          * from it before we have initialized it completely.
2729          */
2730         if (txg <= TXG_INITIAL) {
2731                 metaslab_sync_done(ms, 0);
2732                 metaslab_space_update(vd, mg->mg_class,
2733                     metaslab_allocated_space(ms), 0, 0);
2734         }
2735
2736         if (txg != 0) {
2737                 vdev_dirty(vd, 0, NULL, txg);
2738                 vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, ms, txg);
2739         }
2740
2741         *msp = ms;
2742
2743         return (0);
2744 }
2745
2746 static void
2747 metaslab_fini_flush_data(metaslab_t *msp)
2748 {
2749         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
2750
2751         if (metaslab_unflushed_txg(msp) == 0) {
2752                 ASSERT3P(avl_find(&spa->spa_metaslabs_by_flushed, msp, NULL),
2753                     ==, NULL);
2754                 return;
2755         }
2756         ASSERT(spa_feature_is_active(spa, SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP));
2757
2758         mutex_enter(&spa->spa_flushed_ms_lock);
2759         avl_remove(&spa->spa_metaslabs_by_flushed, msp);
2760         mutex_exit(&spa->spa_flushed_ms_lock);
2761
2762         spa_log_sm_decrement_mscount(spa, metaslab_unflushed_txg(msp));
2763         spa_log_summary_decrement_mscount(spa, metaslab_unflushed_txg(msp),
2764             metaslab_unflushed_dirty(msp));
2765 }
2766
2767 uint64_t
2768 metaslab_unflushed_changes_memused(metaslab_t *ms)
2769 {
2770         return ((range_tree_numsegs(ms->ms_unflushed_allocs) +
2771             range_tree_numsegs(ms->ms_unflushed_frees)) *
2772             ms->ms_unflushed_allocs->rt_root.bt_elem_size);
2773 }
2774
2775 void
2776 metaslab_fini(metaslab_t *msp)
2777 {
2778         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
2779         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
2780         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
2781
2782         metaslab_fini_flush_data(msp);
2783
2784         metaslab_group_remove(mg, msp);
2785
2786         mutex_enter(&msp->ms_lock);
2787         VERIFY(msp->ms_group == NULL);
2788
2789         /*
2790          * If this metaslab hasn't been through metaslab_sync_done() yet its
2791          * space hasn't been accounted for in its vdev and doesn't need to be
2792          * subtracted.
2793          */
2794         if (!msp->ms_new) {
2795                 metaslab_space_update(vd, mg->mg_class,
2796                     -metaslab_allocated_space(msp), 0, -msp->ms_size);
2797
2798         }
2799         space_map_close(msp->ms_sm);
2800         msp->ms_sm = NULL;
2801
2802         metaslab_unload(msp);
2803
2804         range_tree_destroy(msp->ms_allocatable);
2805         range_tree_destroy(msp->ms_freeing);
2806         range_tree_destroy(msp->ms_freed);
2807
2808         ASSERT3U(spa->spa_unflushed_stats.sus_memused, >=,
2809             metaslab_unflushed_changes_memused(msp));
2810         spa->spa_unflushed_stats.sus_memused -=
2811             metaslab_unflushed_changes_memused(msp);
2812         range_tree_vacate(msp->ms_unflushed_allocs, NULL, NULL);
2813         range_tree_destroy(msp->ms_unflushed_allocs);
2814         range_tree_destroy(msp->ms_checkpointing);
2815         range_tree_vacate(msp->ms_unflushed_frees, NULL, NULL);
2816         range_tree_destroy(msp->ms_unflushed_frees);
2817
2818         for (int t = 0; t < TXG_SIZE; t++) {
2819                 range_tree_destroy(msp->ms_allocating[t]);
2820         }
2821         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
2822                 range_tree_destroy(msp->ms_defer[t]);
2823         }
2824         ASSERT0(msp->ms_deferspace);
2825
2826         for (int t = 0; t < TXG_SIZE; t++)
2827                 ASSERT(!txg_list_member(&vd->vdev_ms_list, msp, t));
2828
2829         range_tree_vacate(msp->ms_trim, NULL, NULL);
2830         range_tree_destroy(msp->ms_trim);
2831
2832         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2833         cv_destroy(&msp->ms_load_cv);
2834         cv_destroy(&msp->ms_flush_cv);
2835         mutex_destroy(&msp->ms_lock);
2836         mutex_destroy(&msp->ms_sync_lock);
2837         ASSERT3U(msp->ms_allocator, ==, -1);
2838
2839         kmem_free(msp, sizeof (metaslab_t));
2840 }
2841
2842 #define FRAGMENTATION_TABLE_SIZE        17
2843
2844 /*
2845  * This table defines a segment size based fragmentation metric that will
2846  * allow each metaslab to derive its own fragmentation value. This is done
2847  * by calculating the space in each bucket of the spacemap histogram and
2848  * multiplying that by the fragmentation metric in this table. Doing
2849  * this for all buckets and dividing it by the total amount of free
2850  * space in this metaslab (i.e. the total free space in all buckets) gives
2851  * us the fragmentation metric. This means that a high fragmentation metric
2852  * equates to most of the free space being comprised of small segments.
2853  * Conversely, if the metric is low, then most of the free space is in
2854  * large segments. A 10% change in fragmentation equates to approximately
2855  * double the number of segments.
2856  *
2857  * This table defines 0% fragmented space using 16MB segments. Testing has
2858  * shown that segments that are greater than or equal to 16MB do not suffer
2859  * from drastic performance problems. Using this value, we derive the rest
2860  * of the table. Since the fragmentation value is never stored on disk, it
2861  * is possible to change these calculations in the future.
2862  */
2863 static const int zfs_frag_table[FRAGMENTATION_TABLE_SIZE] = {
2864         100,    /* 512B */
2865         100,    /* 1K   */
2866         98,     /* 2K   */
2867         95,     /* 4K   */
2868         90,     /* 8K   */
2869         80,     /* 16K  */
2870         70,     /* 32K  */
2871         60,     /* 64K  */
2872         50,     /* 128K */
2873         40,     /* 256K */
2874         30,     /* 512K */
2875         20,     /* 1M   */
2876         15,     /* 2M   */
2877         10,     /* 4M   */
2878         5,      /* 8M   */
2879         0       /* 16M  */
2880 };
2881
2882 /*
2883  * Calculate the metaslab's fragmentation metric and set ms_fragmentation.
2884  * Setting this value to ZFS_FRAG_INVALID means that the metaslab has not
2885  * been upgraded and does not support this metric. Otherwise, the return
2886  * value should be in the range [0, 100].
2887  */
2888 static void
2889 metaslab_set_fragmentation(metaslab_t *msp, boolean_t nodirty)
2890 {
2891         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
2892         uint64_t fragmentation = 0;
2893         uint64_t total = 0;
2894         boolean_t feature_enabled = spa_feature_is_enabled(spa,
2895             SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM);
2896
2897         if (!feature_enabled) {
2898                 msp->ms_fragmentation = ZFS_FRAG_INVALID;
2899                 return;
2900         }
2901
2902         /*
2903          * A null space map means that the entire metaslab is free
2904          * and thus is not fragmented.
2905          */
2906         if (msp->ms_sm == NULL) {
2907                 msp->ms_fragmentation = 0;
2908                 return;
2909         }
2910
2911         /*
2912          * If this metaslab's space map has not been upgraded, flag it
2913          * so that we upgrade next time we encounter it.
2914          */
2915         if (msp->ms_sm->sm_dbuf->db_size != sizeof (space_map_phys_t)) {
2916                 uint64_t txg = spa_syncing_txg(spa);
2917                 vdev_t *vd = msp->ms_group->mg_vd;
2918
2919                 /*
2920                  * If we've reached the final dirty txg, then we must
2921                  * be shutting down the pool. We don't want to dirty
2922                  * any data past this point so skip setting the condense
2923                  * flag. We can retry this action the next time the pool
2924                  * is imported. We also skip marking this metaslab for
2925                  * condensing if the caller has explicitly set nodirty.
2926                  */
2927                 if (!nodirty &&
2928                     spa_writeable(spa) && txg < spa_final_dirty_txg(spa)) {
2929                         msp->ms_condense_wanted = B_TRUE;
2930                         vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg + 1);
2931                         zfs_dbgmsg("txg %llu, requesting force condense: "
2932                             "ms_id %llu, vdev_id %llu", (u_longlong_t)txg,
2933                             (u_longlong_t)msp->ms_id,
2934                             (u_longlong_t)vd->vdev_id);
2935                 }
2936                 msp->ms_fragmentation = ZFS_FRAG_INVALID;
2937                 return;
2938         }
2939
2940         for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
2941                 uint64_t space = 0;
2942                 uint8_t shift = msp->ms_sm->sm_shift;
2943
2944                 int idx = MIN(shift - SPA_MINBLOCKSHIFT + i,
2945                     FRAGMENTATION_TABLE_SIZE - 1);
2946
2947                 if (msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i] == 0)
2948                         continue;
2949
2950                 space = msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i] << (i + shift);
2951                 total += space;
2952
2953                 ASSERT3U(idx, <, FRAGMENTATION_TABLE_SIZE);
2954                 fragmentation += space * zfs_frag_table[idx];
2955         }
2956
2957         if (total > 0)
2958                 fragmentation /= total;
2959         ASSERT3U(fragmentation, <=, 100);
2960
2961         msp->ms_fragmentation = fragmentation;
2962 }
2963
2964 /*
2965  * Compute a weight -- a selection preference value -- for the given metaslab.
2966  * This is based on the amount of free space, the level of fragmentation,
2967  * the LBA range, and whether the metaslab is loaded.
2968  */
2969 static uint64_t
2970 metaslab_space_weight(metaslab_t *msp)
2971 {
2972         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
2973         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
2974         uint64_t weight, space;
2975
2976         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2977
2978         /*
2979          * The baseline weight is the metaslab's free space.
2980          */
2981         space = msp->ms_size - metaslab_allocated_space(msp);
2982
2983         if (metaslab_fragmentation_factor_enabled &&
2984             msp->ms_fragmentation != ZFS_FRAG_INVALID) {
2985                 /*
2986                  * Use the fragmentation information to inversely scale
2987                  * down the baseline weight. We need to ensure that we
2988                  * don't exclude this metaslab completely when it's 100%
2989                  * fragmented. To avoid this we reduce the fragmented value
2990                  * by 1.
2991                  */
2992                 space = (space * (100 - (msp->ms_fragmentation - 1))) / 100;
2993
2994                 /*
2995                  * If space < SPA_MINBLOCKSIZE, then we will not allocate from
2996                  * this metaslab again. The fragmentation metric may have
2997                  * decreased the space to something smaller than
2998                  * SPA_MINBLOCKSIZE, so reset the space to SPA_MINBLOCKSIZE
2999                  * so that we can consume any remaining space.
3000                  */
3001                 if (space > 0 && space < SPA_MINBLOCKSIZE)
3002                         space = SPA_MINBLOCKSIZE;
3003         }
3004         weight = space;
3005
3006         /*
3007          * Modern disks have uniform bit density and constant angular velocity.
3008          * Therefore, the outer recording zones are faster (higher bandwidth)
3009          * than the inner zones by the ratio of outer to inner track diameter,
3010          * which is typically around 2:1.  We account for this by assigning
3011          * higher weight to lower metaslabs (multiplier ranging from 2x to 1x).
3012          * In effect, this means that we'll select the metaslab with the most
3013          * free bandwidth rather than simply the one with the most free space.
3014          */
3015         if (!vd->vdev_nonrot && metaslab_lba_weighting_enabled) {
3016                 weight = 2 * weight - (msp->ms_id * weight) / vd->vdev_ms_count;
3017                 ASSERT(weight >= space && weight <= 2 * space);
3018         }
3019
3020         /*
3021          * If this metaslab is one we're actively using, adjust its
3022          * weight to make it preferable to any inactive metaslab so
3023          * we'll polish it off. If the fragmentation on this metaslab
3024          * has exceed our threshold, then don't mark it active.
3025          */
3026         if (msp->ms_loaded && msp->ms_fragmentation != ZFS_FRAG_INVALID &&
3027             msp->ms_fragmentation <= zfs_metaslab_fragmentation_threshold) {
3028                 weight |= (msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
3029         }
3030
3031         WEIGHT_SET_SPACEBASED(weight);
3032         return (weight);
3033 }
3034
3035 /*
3036  * Return the weight of the specified metaslab, according to the segment-based
3037  * weighting algorithm. The metaslab must be loaded. This function can
3038  * be called within a sync pass since it relies only on the metaslab's
3039  * range tree which is always accurate when the metaslab is loaded.
3040  */
3041 static uint64_t
3042 metaslab_weight_from_range_tree(metaslab_t *msp)
3043 {
3044         uint64_t weight = 0;
3045         uint32_t segments = 0;
3046
3047         ASSERT(msp->ms_loaded);
3048
3049         for (int i = RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE - 1; i >= SPA_MINBLOCKSHIFT;
3050             i--) {
3051                 uint8_t shift = msp->ms_group->mg_vd->vdev_ashift;
3052                 int max_idx = SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE + shift - 1;
3053
3054                 segments <<= 1;
3055                 segments += msp->ms_allocatable->rt_histogram[i];
3056
3057                 /*
3058                  * The range tree provides more precision than the space map
3059                  * and must be downgraded so that all values fit within the
3060                  * space map's histogram. This allows us to compare loaded
3061                  * vs. unloaded metaslabs to determine which metaslab is
3062                  * considered "best".
3063                  */
3064                 if (i > max_idx)
3065                         continue;
3066
3067                 if (segments != 0) {
3068                         WEIGHT_SET_COUNT(weight, segments);
3069                         WEIGHT_SET_INDEX(weight, i);
3070                         WEIGHT_SET_ACTIVE(weight, 0);
3071                         break;
3072                 }
3073         }
3074         return (weight);
3075 }
3076
3077 /*
3078  * Calculate the weight based on the on-disk histogram. Should be applied
3079  * only to unloaded metaslabs  (i.e no incoming allocations) in-order to
3080  * give results consistent with the on-disk state
3081  */
3082 static uint64_t
3083 metaslab_weight_from_spacemap(metaslab_t *msp)
3084 {
3085         space_map_t *sm = msp->ms_sm;
3086         ASSERT(!msp->ms_loaded);
3087         ASSERT(sm != NULL);
3088         ASSERT3U(space_map_object(sm), !=, 0);
3089         ASSERT3U(sm->sm_dbuf->db_size, ==, sizeof (space_map_phys_t));
3090
3091         /*
3092          * Create a joint histogram from all the segments that have made
3093          * it to the metaslab's space map histogram, that are not yet
3094          * available for allocation because they are still in the freeing
3095          * pipeline (e.g. freeing, freed, and defer trees). Then subtract
3096          * these segments from the space map's histogram to get a more
3097          * accurate weight.
3098          */
3099         uint64_t deferspace_histogram[SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE] = {0};
3100         for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++)
3101                 deferspace_histogram[i] += msp->ms_synchist[i];
3102         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
3103                 for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
3104                         deferspace_histogram[i] += msp->ms_deferhist[t][i];
3105                 }
3106         }
3107
3108         uint64_t weight = 0;
3109         for (int i = SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE - 1; i >= 0; i--) {
3110                 ASSERT3U(sm->sm_phys->smp_histogram[i], >=,
3111                     deferspace_histogram[i]);
3112                 uint64_t count =
3113                     sm->sm_phys->smp_histogram[i] - deferspace_histogram[i];
3114                 if (count != 0) {
3115                         WEIGHT_SET_COUNT(weight, count);
3116                         WEIGHT_SET_INDEX(weight, i + sm->sm_shift);
3117                         WEIGHT_SET_ACTIVE(weight, 0);
3118                         break;
3119                 }
3120         }
3121         return (weight);
3122 }
3123
3124 /*
3125  * Compute a segment-based weight for the specified metaslab. The weight
3126  * is determined by highest bucket in the histogram. The information
3127  * for the highest bucket is encoded into the weight value.
3128  */
3129 static uint64_t
3130 metaslab_segment_weight(metaslab_t *msp)
3131 {
3132         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
3133         uint64_t weight = 0;
3134         uint8_t shift = mg->mg_vd->vdev_ashift;
3135
3136         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3137
3138         /*
3139          * The metaslab is completely free.
3140          */
3141         if (metaslab_allocated_space(msp) == 0) {
3142                 int idx = highbit64(msp->ms_size) - 1;
3143                 int max_idx = SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE + shift - 1;
3144
3145                 if (idx < max_idx) {
3146                         WEIGHT_SET_COUNT(weight, 1ULL);
3147                         WEIGHT_SET_INDEX(weight, idx);
3148                 } else {
3149                         WEIGHT_SET_COUNT(weight, 1ULL << (idx - max_idx));
3150                         WEIGHT_SET_INDEX(weight, max_idx);
3151                 }
3152                 WEIGHT_SET_ACTIVE(weight, 0);
3153                 ASSERT(!WEIGHT_IS_SPACEBASED(weight));
3154                 return (weight);
3155         }
3156
3157         ASSERT3U(msp->ms_sm->sm_dbuf->db_size, ==, sizeof (space_map_phys_t));
3158
3159         /*
3160          * If the metaslab is fully allocated then just make the weight 0.
3161          */
3162         if (metaslab_allocated_space(msp) == msp->ms_size)
3163                 return (0);
3164         /*
3165          * If the metaslab is already loaded, then use the range tree to
3166          * determine the weight. Otherwise, we rely on the space map information
3167          * to generate the weight.
3168          */
3169         if (msp->ms_loaded) {
3170                 weight = metaslab_weight_from_range_tree(msp);
3171         } else {
3172                 weight = metaslab_weight_from_spacemap(msp);
3173         }
3174
3175         /*
3176          * If the metaslab was active the last time we calculated its weight
3177          * then keep it active. We want to consume the entire region that
3178          * is associated with this weight.
3179          */
3180         if (msp->ms_activation_weight != 0 && weight != 0)
3181                 WEIGHT_SET_ACTIVE(weight, WEIGHT_GET_ACTIVE(msp->ms_weight));
3182         return (weight);
3183 }
3184
3185 /*
3186  * Determine if we should attempt to allocate from this metaslab. If the
3187  * metaslab is loaded, then we can determine if the desired allocation
3188  * can be satisfied by looking at the size of the maximum free segment
3189  * on that metaslab. Otherwise, we make our decision based on the metaslab's
3190  * weight. For segment-based weighting we can determine the maximum
3191  * allocation based on the index encoded in its value. For space-based
3192  * weights we rely on the entire weight (excluding the weight-type bit).
3193  */
3194 static boolean_t
3195 metaslab_should_allocate(metaslab_t *msp, uint64_t asize, boolean_t try_hard)
3196 {
3197         /*
3198          * If the metaslab is loaded, ms_max_size is definitive and we can use
3199          * the fast check. If it's not, the ms_max_size is a lower bound (once
3200          * set), and we should use the fast check as long as we're not in
3201          * try_hard and it's been less than zfs_metaslab_max_size_cache_sec
3202          * seconds since the metaslab was unloaded.
3203          */
3204         if (msp->ms_loaded ||
3205             (msp->ms_max_size != 0 && !try_hard && gethrtime() <
3206             msp->ms_unload_time + SEC2NSEC(zfs_metaslab_max_size_cache_sec)))
3207                 return (msp->ms_max_size >= asize);
3208
3209         boolean_t should_allocate;
3210         if (!WEIGHT_IS_SPACEBASED(msp->ms_weight)) {
3211                 /*
3212                  * The metaslab segment weight indicates segments in the
3213                  * range [2^i, 2^(i+1)), where i is the index in the weight.
3214                  * Since the asize might be in the middle of the range, we
3215                  * should attempt the allocation if asize < 2^(i+1).
3216                  */
3217                 should_allocate = (asize <
3218                     1ULL << (WEIGHT_GET_INDEX(msp->ms_weight) + 1));
3219         } else {
3220                 should_allocate = (asize <=
3221                     (msp->ms_weight & ~METASLAB_WEIGHT_TYPE));
3222         }
3223
3224         return (should_allocate);
3225 }
3226
3227 static uint64_t
3228 metaslab_weight(metaslab_t *msp, boolean_t nodirty)
3229 {
3230         vdev_t *vd = msp->ms_group->mg_vd;
3231         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
3232         uint64_t weight;
3233
3234         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3235
3236         metaslab_set_fragmentation(msp, nodirty);
3237
3238         /*
3239          * Update the maximum size. If the metaslab is loaded, this will
3240          * ensure that we get an accurate maximum size if newly freed space
3241          * has been added back into the free tree. If the metaslab is
3242          * unloaded, we check if there's a larger free segment in the
3243          * unflushed frees. This is a lower bound on the largest allocatable
3244          * segment size. Coalescing of adjacent entries may reveal larger
3245          * allocatable segments, but we aren't aware of those until loading
3246          * the space map into a range tree.
3247          */
3248         if (msp->ms_loaded) {
3249                 msp->ms_max_size = metaslab_largest_allocatable(msp);
3250         } else {
3251                 msp->ms_max_size = MAX(msp->ms_max_size,
3252                     metaslab_largest_unflushed_free(msp));
3253         }
3254
3255         /*
3256          * Segment-based weighting requires space map histogram support.
3257          */
3258         if (zfs_metaslab_segment_weight_enabled &&
3259             spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM) &&
3260             (msp->ms_sm == NULL || msp->ms_sm->sm_dbuf->db_size ==
3261             sizeof (space_map_phys_t))) {
3262                 weight = metaslab_segment_weight(msp);
3263         } else {
3264                 weight = metaslab_space_weight(msp);
3265         }
3266         return (weight);
3267 }
3268
3269 void
3270 metaslab_recalculate_weight_and_sort(metaslab_t *msp)
3271 {
3272         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3273
3274         /* note: we preserve the mask (e.g. indication of primary, etc..) */
3275         uint64_t was_active = msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK;
3276         metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp,
3277             metaslab_weight(msp, B_FALSE) | was_active);
3278 }
3279
3280 static int
3281 metaslab_activate_allocator(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp,
3282     int allocator, uint64_t activation_weight)
3283 {
3284         metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[allocator];
3285         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3286
3287         /*
3288          * If we're activating for the claim code, we don't want to actually
3289          * set the metaslab up for a specific allocator.
3290          */
3291         if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_CLAIM) {
3292                 ASSERT0(msp->ms_activation_weight);
3293                 msp->ms_activation_weight = msp->ms_weight;
3294                 metaslab_group_sort(mg, msp, msp->ms_weight |
3295                     activation_weight);
3296                 return (0);
3297         }
3298
3299         metaslab_t **mspp = (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY ?
3300             &mga->mga_primary : &mga->mga_secondary);
3301
3302         mutex_enter(&mg->mg_lock);
3303         if (*mspp != NULL) {
3304                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
3305                 return (EEXIST);
3306         }
3307
3308         *mspp = msp;
3309         ASSERT3S(msp->ms_allocator, ==, -1);
3310         msp->ms_allocator = allocator;
3311         msp->ms_primary = (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY);
3312
3313         ASSERT0(msp->ms_activation_weight);
3314         msp->ms_activation_weight = msp->ms_weight;
3315         metaslab_group_sort_impl(mg, msp,
3316             msp->ms_weight | activation_weight);
3317         mutex_exit(&mg->mg_lock);
3318
3319         return (0);
3320 }
3321
3322 static int
3323 metaslab_activate(metaslab_t *msp, int allocator, uint64_t activation_weight)
3324 {
3325         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3326
3327         /*
3328          * The current metaslab is already activated for us so there
3329          * is nothing to do. Already activated though, doesn't mean
3330          * that this metaslab is activated for our allocator nor our
3331          * requested activation weight. The metaslab could have started
3332          * as an active one for our allocator but changed allocators
3333          * while we were waiting to grab its ms_lock or we stole it
3334          * [see find_valid_metaslab()]. This means that there is a
3335          * possibility of passivating a metaslab of another allocator
3336          * or from a different activation mask, from this thread.
3337          */
3338         if ((msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) != 0) {
3339                 ASSERT(msp->ms_loaded);
3340                 return (0);
3341         }
3342
3343         int error = metaslab_load(msp);
3344         if (error != 0) {
3345                 metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp, 0);
3346                 return (error);
3347         }
3348
3349         /*
3350          * When entering metaslab_load() we may have dropped the
3351          * ms_lock because we were loading this metaslab, or we
3352          * were waiting for another thread to load it for us. In
3353          * that scenario, we recheck the weight of the metaslab
3354          * to see if it was activated by another thread.
3355          *
3356          * If the metaslab was activated for another allocator or
3357          * it was activated with a different activation weight (e.g.
3358          * we wanted to make it a primary but it was activated as
3359          * secondary) we return error (EBUSY).
3360          *
3361          * If the metaslab was activated for the same allocator
3362          * and requested activation mask, skip activating it.
3363          */
3364         if ((msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) != 0) {
3365                 if (msp->ms_allocator != allocator)
3366                         return (EBUSY);
3367
3368                 if ((msp->ms_weight & activation_weight) == 0)
3369                         return (SET_ERROR(EBUSY));
3370
3371                 EQUIV((activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY),
3372                     msp->ms_primary);
3373                 return (0);
3374         }
3375
3376         /*
3377          * If the metaslab has literally 0 space, it will have weight 0. In
3378          * that case, don't bother activating it. This can happen if the
3379          * metaslab had space during find_valid_metaslab, but another thread
3380          * loaded it and used all that space while we were waiting to grab the
3381          * lock.
3382          */
3383         if (msp->ms_weight == 0) {
3384                 ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_allocatable));
3385                 return (SET_ERROR(ENOSPC));
3386         }
3387
3388         if ((error = metaslab_activate_allocator(msp->ms_group, msp,
3389             allocator, activation_weight)) != 0) {
3390                 return (error);
3391         }
3392
3393         ASSERT(msp->ms_loaded);
3394         ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
3395
3396         return (0);
3397 }
3398
3399 static void
3400 metaslab_passivate_allocator(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp,
3401     uint64_t weight)
3402 {
3403         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3404         ASSERT(msp->ms_loaded);
3405
3406         if (msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_CLAIM) {
3407                 metaslab_group_sort(mg, msp, weight);
3408                 return;
3409         }
3410
3411         mutex_enter(&mg->mg_lock);
3412         ASSERT3P(msp->ms_group, ==, mg);
3413         ASSERT3S(0, <=, msp->ms_allocator);
3414         ASSERT3U(msp->ms_allocator, <, mg->mg_allocators);
3415
3416         metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[msp->ms_allocator];
3417         if (msp->ms_primary) {
3418                 ASSERT3P(mga->mga_primary, ==, msp);
3419                 ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_PRIMARY);
3420                 mga->mga_primary = NULL;
3421         } else {
3422                 ASSERT3P(mga->mga_secondary, ==, msp);
3423                 ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_SECONDARY);
3424                 mga->mga_secondary = NULL;
3425         }
3426         msp->ms_allocator = -1;
3427         metaslab_group_sort_impl(mg, msp, weight);
3428         mutex_exit(&mg->mg_lock);
3429 }
3430
3431 static void
3432 metaslab_passivate(metaslab_t *msp, uint64_t weight)
3433 {
3434         uint64_t size __maybe_unused = weight & ~METASLAB_WEIGHT_TYPE;
3435
3436         /*
3437          * If size < SPA_MINBLOCKSIZE, then we will not allocate from
3438          * this metaslab again.  In that case, it had better be empty,
3439          * or we would be leaving space on the table.
3440          */
3441         ASSERT(!WEIGHT_IS_SPACEBASED(msp->ms_weight) ||
3442             size >= SPA_MINBLOCKSIZE ||
3443             range_tree_space(msp->ms_allocatable) == 0);
3444         ASSERT0(weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
3445
3446         ASSERT(msp->ms_activation_weight != 0);
3447         msp->ms_activation_weight = 0;
3448         metaslab_passivate_allocator(msp->ms_group, msp, weight);
3449         ASSERT0(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
3450 }
3451
3452 /*
3453  * Segment-based metaslabs are activated once and remain active until
3454  * we either fail an allocation attempt (similar to space-based metaslabs)
3455  * or have exhausted the free space in zfs_metaslab_switch_threshold
3456  * buckets since the metaslab was activated. This function checks to see
3457  * if we've exhausted the zfs_metaslab_switch_threshold buckets in the
3458  * metaslab and passivates it proactively. This will allow us to select a
3459  * metaslab with a larger contiguous region, if any, remaining within this
3460  * metaslab group. If we're in sync pass > 1, then we continue using this
3461  * metaslab so that we don't dirty more block and cause more sync passes.
3462  */
3463 static void
3464 metaslab_segment_may_passivate(metaslab_t *msp)
3465 {
3466         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
3467
3468         if (WEIGHT_IS_SPACEBASED(msp->ms_weight) || spa_sync_pass(spa) > 1)
3469                 return;
3470
3471         /*
3472          * Since we are in the middle of a sync pass, the most accurate
3473          * information that is accessible to us is the in-core range tree
3474          * histogram; calculate the new weight based on that information.
3475          */
3476         uint64_t weight = metaslab_weight_from_range_tree(msp);
3477         int activation_idx = WEIGHT_GET_INDEX(msp->ms_activation_weight);
3478         int current_idx = WEIGHT_GET_INDEX(weight);
3479
3480         if (current_idx <= activation_idx - zfs_metaslab_switch_threshold)
3481                 metaslab_passivate(msp, weight);
3482 }
3483
3484 static void
3485 metaslab_preload(void *arg)
3486 {
3487         metaslab_t *msp = arg;
3488         metaslab_class_t *mc = msp->ms_group->mg_class;
3489         spa_t *spa = mc->mc_spa;
3490         fstrans_cookie_t cookie = spl_fstrans_mark();
3491
3492         ASSERT(!MUTEX_HELD(&msp->ms_group->mg_lock));
3493
3494         mutex_enter(&msp->ms_lock);
3495         (void) metaslab_load(msp);
3496         metaslab_set_selected_txg(msp, spa_syncing_txg(spa));
3497         mutex_exit(&msp->ms_lock);
3498         spl_fstrans_unmark(cookie);
3499 }
3500
3501 static void
3502 metaslab_group_preload(metaslab_group_t *mg)
3503 {
3504         spa_t *spa = mg->mg_vd->vdev_spa;
3505         metaslab_t *msp;
3506         avl_tree_t *t = &mg->mg_metaslab_tree;
3507         int m = 0;
3508
3509         if (spa_shutting_down(spa) || !metaslab_preload_enabled) {
3510                 taskq_wait_outstanding(mg->mg_taskq, 0);
3511                 return;
3512         }
3513
3514         mutex_enter(&mg->mg_lock);
3515
3516         /*
3517          * Load the next potential metaslabs
3518          */
3519         for (msp = avl_first(t); msp != NULL; msp = AVL_NEXT(t, msp)) {
3520                 ASSERT3P(msp->ms_group, ==, mg);
3521
3522                 /*
3523                  * We preload only the maximum number of metaslabs specified
3524                  * by metaslab_preload_limit. If a metaslab is being forced
3525                  * to condense then we preload it too. This will ensure
3526                  * that force condensing happens in the next txg.
3527                  */
3528                 if (++m > metaslab_preload_limit && !msp->ms_condense_wanted) {
3529                         continue;
3530                 }
3531
3532                 VERIFY(taskq_dispatch(mg->mg_taskq, metaslab_preload,
3533                     msp, TQ_SLEEP) != TASKQID_INVALID);
3534         }
3535         mutex_exit(&mg->mg_lock);
3536 }
3537
3538 /*
3539  * Determine if the space map's on-disk footprint is past our tolerance for
3540  * inefficiency. We would like to use the following criteria to make our
3541  * decision:
3542  *
3543  * 1. Do not condense if the size of the space map object would dramatically
3544  *    increase as a result of writing out the free space range tree.
3545  *
3546  * 2. Condense if the on on-disk space map representation is at least
3547  *    zfs_condense_pct/100 times the size of the optimal representation
3548  *    (i.e. zfs_condense_pct = 110 and in-core = 1MB, optimal = 1.1MB).
3549  *
3550  * 3. Do not condense if the on-disk size of the space map does not actually
3551  *    decrease.
3552  *
3553  * Unfortunately, we cannot compute the on-disk size of the space map in this
3554  * context because we cannot accurately compute the effects of compression, etc.
3555  * Instead, we apply the heuristic described in the block comment for
3556  * zfs_metaslab_condense_block_threshold - we only condense if the space used
3557  * is greater than a threshold number of blocks.
3558  */
3559 static boolean_t
3560 metaslab_should_condense(metaslab_t *msp)
3561 {
3562         space_map_t *sm = msp->ms_sm;
3563         vdev_t *vd = msp->ms_group->mg_vd;
3564         uint64_t vdev_blocksize = 1ULL << vd->vdev_ashift;
3565
3566         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3567         ASSERT(msp->ms_loaded);
3568         ASSERT(sm != NULL);
3569         ASSERT3U(spa_sync_pass(vd->vdev_spa), ==, 1);
3570
3571         /*
3572          * We always condense metaslabs that are empty and metaslabs for
3573          * which a condense request has been made.
3574          */
3575         if (range_tree_numsegs(msp->ms_allocatable) == 0 ||
3576             msp->ms_condense_wanted)
3577                 return (B_TRUE);
3578
3579         uint64_t record_size = MAX(sm->sm_blksz, vdev_blocksize);
3580         uint64_t object_size = space_map_length(sm);
3581         uint64_t optimal_size = space_map_estimate_optimal_size(sm,
3582             msp->ms_allocatable, SM_NO_VDEVID);
3583
3584         return (object_size >= (optimal_size * zfs_condense_pct / 100) &&
3585             object_size > zfs_metaslab_condense_block_threshold * record_size);
3586 }
3587
3588 /*
3589  * Condense the on-disk space map representation to its minimized form.
3590  * The minimized form consists of a small number of allocations followed
3591  * by the entries of the free range tree (ms_allocatable). The condensed
3592  * spacemap contains all the entries of previous TXGs (including those in
3593  * the pool-wide log spacemaps; thus this is effectively a superset of
3594  * metaslab_flush()), but this TXG's entries still need to be written.
3595  */
3596 static void
3597 metaslab_condense(metaslab_t *msp, dmu_tx_t *tx)
3598 {
3599         range_tree_t *condense_tree;
3600         space_map_t *sm = msp->ms_sm;
3601         uint64_t txg = dmu_tx_get_txg(tx);
3602         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
3603
3604         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3605         ASSERT(msp->ms_loaded);
3606         ASSERT(msp->ms_sm != NULL);
3607
3608         /*
3609          * In order to condense the space map, we need to change it so it
3610          * only describes which segments are currently allocated and free.
3611          *
3612          * All the current free space resides in the ms_allocatable, all
3613          * the ms_defer trees, and all the ms_allocating trees. We ignore
3614          * ms_freed because it is empty because we're in sync pass 1. We
3615          * ignore ms_freeing because these changes are not yet reflected
3616          * in the spacemap (they will be written later this txg).
3617          *
3618          * So to truncate the space map to represent all the entries of
3619          * previous TXGs we do the following:
3620          *
3621          * 1] We create a range tree (condense tree) that is 100% empty.
3622          * 2] We add to it all segments found in the ms_defer trees
3623          *    as those segments are marked as free in the original space
3624          *    map. We do the same with the ms_allocating trees for the same
3625          *    reason. Adding these segments should be a relatively
3626          *    inexpensive operation since we expect these trees to have a
3627          *    small number of nodes.
3628          * 3] We vacate any unflushed allocs, since they are not frees we
3629          *    need to add to the condense tree. Then we vacate any
3630          *    unflushed frees as they should already be part of ms_allocatable.
3631          * 4] At this point, we would ideally like to add all segments
3632          *    in the ms_allocatable tree from the condense tree. This way
3633          *    we would write all the entries of the condense tree as the
3634          *    condensed space map, which would only contain freed
3635          *    segments with everything else assumed to be allocated.
3636          *
3637          *    Doing so can be prohibitively expensive as ms_allocatable can
3638          *    be large, and therefore computationally expensive to add to
3639          *    the condense_tree. Instead we first sync out an entry marking
3640          *    everything as allocated, then the condense_tree and then the
3641          *    ms_allocatable, in the condensed space map. While this is not
3642          *    optimal, it is typically close to optimal and more importantly
3643          *    much cheaper to compute.
3644          *
3645          * 5] Finally, as both of the unflushed trees were written to our
3646          *    new and condensed metaslab space map, we basically flushed
3647          *    all the unflushed changes to disk, thus we call
3648          *    metaslab_flush_update().
3649          */
3650         ASSERT3U(spa_sync_pass(spa), ==, 1);
3651         ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_freed)); /* since it is pass 1 */
3652
3653         zfs_dbgmsg("condensing: txg %llu, msp[%llu] %px, vdev id %llu, "
3654             "spa %s, smp size %llu, segments %llu, forcing condense=%s",
3655             (u_longlong_t)txg, (u_longlong_t)msp->ms_id, msp,
3656             (u_longlong_t)msp->ms_group->mg_vd->vdev_id,
3657             spa->spa_name, (u_longlong_t)space_map_length(msp->ms_sm),
3658             (u_longlong_t)range_tree_numsegs(msp->ms_allocatable),
3659             msp->ms_condense_wanted ? "TRUE" : "FALSE");
3660
3661         msp->ms_condense_wanted = B_FALSE;
3662
3663         range_seg_type_t type;
3664         uint64_t shift, start;
3665         type = metaslab_calculate_range_tree_type(msp->ms_group->mg_vd, msp,
3666             &start, &shift);
3667
3668         condense_tree = range_tree_create(NULL, type, NULL, start, shift);
3669
3670         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
3671                 range_tree_walk(msp->ms_defer[t],
3672                     range_tree_add, condense_tree);
3673         }
3674
3675         for (int t = 0; t < TXG_CONCURRENT_STATES; t++) {
3676                 range_tree_walk(msp->ms_allocating[(txg + t) & TXG_MASK],
3677                     range_tree_add, condense_tree);
3678         }
3679
3680         ASSERT3U(spa->spa_unflushed_stats.sus_memused, >=,
3681             metaslab_unflushed_changes_memused(msp));
3682         spa->spa_unflushed_stats.sus_memused -=
3683             metaslab_unflushed_changes_memused(msp);
3684         range_tree_vacate(msp->ms_unflushed_allocs, NULL, NULL);
3685         range_tree_vacate(msp->ms_unflushed_frees, NULL, NULL);
3686
3687         /*
3688          * We're about to drop the metaslab's lock thus allowing other
3689          * consumers to change it's content. Set the metaslab's ms_condensing
3690          * flag to ensure that allocations on this metaslab do not occur
3691          * while we're in the middle of committing it to disk. This is only
3692          * critical for ms_allocatable as all other range trees use per TXG
3693          * views of their content.
3694          */
3695         msp->ms_condensing = B_TRUE;
3696
3697         mutex_exit(&msp->ms_lock);
3698         uint64_t object = space_map_object(msp->ms_sm);
3699         space_map_truncate(sm,
3700             spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP) ?
3701             zfs_metaslab_sm_blksz_with_log : zfs_metaslab_sm_blksz_no_log, tx);
3702
3703         /*
3704          * space_map_truncate() may have reallocated the spacemap object.
3705          * If so, update the vdev_ms_array.
3706          */
3707         if (space_map_object(msp->ms_sm) != object) {
3708                 object = space_map_object(msp->ms_sm);
3709                 dmu_write(spa->spa_meta_objset,
3710                     msp->ms_group->mg_vd->vdev_ms_array, sizeof (uint64_t) *
3711                     msp->ms_id, sizeof (uint64_t), &object, tx);
3712         }
3713
3714         /*
3715          * Note:
3716          * When the log space map feature is enabled, each space map will
3717          * always have ALLOCS followed by FREES for each sync pass. This is
3718          * typically true even when the log space map feature is disabled,
3719          * except from the case where a metaslab goes through metaslab_sync()
3720          * and gets condensed. In that case the metaslab's space map will have
3721          * ALLOCS followed by FREES (due to condensing) followed by ALLOCS
3722          * followed by FREES (due to space_map_write() in metaslab_sync()) for
3723          * sync pass 1.
3724          */
3725         range_tree_t *tmp_tree = range_tree_create(NULL, type, NULL, start,
3726             shift);
3727         range_tree_add(tmp_tree, msp->ms_start, msp->ms_size);
3728         space_map_write(sm, tmp_tree, SM_ALLOC, SM_NO_VDEVID, tx);
3729         space_map_write(sm, msp->ms_allocatable, SM_FREE, SM_NO_VDEVID, tx);
3730         space_map_write(sm, condense_tree, SM_FREE, SM_NO_VDEVID, tx);
3731
3732         range_tree_vacate(condense_tree, NULL, NULL);
3733         range_tree_destroy(condense_tree);
3734         range_tree_vacate(tmp_tree, NULL, NULL);
3735         range_tree_destroy(tmp_tree);
3736         mutex_enter(&msp->ms_lock);
3737
3738         msp->ms_condensing = B_FALSE;
3739         metaslab_flush_update(msp, tx);
3740 }
3741
3742 static void
3743 metaslab_unflushed_add(metaslab_t *msp, dmu_tx_t *tx)
3744 {
3745         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
3746         ASSERT(spa_syncing_log_sm(spa) != NULL);
3747         ASSERT(msp->ms_sm != NULL);
3748         ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_unflushed_allocs));
3749         ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_unflushed_frees));
3750
3751         mutex_enter(&spa->spa_flushed_ms_lock);
3752         metaslab_set_unflushed_txg(msp, spa_syncing_txg(spa), tx);
3753         metaslab_set_unflushed_dirty(msp, B_TRUE);
3754         avl_add(&spa->spa_metaslabs_by_flushed, msp);
3755         mutex_exit(&spa->spa_flushed_ms_lock);
3756
3757         spa_log_sm_increment_current_mscount(spa);
3758         spa_log_summary_add_flushed_metaslab(spa, B_TRUE);
3759 }
3760
3761 void
3762 metaslab_unflushed_bump(metaslab_t *msp, dmu_tx_t *tx, boolean_t dirty)
3763 {
3764         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
3765         ASSERT(spa_syncing_log_sm(spa) != NULL);
3766         ASSERT(msp->ms_sm != NULL);
3767         ASSERT(metaslab_unflushed_txg(msp) != 0);
3768         ASSERT3P(avl_find(&spa->spa_metaslabs_by_flushed, msp, NULL), ==, msp);
3769         ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_unflushed_allocs));
3770         ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_unflushed_frees));
3771
3772         VERIFY3U(tx->tx_txg, <=, spa_final_dirty_txg(spa));
3773
3774         /* update metaslab's position in our flushing tree */
3775         uint64_t ms_prev_flushed_txg = metaslab_unflushed_txg(msp);
3776         boolean_t ms_prev_flushed_dirty = metaslab_unflushed_dirty(msp);
3777         mutex_enter(&spa->spa_flushed_ms_lock);
3778         avl_remove(&spa->spa_metaslabs_by_flushed, msp);
3779         metaslab_set_unflushed_txg(msp, spa_syncing_txg(spa), tx);
3780         metaslab_set_unflushed_dirty(msp, dirty);
3781         avl_add(&spa->spa_metaslabs_by_flushed, msp);
3782         mutex_exit(&spa->spa_flushed_ms_lock);
3783
3784         /* update metaslab counts of spa_log_sm_t nodes */
3785         spa_log_sm_decrement_mscount(spa, ms_prev_flushed_txg);
3786         spa_log_sm_increment_current_mscount(spa);
3787
3788         /* update log space map summary */
3789         spa_log_summary_decrement_mscount(spa, ms_prev_flushed_txg,
3790             ms_prev_flushed_dirty);
3791         spa_log_summary_add_flushed_metaslab(spa, dirty);
3792
3793         /* cleanup obsolete logs if any */
3794         spa_cleanup_old_sm_logs(spa, tx);
3795 }
3796
3797 /*
3798  * Called when the metaslab has been flushed (its own spacemap now reflects
3799  * all the contents of the pool-wide spacemap log). Updates the metaslab's
3800  * metadata and any pool-wide related log space map data (e.g. summary,
3801  * obsolete logs, etc..) to reflect that.
3802  */
3803 static void
3804 metaslab_flush_update(metaslab_t *msp, dmu_tx_t *tx)
3805 {
3806         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
3807         spa_t *spa = mg->mg_vd->vdev_spa;
3808
3809         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3810
3811         ASSERT3U(spa_sync_pass(spa), ==, 1);
3812
3813         /*
3814          * Just because a metaslab got flushed, that doesn't mean that
3815          * it will pass through metaslab_sync_done(). Thus, make sure to
3816          * update ms_synced_length here in case it doesn't.
3817          */
3818         msp->ms_synced_length = space_map_length(msp->ms_sm);
3819
3820         /*
3821          * We may end up here from metaslab_condense() without the
3822          * feature being active. In that case this is a no-op.
3823          */
3824         if (!spa_feature_is_active(spa, SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP) ||
3825             metaslab_unflushed_txg(msp) == 0)
3826                 return;
3827
3828         metaslab_unflushed_bump(msp, tx, B_FALSE);
3829 }
3830
3831 boolean_t
3832 metaslab_flush(metaslab_t *msp, dmu_tx_t *tx)
3833 {
3834         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
3835
3836         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3837         ASSERT3U(spa_sync_pass(spa), ==, 1);
3838         ASSERT(spa_feature_is_active(spa, SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP));
3839
3840         ASSERT(msp->ms_sm != NULL);
3841         ASSERT(metaslab_unflushed_txg(msp) != 0);
3842         ASSERT(avl_find(&spa->spa_metaslabs_by_flushed, msp, NULL) != NULL);
3843
3844         /*
3845          * There is nothing wrong with flushing the same metaslab twice, as
3846          * this codepath should work on that case. However, the current
3847          * flushing scheme makes sure to avoid this situation as we would be
3848          * making all these calls without having anything meaningful to write
3849          * to disk. We assert this behavior here.
3850          */
3851         ASSERT3U(metaslab_unflushed_txg(msp), <, dmu_tx_get_txg(tx));
3852
3853         /*
3854          * We can not flush while loading, because then we would
3855          * not load the ms_unflushed_{allocs,frees}.
3856          */
3857         if (msp->ms_loading)
3858                 return (B_FALSE);
3859
3860         metaslab_verify_space(msp, dmu_tx_get_txg(tx));
3861         metaslab_verify_weight_and_frag(msp);
3862
3863         /*
3864          * Metaslab condensing is effectively flushing. Therefore if the
3865          * metaslab can be condensed we can just condense it instead of
3866          * flushing it.
3867          *
3868          * Note that metaslab_condense() does call metaslab_flush_update()
3869          * so we can just return immediately after condensing. We also
3870          * don't need to care about setting ms_flushing or broadcasting
3871          * ms_flush_cv, even if we temporarily drop the ms_lock in
3872          * metaslab_condense(), as the metaslab is already loaded.
3873          */
3874         if (msp->ms_loaded && metaslab_should_condense(msp)) {
3875                 metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
3876
3877                 /*
3878                  * For all histogram operations below refer to the
3879                  * comments of metaslab_sync() where we follow a
3880                  * similar procedure.
3881                  */
3882                 metaslab_group_histogram_verify(mg);
3883                 metaslab_class_histogram_verify(mg->mg_class);
3884                 metaslab_group_histogram_remove(mg, msp);
3885
3886                 metaslab_condense(msp, tx);
3887
3888                 space_map_histogram_clear(msp->ms_sm);
3889                 space_map_histogram_add(msp->ms_sm, msp->ms_allocatable, tx);
3890                 ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_freed));
3891                 for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
3892                         space_map_histogram_add(msp->ms_sm,
3893                             msp->ms_defer[t], tx);
3894                 }
3895                 metaslab_aux_histograms_update(msp);
3896
3897                 metaslab_group_histogram_add(mg, msp);
3898                 metaslab_group_histogram_verify(mg);
3899                 metaslab_class_histogram_verify(mg->mg_class);
3900
3901                 metaslab_verify_space(msp, dmu_tx_get_txg(tx));
3902
3903                 /*
3904                  * Since we recreated the histogram (and potentially
3905                  * the ms_sm too while condensing) ensure that the
3906                  * weight is updated too because we are not guaranteed
3907                  * that this metaslab is dirty and will go through
3908                  * metaslab_sync_done().
3909                  */
3910                 metaslab_recalculate_weight_and_sort(msp);
3911                 return (B_TRUE);
3912         }
3913
3914         msp->ms_flushing = B_TRUE;
3915         uint64_t sm_len_before = space_map_length(msp->ms_sm);
3916
3917         mutex_exit(&msp->ms_lock);
3918         space_map_write(msp->ms_sm, msp->ms_unflushed_allocs, SM_ALLOC,
3919             SM_NO_VDEVID, tx);
3920         space_map_write(msp->ms_sm, msp->ms_unflushed_frees, SM_FREE,
3921             SM_NO_VDEVID, tx);
3922         mutex_enter(&msp->ms_lock);
3923
3924         uint64_t sm_len_after = space_map_length(msp->ms_sm);
3925         if (zfs_flags & ZFS_DEBUG_LOG_SPACEMAP) {
3926                 zfs_dbgmsg("flushing: txg %llu, spa %s, vdev_id %llu, "
3927                     "ms_id %llu, unflushed_allocs %llu, unflushed_frees %llu, "
3928                     "appended %llu bytes", (u_longlong_t)dmu_tx_get_txg(tx),
3929                     spa_name(spa),
3930                     (u_longlong_t)msp->ms_group->mg_vd->vdev_id,
3931                     (u_longlong_t)msp->ms_id,
3932                     (u_longlong_t)range_tree_space(msp->ms_unflushed_allocs),
3933                     (u_longlong_t)range_tree_space(msp->ms_unflushed_frees),
3934                     (u_longlong_t)(sm_len_after - sm_len_before));
3935         }
3936
3937         ASSERT3U(spa->spa_unflushed_stats.sus_memused, >=,
3938             metaslab_unflushed_changes_memused(msp));
3939         spa->spa_unflushed_stats.sus_memused -=
3940             metaslab_unflushed_changes_memused(msp);
3941         range_tree_vacate(msp->ms_unflushed_allocs, NULL, NULL);
3942         range_tree_vacate(msp->ms_unflushed_frees, NULL, NULL);
3943
3944         metaslab_verify_space(msp, dmu_tx_get_txg(tx));
3945         metaslab_verify_weight_and_frag(msp);
3946
3947         metaslab_flush_update(msp, tx);
3948
3949         metaslab_verify_space(msp, dmu_tx_get_txg(tx));
3950         metaslab_verify_weight_and_frag(msp);
3951
3952         msp->ms_flushing = B_FALSE;
3953         cv_broadcast(&msp->ms_flush_cv);
3954         return (B_TRUE);
3955 }
3956
3957 /*
3958  * Write a metaslab to disk in the context of the specified transaction group.
3959  */
3960 void
3961 metaslab_sync(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
3962 {
3963         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
3964         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
3965         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
3966         objset_t *mos = spa_meta_objset(spa);
3967         range_tree_t *alloctree = msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK];
3968         dmu_tx_t *tx;
3969
3970         ASSERT(!vd->vdev_ishole);
3971
3972         /*
3973          * This metaslab has just been added so there's no work to do now.
3974          */
3975         if (msp->ms_new) {
3976                 ASSERT0(range_tree_space(alloctree));
3977                 ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freeing));
3978                 ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freed));
3979                 ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_checkpointing));
3980                 ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_trim));
3981                 return;
3982         }
3983
3984         /*
3985          * Normally, we don't want to process a metaslab if there are no
3986          * allocations or frees to perform. However, if the metaslab is being
3987          * forced to condense, it's loaded and we're not beyond the final
3988          * dirty txg, we need to let it through. Not condensing beyond the
3989          * final dirty txg prevents an issue where metaslabs that need to be
3990          * condensed but were loaded for other reasons could cause a panic
3991          * here. By only checking the txg in that branch of the conditional,
3992          * we preserve the utility of the VERIFY statements in all other
3993          * cases.
3994          */
3995         if (range_tree_is_empty(alloctree) &&
3996             range_tree_is_empty(msp->ms_freeing) &&
3997             range_tree_is_empty(msp->ms_checkpointing) &&
3998             !(msp->ms_loaded && msp->ms_condense_wanted &&
3999             txg <= spa_final_dirty_txg(spa)))
4000                 return;
4001
4002
4003         VERIFY3U(txg, <=, spa_final_dirty_txg(spa));
4004
4005         /*
4006          * The only state that can actually be changing concurrently
4007          * with metaslab_sync() is the metaslab's ms_allocatable. No
4008          * other thread can be modifying this txg's alloc, freeing,
4009          * freed, or space_map_phys_t.  We drop ms_lock whenever we
4010          * could call into the DMU, because the DMU can call down to
4011          * us (e.g. via zio_free()) at any time.
4012          *
4013          * The spa_vdev_remove_thread() can be reading metaslab state
4014          * concurrently, and it is locked out by the ms_sync_lock.
4015          * Note that the ms_lock is insufficient for this, because it
4016          * is dropped by space_map_write().
4017          */
4018         tx = dmu_tx_create_assigned(spa_get_dsl(spa), txg);
4019
4020         /*
4021          * Generate a log space map if one doesn't exist already.
4022          */
4023         spa_generate_syncing_log_sm(spa, tx);
4024
4025         if (msp->ms_sm == NULL) {
4026                 uint64_t new_object = space_map_alloc(mos,
4027                     spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP) ?
4028                     zfs_metaslab_sm_blksz_with_log :
4029                     zfs_metaslab_sm_blksz_no_log, tx);
4030                 VERIFY3U(new_object, !=, 0);
4031
4032                 dmu_write(mos, vd->vdev_ms_array, sizeof (uint64_t) *
4033                     msp->ms_id, sizeof (uint64_t), &new_object, tx);
4034
4035                 VERIFY0(space_map_open(&msp->ms_sm, mos, new_object,
4036                     msp->ms_start, msp->ms_size, vd->vdev_ashift));
4037                 ASSERT(msp->ms_sm != NULL);
4038
4039                 ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_unflushed_allocs));
4040                 ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_unflushed_frees));
4041                 ASSERT0(metaslab_allocated_space(msp));
4042         }
4043
4044         if (!range_tree_is_empty(msp->ms_checkpointing) &&
4045             vd->vdev_checkpoint_sm == NULL) {
4046                 ASSERT(spa_has_checkpoint(spa));
4047
4048                 uint64_t new_object = space_map_alloc(mos,
4049                     zfs_vdev_standard_sm_blksz, tx);
4050                 VERIFY3U(new_object, !=, 0);
4051
4052                 VERIFY0(space_map_open(&vd->vdev_checkpoint_sm,
4053                     mos, new_object, 0, vd->vdev_asize, vd->vdev_ashift));
4054                 ASSERT3P(vd->vdev_checkpoint_sm, !=, NULL);
4055
4056                 /*
4057                  * We save the space map object as an entry in vdev_top_zap
4058                  * so it can be retrieved when the pool is reopened after an
4059                  * export or through zdb.
4060                  */
4061                 VERIFY0(zap_add(vd->vdev_spa->spa_meta_objset,
4062                     vd->vdev_top_zap, VDEV_TOP_ZAP_POOL_CHECKPOINT_SM,
4063                     sizeof (new_object), 1, &new_object, tx));
4064         }
4065
4066         mutex_enter(&msp->ms_sync_lock);
4067         mutex_enter(&msp->ms_lock);
4068
4069         /*
4070          * Note: metaslab_condense() clears the space map's histogram.
4071          * Therefore we must verify and remove this histogram before
4072          * condensing.
4073          */
4074         metaslab_group_histogram_verify(mg);
4075         metaslab_class_histogram_verify(mg->mg_class);
4076         metaslab_group_histogram_remove(mg, msp);
4077
4078         if (spa->spa_sync_pass == 1 && msp->ms_loaded &&
4079             metaslab_should_condense(msp))
4080                 metaslab_condense(msp, tx);
4081
4082         /*
4083          * We'll be going to disk to sync our space accounting, thus we
4084          * drop the ms_lock during that time so allocations coming from
4085          * open-context (ZIL) for future TXGs do not block.
4086          */
4087         mutex_exit(&msp->ms_lock);
4088         space_map_t *log_sm = spa_syncing_log_sm(spa);
4089         if (log_sm != NULL) {
4090                 ASSERT(spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP));
4091                 if (metaslab_unflushed_txg(msp) == 0)
4092                         metaslab_unflushed_add(msp, tx);
4093                 else if (!metaslab_unflushed_dirty(msp))
4094                         metaslab_unflushed_bump(msp, tx, B_TRUE);
4095
4096                 space_map_write(log_sm, alloctree, SM_ALLOC,
4097                     vd->vdev_id, tx);
4098                 space_map_write(log_sm, msp->ms_freeing, SM_FREE,
4099                     vd->vdev_id, tx);
4100                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
4101
4102                 ASSERT3U(spa->spa_unflushed_stats.sus_memused, >=,
4103                     metaslab_unflushed_changes_memused(msp));
4104                 spa->spa_unflushed_stats.sus_memused -=
4105                     metaslab_unflushed_changes_memused(msp);
4106                 range_tree_remove_xor_add(alloctree,
4107                     msp->ms_unflushed_frees, msp->ms_unflushed_allocs);
4108                 range_tree_remove_xor_add(msp->ms_freeing,
4109                     msp->ms_unflushed_allocs, msp->ms_unflushed_frees);
4110                 spa->spa_unflushed_stats.sus_memused +=
4111                     metaslab_unflushed_changes_memused(msp);
4112         } else {
4113                 ASSERT(!spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP));
4114
4115                 space_map_write(msp->ms_sm, alloctree, SM_ALLOC,
4116                     SM_NO_VDEVID, tx);
4117                 space_map_write(msp->ms_sm, msp->ms_freeing, SM_FREE,
4118                     SM_NO_VDEVID, tx);
4119                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
4120         }
4121
4122         msp->ms_allocated_space += range_tree_space(alloctree);
4123         ASSERT3U(msp->ms_allocated_space, >=,
4124             range_tree_space(msp->ms_freeing));
4125         msp->ms_allocated_space -= range_tree_space(msp->ms_freeing);
4126
4127         if (!range_tree_is_empty(msp->ms_checkpointing)) {
4128                 ASSERT(spa_has_checkpoint(spa));
4129                 ASSERT3P(vd->vdev_checkpoint_sm, !=, NULL);
4130
4131                 /*
4132                  * Since we are doing writes to disk and the ms_checkpointing
4133                  * tree won't be changing during that time, we drop the
4134                  * ms_lock while writing to the checkpoint space map, for the
4135                  * same reason mentioned above.
4136                  */
4137                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
4138                 space_map_write(vd->vdev_checkpoint_sm,
4139                     msp->ms_checkpointing, SM_FREE, SM_NO_VDEVID, tx);
4140                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
4141
4142                 spa->spa_checkpoint_info.sci_dspace +=
4143                     range_tree_space(msp->ms_checkpointing);
4144                 vd->vdev_stat.vs_checkpoint_space +=
4145                     range_tree_space(msp->ms_checkpointing);
4146                 ASSERT3U(vd->vdev_stat.vs_checkpoint_space, ==,
4147                     -space_map_allocated(vd->vdev_checkpoint_sm));
4148
4149                 range_tree_vacate(msp->ms_checkpointing, NULL, NULL);
4150         }
4151
4152         if (msp->ms_loaded) {
4153                 /*
4154                  * When the space map is loaded, we have an accurate
4155                  * histogram in the range tree. This gives us an opportunity
4156                  * to bring the space map's histogram up-to-date so we clear
4157                  * it first before updating it.
4158                  */
4159                 space_map_histogram_clear(msp->ms_sm);
4160                 space_map_histogram_add(msp->ms_sm, msp->ms_allocatable, tx);
4161
4162                 /*
4163                  * Since we've cleared the histogram we need to add back
4164                  * any free space that has already been processed, plus
4165                  * any deferred space. This allows the on-disk histogram
4166                  * to accurately reflect all free space even if some space
4167                  * is not yet available for allocation (i.e. deferred).
4168                  */
4169                 space_map_histogram_add(msp->ms_sm, msp->ms_freed, tx);
4170
4171                 /*
4172                  * Add back any deferred free space that has not been
4173                  * added back into the in-core free tree yet. This will
4174                  * ensure that we don't end up with a space map histogram
4175                  * that is completely empty unless the metaslab is fully
4176                  * allocated.
4177                  */
4178                 for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
4179                         space_map_histogram_add(msp->ms_sm,
4180                             msp->ms_defer[t], tx);
4181                 }
4182         }
4183
4184         /*
4185          * Always add the free space from this sync pass to the space
4186          * map histogram. We want to make sure that the on-disk histogram
4187          * accounts for all free space. If the space map is not loaded,
4188          * then we will lose some accuracy but will correct it the next
4189          * time we load the space map.
4190          */
4191         space_map_histogram_add(msp->ms_sm, msp->ms_freeing, tx);
4192         metaslab_aux_histograms_update(msp);
4193
4194         metaslab_group_histogram_add(mg, msp);
4195         metaslab_group_histogram_verify(mg);
4196         metaslab_class_histogram_verify(mg->mg_class);
4197
4198         /*
4199          * For sync pass 1, we avoid traversing this txg's free range tree
4200          * and instead will just swap the pointers for freeing and freed.
4201          * We can safely do this since the freed_tree is guaranteed to be
4202          * empty on the initial pass.
4203          *
4204          * Keep in mind that even if we are currently using a log spacemap
4205          * we want current frees to end up in the ms_allocatable (but not
4206          * get appended to the ms_sm) so their ranges can be reused as usual.
4207          */
4208         if (spa_sync_pass(spa) == 1) {
4209                 range_tree_swap(&msp->ms_freeing, &msp->ms_freed);
4210                 ASSERT0(msp->ms_allocated_this_txg);
4211         } else {
4212                 range_tree_vacate(msp->ms_freeing,
4213                     range_tree_add, msp->ms_freed);
4214         }
4215         msp->ms_allocated_this_txg += range_tree_space(alloctree);
4216         range_tree_vacate(alloctree, NULL, NULL);
4217
4218         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK]));
4219         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_allocating[TXG_CLEAN(txg)
4220             & TXG_MASK]));
4221         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freeing));
4222         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_checkpointing));
4223
4224         mutex_exit(&msp->ms_lock);
4225
4226         /*
4227          * Verify that the space map object ID has been recorded in the
4228          * vdev_ms_array.
4229          */
4230         uint64_t object;
4231         VERIFY0(dmu_read(mos, vd->vdev_ms_array,
4232             msp->ms_id * sizeof (uint64_t), sizeof (uint64_t), &object, 0));
4233         VERIFY3U(object, ==, space_map_object(msp->ms_sm));
4234
4235         mutex_exit(&msp->ms_sync_lock);
4236         dmu_tx_commit(tx);
4237 }
4238
4239 static void
4240 metaslab_evict(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
4241 {
4242         if (!msp->ms_loaded || msp->ms_disabled != 0)
4243                 return;
4244
4245         for (int t = 1; t < TXG_CONCURRENT_STATES; t++) {
4246                 VERIFY0(range_tree_space(
4247                     msp->ms_allocating[(txg + t) & TXG_MASK]));
4248         }
4249         if (msp->ms_allocator != -1)
4250                 metaslab_passivate(msp, msp->ms_weight & ~METASLAB_ACTIVE_MASK);
4251
4252         if (!metaslab_debug_unload)
4253                 metaslab_unload(msp);
4254 }
4255
4256 /*
4257  * Called after a transaction group has completely synced to mark
4258  * all of the metaslab's free space as usable.
4259  */
4260 void
4261 metaslab_sync_done(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
4262 {
4263         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
4264         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
4265         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
4266         range_tree_t **defer_tree;
4267         int64_t alloc_delta, defer_delta;
4268         boolean_t defer_allowed = B_TRUE;
4269
4270         ASSERT(!vd->vdev_ishole);
4271
4272         mutex_enter(&msp->ms_lock);
4273
4274         if (msp->ms_new) {
4275                 /* this is a new metaslab, add its capacity to the vdev */
4276                 metaslab_space_update(vd, mg->mg_class, 0, 0, msp->ms_size);
4277
4278                 /* there should be no allocations nor frees at this point */
4279                 VERIFY0(msp->ms_allocated_this_txg);
4280                 VERIFY0(range_tree_space(msp->ms_freed));
4281         }
4282
4283         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freeing));
4284         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_checkpointing));
4285
4286         defer_tree = &msp->ms_defer[txg % TXG_DEFER_SIZE];
4287
4288         uint64_t free_space = metaslab_class_get_space(spa_normal_class(spa)) -
4289             metaslab_class_get_alloc(spa_normal_class(spa));
4290         if (free_space <= spa_get_slop_space(spa) || vd->vdev_removing) {
4291                 defer_allowed = B_FALSE;
4292         }
4293
4294         defer_delta = 0;
4295         alloc_delta = msp->ms_allocated_this_txg -
4296             range_tree_space(msp->ms_freed);
4297
4298         if (defer_allowed) {
4299                 defer_delta = range_tree_space(msp->ms_freed) -
4300                     range_tree_space(*defer_tree);
4301         } else {
4302                 defer_delta -= range_tree_space(*defer_tree);
4303         }
4304         metaslab_space_update(vd, mg->mg_class, alloc_delta + defer_delta,
4305             defer_delta, 0);
4306
4307         if (spa_syncing_log_sm(spa) == NULL) {
4308                 /*
4309                  * If there's a metaslab_load() in progress and we don't have
4310                  * a log space map, it means that we probably wrote to the
4311                  * metaslab's space map. If this is the case, we need to
4312                  * make sure that we wait for the load to complete so that we
4313                  * have a consistent view at the in-core side of the metaslab.
4314                  */
4315                 metaslab_load_wait(msp);
4316         } else {
4317                 ASSERT(spa_feature_is_active(spa, SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP));
4318         }
4319
4320         /*
4321          * When auto-trimming is enabled, free ranges which are added to
4322          * ms_allocatable are also be added to ms_trim.  The ms_trim tree is
4323          * periodically consumed by the vdev_autotrim_thread() which issues
4324          * trims for all ranges and then vacates the tree.  The ms_trim tree
4325          * can be discarded at any time with the sole consequence of recent
4326          * frees not being trimmed.
4327          */
4328         if (spa_get_autotrim(spa) == SPA_AUTOTRIM_ON) {
4329                 range_tree_walk(*defer_tree, range_tree_add, msp->ms_trim);
4330                 if (!defer_allowed) {
4331                         range_tree_walk(msp->ms_freed, range_tree_add,
4332                             msp->ms_trim);
4333                 }
4334         } else {
4335                 range_tree_vacate(msp->ms_trim, NULL, NULL);
4336         }
4337
4338         /*
4339          * Move the frees from the defer_tree back to the free
4340          * range tree (if it's loaded). Swap the freed_tree and
4341          * the defer_tree -- this is safe to do because we've
4342          * just emptied out the defer_tree.
4343          */
4344         range_tree_vacate(*defer_tree,
4345             msp->ms_loaded ? range_tree_add : NULL, msp->ms_allocatable);
4346         if (defer_allowed) {
4347                 range_tree_swap(&msp->ms_freed, defer_tree);
4348         } else {
4349                 range_tree_vacate(msp->ms_freed,
4350                     msp->ms_loaded ? range_tree_add : NULL,
4351                     msp->ms_allocatable);
4352         }
4353
4354         msp->ms_synced_length = space_map_length(msp->ms_sm);
4355
4356         msp->ms_deferspace += defer_delta;
4357         ASSERT3S(msp->ms_deferspace, >=, 0);
4358         ASSERT3S(msp->ms_deferspace, <=, msp->ms_size);
4359         if (msp->ms_deferspace != 0) {
4360                 /*
4361                  * Keep syncing this metaslab until all deferred frees
4362                  * are back in circulation.
4363                  */
4364                 vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg + 1);
4365         }
4366         metaslab_aux_histograms_update_done(msp, defer_allowed);
4367
4368         if (msp->ms_new) {
4369                 msp->ms_new = B_FALSE;
4370                 mutex_enter(&mg->mg_lock);
4371                 mg->mg_ms_ready++;
4372                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
4373         }
4374
4375         /*
4376          * Re-sort metaslab within its group now that we've adjusted
4377          * its allocatable space.
4378          */
4379         metaslab_recalculate_weight_and_sort(msp);
4380
4381         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK]));
4382         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freeing));
4383         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freed));
4384         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_checkpointing));
4385         msp->ms_allocating_total -= msp->ms_allocated_this_txg;
4386         msp->ms_allocated_this_txg = 0;
4387         mutex_exit(&msp->ms_lock);
4388 }
4389
4390 void
4391 metaslab_sync_reassess(metaslab_group_t *mg)
4392 {
4393         spa_t *spa = mg->mg_class->mc_spa;
4394
4395         spa_config_enter(spa, SCL_ALLOC, FTAG, RW_READER);
4396         metaslab_group_alloc_update(mg);
4397         mg->mg_fragmentation = metaslab_group_fragmentation(mg);
4398
4399         /*
4400          * Preload the next potential metaslabs but only on active
4401          * metaslab groups. We can get into a state where the metaslab
4402          * is no longer active since we dirty metaslabs as we remove a
4403          * a device, thus potentially making the metaslab group eligible
4404          * for preloading.
4405          */
4406         if (mg->mg_activation_count > 0) {
4407                 metaslab_group_preload(mg);
4408         }
4409         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
4410 }
4411
4412 /*
4413  * When writing a ditto block (i.e. more than one DVA for a given BP) on
4414  * the same vdev as an existing DVA of this BP, then try to allocate it
4415  * on a different metaslab than existing DVAs (i.e. a unique metaslab).
4416  */
4417 static boolean_t
4418 metaslab_is_unique(metaslab_t *msp, dva_t *dva)
4419 {
4420         uint64_t dva_ms_id;
4421
4422         if (DVA_GET_ASIZE(dva) == 0)
4423                 return (B_TRUE);
4424
4425         if (msp->ms_group->mg_vd->vdev_id != DVA_GET_VDEV(dva))
4426                 return (B_TRUE);
4427
4428         dva_ms_id = DVA_GET_OFFSET(dva) >> msp->ms_group->mg_vd->vdev_ms_shift;
4429
4430         return (msp->ms_id != dva_ms_id);
4431 }
4432
4433 /*
4434  * ==========================================================================
4435  * Metaslab allocation tracing facility
4436  * ==========================================================================
4437  */
4438
4439 /*
4440  * Add an allocation trace element to the allocation tracing list.
4441  */
4442 static void
4443 metaslab_trace_add(zio_alloc_list_t *zal, metaslab_group_t *mg,
4444     metaslab_t *msp, uint64_t psize, uint32_t dva_id, uint64_t offset,
4445     int allocator)
4446 {
4447         metaslab_alloc_trace_t *mat;
4448
4449         if (!metaslab_trace_enabled)
4450                 return;
4451
4452         /*
4453          * When the tracing list reaches its maximum we remove
4454          * the second element in the list before adding a new one.
4455          * By removing the second element we preserve the original
4456          * entry as a clue to what allocations steps have already been
4457          * performed.
4458          */
4459         if (zal->zal_size == metaslab_trace_max_entries) {
4460                 metaslab_alloc_trace_t *mat_next;
4461 #ifdef ZFS_DEBUG
4462                 panic("too many entries in allocation list");
4463 #endif
4464                 METASLABSTAT_BUMP(metaslabstat_trace_over_limit);
4465                 zal->zal_size--;
4466                 mat_next = list_next(&zal->zal_list, list_head(&zal->zal_list));
4467                 list_remove(&zal->zal_list, mat_next);
4468                 kmem_cache_free(metaslab_alloc_trace_cache, mat_next);
4469         }
4470
4471         mat = kmem_cache_alloc(metaslab_alloc_trace_cache, KM_SLEEP);
4472         list_link_init(&mat->mat_list_node);
4473         mat->mat_mg = mg;
4474         mat->mat_msp = msp;
4475         mat->mat_size = psize;
4476         mat->mat_dva_id = dva_id;
4477         mat->mat_offset = offset;
4478         mat->mat_weight = 0;
4479         mat->mat_allocator = allocator;
4480
4481         if (msp != NULL)
4482                 mat->mat_weight = msp->ms_weight;
4483
4484         /*
4485          * The list is part of the zio so locking is not required. Only
4486          * a single thread will perform allocations for a given zio.
4487          */
4488         list_insert_tail(&zal->zal_list, mat);
4489         zal->zal_size++;
4490
4491         ASSERT3U(zal->zal_size, <=, metaslab_trace_max_entries);
4492 }
4493
4494 void
4495 metaslab_trace_init(zio_alloc_list_t *zal)
4496 {
4497         list_create(&zal->zal_list, sizeof (metaslab_alloc_trace_t),
4498             offsetof(metaslab_alloc_trace_t, mat_list_node));
4499         zal->zal_size = 0;
4500 }
4501
4502 void
4503 metaslab_trace_fini(zio_alloc_list_t *zal)
4504 {
4505         metaslab_alloc_trace_t *mat;
4506
4507         while ((mat = list_remove_head(&zal->zal_list)) != NULL)
4508                 kmem_cache_free(metaslab_alloc_trace_cache, mat);
4509         list_destroy(&zal->zal_list);
4510         zal->zal_size = 0;
4511 }
4512
4513 /*
4514  * ==========================================================================
4515  * Metaslab block operations
4516  * ==========================================================================
4517  */
4518
4519 static void
4520 metaslab_group_alloc_increment(spa_t *spa, uint64_t vdev, const void *tag,
4521     int flags, int allocator)
4522 {
4523         if (!(flags & METASLAB_ASYNC_ALLOC) ||
4524             (flags & METASLAB_DONT_THROTTLE))
4525                 return;
4526
4527         metaslab_group_t *mg = vdev_lookup_top(spa, vdev)->vdev_mg;
4528         if (!mg->mg_class->mc_alloc_throttle_enabled)
4529                 return;
4530
4531         metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[allocator];
4532         (void) zfs_refcount_add(&mga->mga_alloc_queue_depth, tag);
4533 }
4534
4535 static void
4536 metaslab_group_increment_qdepth(metaslab_group_t *mg, int allocator)
4537 {
4538         metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[allocator];
4539         metaslab_class_allocator_t *mca =
4540             &mg->mg_class->mc_allocator[allocator];
4541         uint64_t max = mg->mg_max_alloc_queue_depth;
4542         uint64_t cur = mga->mga_cur_max_alloc_queue_depth;
4543         while (cur < max) {
4544                 if (atomic_cas_64(&mga->mga_cur_max_alloc_queue_depth,
4545                     cur, cur + 1) == cur) {
4546                         atomic_inc_64(&mca->mca_alloc_max_slots);
4547                         return;
4548                 }
4549                 cur = mga->mga_cur_max_alloc_queue_depth;
4550         }
4551 }
4552
4553 void
4554 metaslab_group_alloc_decrement(spa_t *spa, uint64_t vdev, const void *tag,
4555     int flags, int allocator, boolean_t io_complete)
4556 {
4557         if (!(flags & METASLAB_ASYNC_ALLOC) ||
4558             (flags & METASLAB_DONT_THROTTLE))
4559                 return;
4560
4561         metaslab_group_t *mg = vdev_lookup_top(spa, vdev)->vdev_mg;
4562         if (!mg->mg_class->mc_alloc_throttle_enabled)
4563                 return;
4564
4565         metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[allocator];
4566         (void) zfs_refcount_remove(&mga->mga_alloc_queue_depth, tag);
4567         if (io_complete)
4568                 metaslab_group_increment_qdepth(mg, allocator);
4569 }
4570
4571 void
4572 metaslab_group_alloc_verify(spa_t *spa, const blkptr_t *bp, const void *tag,
4573     int allocator)
4574 {
4575 #ifdef ZFS_DEBUG
4576         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
4577         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
4578
4579         for (int d = 0; d < ndvas; d++) {
4580                 uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(&dva[d]);
4581                 metaslab_group_t *mg = vdev_lookup_top(spa, vdev)->vdev_mg;
4582                 metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[allocator];
4583                 VERIFY(zfs_refcount_not_held(&mga->mga_alloc_queue_depth, tag));
4584         }
4585 #endif
4586 }
4587
4588 static uint64_t
4589 metaslab_block_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size, uint64_t txg)
4590 {
4591         uint64_t start;
4592         range_tree_t *rt = msp->ms_allocatable;
4593         metaslab_class_t *mc = msp->ms_group->mg_class;
4594
4595         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
4596         VERIFY(!msp->ms_condensing);
4597         VERIFY0(msp->ms_disabled);
4598
4599         start = mc->mc_ops->msop_alloc(msp, size);
4600         if (start != -1ULL) {
4601                 metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
4602                 vdev_t *vd = mg->mg_vd;
4603
4604                 VERIFY0(P2PHASE(start, 1ULL << vd->vdev_ashift));
4605                 VERIFY0(P2PHASE(size, 1ULL << vd->vdev_ashift));
4606                 VERIFY3U(range_tree_space(rt) - size, <=, msp->ms_size);
4607                 range_tree_remove(rt, start, size);
4608                 range_tree_clear(msp->ms_trim, start, size);
4609
4610                 if (range_tree_is_empty(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK]))
4611                         vdev_dirty(mg->mg_vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
4612
4613                 range_tree_add(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK], start, size);
4614                 msp->ms_allocating_total += size;
4615
4616                 /* Track the last successful allocation */
4617                 msp->ms_alloc_txg = txg;
4618                 metaslab_verify_space(msp, txg);
4619         }
4620
4621         /*
4622          * Now that we've attempted the allocation we need to update the
4623          * metaslab's maximum block size since it may have changed.
4624          */
4625         msp->ms_max_size = metaslab_largest_allocatable(msp);
4626         return (start);
4627 }
4628
4629 /*
4630  * Find the metaslab with the highest weight that is less than what we've
4631  * already tried.  In the common case, this means that we will examine each
4632  * metaslab at most once. Note that concurrent callers could reorder metaslabs
4633  * by activation/passivation once we have dropped the mg_lock. If a metaslab is
4634  * activated by another thread, and we fail to allocate from the metaslab we
4635  * have selected, we may not try the newly-activated metaslab, and instead
4636  * activate another metaslab.  This is not optimal, but generally does not cause
4637  * any problems (a possible exception being if every metaslab is completely full
4638  * except for the newly-activated metaslab which we fail to examine).
4639  */
4640 static metaslab_t *
4641 find_valid_metaslab(metaslab_group_t *mg, uint64_t activation_weight,
4642     dva_t *dva, int d, boolean_t want_unique, uint64_t asize, int allocator,
4643     boolean_t try_hard, zio_alloc_list_t *zal, metaslab_t *search,
4644     boolean_t *was_active)
4645 {
4646         avl_index_t idx;
4647         avl_tree_t *t = &mg->mg_metaslab_tree;
4648         metaslab_t *msp = avl_find(t, search, &idx);
4649         if (msp == NULL)
4650                 msp = avl_nearest(t, idx, AVL_AFTER);
4651
4652         uint_t tries = 0;
4653         for (; msp != NULL; msp = AVL_NEXT(t, msp)) {
4654                 int i;
4655
4656                 if (!try_hard && tries > zfs_metaslab_find_max_tries) {
4657                         METASLABSTAT_BUMP(metaslabstat_too_many_tries);
4658                         return (NULL);
4659                 }
4660                 tries++;
4661
4662                 if (!metaslab_should_allocate(msp, asize, try_hard)) {
4663                         metaslab_trace_add(zal, mg, msp, asize, d,
4664                             TRACE_TOO_SMALL, allocator);
4665                         continue;
4666                 }
4667
4668                 /*
4669                  * If the selected metaslab is condensing or disabled,
4670                  * skip it.
4671                  */
4672                 if (msp->ms_condensing || msp->ms_disabled > 0)
4673                         continue;
4674
4675                 *was_active = msp->ms_allocator != -1;
4676                 /*
4677                  * If we're activating as primary, this is our first allocation
4678                  * from this disk, so we don't need to check how close we are.
4679                  * If the metaslab under consideration was already active,
4680                  * we're getting desperate enough to steal another allocator's
4681                  * metaslab, so we still don't care about distances.
4682                  */
4683                 if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY || *was_active)
4684                         break;
4685
4686                 for (i = 0; i < d; i++) {
4687                         if (want_unique &&
4688                             !metaslab_is_unique(msp, &dva[i]))
4689                                 break;  /* try another metaslab */
4690                 }
4691                 if (i == d)
4692                         break;
4693         }
4694
4695         if (msp != NULL) {
4696                 search->ms_weight = msp->ms_weight;
4697                 search->ms_start = msp->ms_start + 1;
4698                 search->ms_allocator = msp->ms_allocator;
4699                 search->ms_primary = msp->ms_primary;
4700         }
4701         return (msp);
4702 }
4703
4704 static void
4705 metaslab_active_mask_verify(metaslab_t *msp)
4706 {
4707         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
4708
4709         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_METASLAB_VERIFY) == 0)
4710                 return;
4711
4712         if ((msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) == 0)
4713                 return;
4714
4715         if (msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_PRIMARY) {
4716                 VERIFY0(msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_SECONDARY);
4717                 VERIFY0(msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_CLAIM);
4718                 VERIFY3S(msp->ms_allocator, !=, -1);
4719                 VERIFY(msp->ms_primary);
4720                 return;
4721         }
4722
4723         if (msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_SECONDARY) {
4724                 VERIFY0(msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_PRIMARY);
4725                 VERIFY0(msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_CLAIM);
4726                 VERIFY3S(msp->ms_allocator, !=, -1);
4727                 VERIFY(!msp->ms_primary);
4728                 return;
4729         }
4730
4731         if (msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_CLAIM) {
4732                 VERIFY0(msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_PRIMARY);
4733                 VERIFY0(msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_SECONDARY);
4734                 VERIFY3S(msp->ms_allocator, ==, -1);
4735                 return;
4736         }
4737 }
4738
4739 static uint64_t
4740 metaslab_group_alloc_normal(metaslab_group_t *mg, zio_alloc_list_t *zal,
4741     uint64_t asize, uint64_t txg, boolean_t want_unique, dva_t *dva, int d,
4742     int allocator, boolean_t try_hard)
4743 {
4744         metaslab_t *msp = NULL;
4745         uint64_t offset = -1ULL;
4746
4747         uint64_t activation_weight = METASLAB_WEIGHT_PRIMARY;
4748         for (int i = 0; i < d; i++) {
4749                 if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY &&
4750                     DVA_GET_VDEV(&dva[i]) == mg->mg_vd->vdev_id) {
4751                         activation_weight = METASLAB_WEIGHT_SECONDARY;
4752                 } else if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_SECONDARY &&
4753                     DVA_GET_VDEV(&dva[i]) == mg->mg_vd->vdev_id) {
4754                         activation_weight = METASLAB_WEIGHT_CLAIM;
4755                         break;
4756                 }
4757         }
4758
4759         /*
4760          * If we don't have enough metaslabs active to fill the entire array, we
4761          * just use the 0th slot.
4762          */
4763         if (mg->mg_ms_ready < mg->mg_allocators * 3)
4764                 allocator = 0;
4765         metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[allocator];
4766
4767         ASSERT3U(mg->mg_vd->vdev_ms_count, >=, 2);
4768
4769         metaslab_t *search = kmem_alloc(sizeof (*search), KM_SLEEP);
4770         search->ms_weight = UINT64_MAX;
4771         search->ms_start = 0;
4772         /*
4773          * At the end of the metaslab tree are the already-active metaslabs,
4774          * first the primaries, then the secondaries. When we resume searching
4775          * through the tree, we need to consider ms_allocator and ms_primary so
4776          * we start in the location right after where we left off, and don't
4777          * accidentally loop forever considering the same metaslabs.
4778          */
4779         search->ms_allocator = -1;
4780         search->ms_primary = B_TRUE;
4781         for (;;) {
4782                 boolean_t was_active = B_FALSE;
4783
4784                 mutex_enter(&mg->mg_lock);
4785
4786                 if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY &&
4787                     mga->mga_primary != NULL) {
4788                         msp = mga->mga_primary;
4789
4790                         /*
4791                          * Even though we don't hold the ms_lock for the
4792                          * primary metaslab, those fields should not
4793                          * change while we hold the mg_lock. Thus it is
4794                          * safe to make assertions on them.
4795                          */
4796                         ASSERT(msp->ms_primary);
4797                         ASSERT3S(msp->ms_allocator, ==, allocator);
4798                         ASSERT(msp->ms_loaded);
4799
4800                         was_active = B_TRUE;
4801                         ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
4802                 } else if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_SECONDARY &&
4803                     mga->mga_secondary != NULL) {
4804                         msp = mga->mga_secondary;
4805
4806                         /*
4807                          * See comment above about the similar assertions
4808                          * for the primary metaslab.
4809                          */
4810                         ASSERT(!msp->ms_primary);
4811                         ASSERT3S(msp->ms_allocator, ==, allocator);
4812                         ASSERT(msp->ms_loaded);
4813
4814                         was_active = B_TRUE;
4815                         ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
4816                 } else {
4817                         msp = find_valid_metaslab(mg, activation_weight, dva, d,
4818                             want_unique, asize, allocator, try_hard, zal,
4819                             search, &was_active);
4820                 }
4821
4822                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
4823                 if (msp == NULL) {
4824                         kmem_free(search, sizeof (*search));
4825                         return (-1ULL);
4826                 }
4827                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
4828
4829                 metaslab_active_mask_verify(msp);
4830
4831                 /*
4832                  * This code is disabled out because of issues with
4833                  * tracepoints in non-gpl kernel modules.
4834                  */
4835 #if 0
4836                 DTRACE_PROBE3(ms__activation__attempt,
4837                     metaslab_t *, msp, uint64_t, activation_weight,
4838                     boolean_t, was_active);
4839 #endif
4840
4841                 /*
4842                  * Ensure that the metaslab we have selected is still
4843                  * capable of handling our request. It's possible that
4844                  * another thread may have changed the weight while we
4845                  * were blocked on the metaslab lock. We check the
4846                  * active status first to see if we need to set_selected_txg
4847                  * a new metaslab.
4848                  */
4849                 if (was_active && !(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK)) {
4850                         ASSERT3S(msp->ms_allocator, ==, -1);
4851                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
4852                         continue;
4853                 }
4854
4855                 /*
4856                  * If the metaslab was activated for another allocator
4857                  * while we were waiting in the ms_lock above, or it's
4858                  * a primary and we're seeking a secondary (or vice versa),
4859                  * we go back and select a new metaslab.
4860                  */
4861                 if (!was_active && (msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) &&
4862                     (msp->ms_allocator != -1) &&
4863                     (msp->ms_allocator != allocator || ((activation_weight ==
4864                     METASLAB_WEIGHT_PRIMARY) != msp->ms_primary))) {
4865                         ASSERT(msp->ms_loaded);
4866                         ASSERT((msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_CLAIM) ||
4867                             msp->ms_allocator != -1);
4868                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
4869                         continue;
4870                 }
4871
4872                 /*
4873                  * This metaslab was used for claiming regions allocated
4874                  * by the ZIL during pool import. Once these regions are
4875                  * claimed we don't need to keep the CLAIM bit set
4876                  * anymore. Passivate this metaslab to zero its activation
4877                  * mask.
4878                  */
4879                 if (msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_CLAIM &&
4880                     activation_weight != METASLAB_WEIGHT_CLAIM) {
4881                         ASSERT(msp->ms_loaded);
4882                         ASSERT3S(msp->ms_allocator, ==, -1);
4883                         metaslab_passivate(msp, msp->ms_weight &
4884                             ~METASLAB_WEIGHT_CLAIM);
4885                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
4886                         continue;
4887                 }
4888
4889                 metaslab_set_selected_txg(msp, txg);
4890
4891                 int activation_error =
4892                     metaslab_activate(msp, allocator, activation_weight);
4893                 metaslab_active_mask_verify(msp);
4894
4895                 /*
4896                  * If the metaslab was activated by another thread for
4897                  * another allocator or activation_weight (EBUSY), or it
4898                  * failed because another metaslab was assigned as primary
4899                  * for this allocator (EEXIST) we continue using this
4900                  * metaslab for our allocation, rather than going on to a
4901                  * worse metaslab (we waited for that metaslab to be loaded
4902                  * after all).
4903                  *
4904                  * If the activation failed due to an I/O error or ENOSPC we
4905                  * skip to the next metaslab.
4906                  */
4907                 boolean_t activated;
4908                 if (activation_error == 0) {
4909                         activated = B_TRUE;
4910                 } else if (activation_error == EBUSY ||
4911                     activation_error == EEXIST) {
4912                         activated = B_FALSE;
4913                 } else {
4914                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
4915                         continue;
4916                 }
4917                 ASSERT(msp->ms_loaded);
4918
4919                 /*
4920                  * Now that we have the lock, recheck to see if we should
4921                  * continue to use this metaslab for this allocation. The
4922                  * the metaslab is now loaded so metaslab_should_allocate()
4923                  * can accurately determine if the allocation attempt should
4924                  * proceed.
4925                  */
4926                 if (!metaslab_should_allocate(msp, asize, try_hard)) {
4927                         /* Passivate this metaslab and select a new one. */
4928                         metaslab_trace_add(zal, mg, msp, asize, d,
4929                             TRACE_TOO_SMALL, allocator);
4930                         goto next;
4931                 }
4932
4933                 /*
4934                  * If this metaslab is currently condensing then pick again
4935                  * as we can't manipulate this metaslab until it's committed
4936                  * to disk. If this metaslab is being initialized, we shouldn't
4937                  * allocate from it since the allocated region might be
4938                  * overwritten after allocation.
4939                  */
4940                 if (msp->ms_condensing) {
4941                         metaslab_trace_add(zal, mg, msp, asize, d,
4942                             TRACE_CONDENSING, allocator);
4943                         if (activated) {
4944                                 metaslab_passivate(msp, msp->ms_weight &
4945                                     ~METASLAB_ACTIVE_MASK);
4946                         }
4947                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
4948                         continue;
4949                 } else if (msp->ms_disabled > 0) {
4950                         metaslab_trace_add(zal, mg, msp, asize, d,
4951                             TRACE_DISABLED, allocator);
4952                         if (activated) {
4953                                 metaslab_passivate(msp, msp->ms_weight &
4954                                     ~METASLAB_ACTIVE_MASK);
4955                         }
4956                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
4957                         continue;
4958                 }
4959
4960                 offset = metaslab_block_alloc(msp, asize, txg);
4961                 metaslab_trace_add(zal, mg, msp, asize, d, offset, allocator);
4962
4963                 if (offset != -1ULL) {
4964                         /* Proactively passivate the metaslab, if needed */
4965                         if (activated)
4966                                 metaslab_segment_may_passivate(msp);
4967                         break;
4968                 }
4969 next:
4970                 ASSERT(msp->ms_loaded);
4971
4972                 /*
4973                  * This code is disabled out because of issues with
4974                  * tracepoints in non-gpl kernel modules.
4975                  */
4976 #if 0
4977                 DTRACE_PROBE2(ms__alloc__failure, metaslab_t *, msp,
4978                     uint64_t, asize);
4979 #endif
4980
4981                 /*
4982                  * We were unable to allocate from this metaslab so determine
4983                  * a new weight for this metaslab. Now that we have loaded
4984                  * the metaslab we can provide a better hint to the metaslab
4985                  * selector.
4986                  *
4987                  * For space-based metaslabs, we use the maximum block size.
4988                  * This information is only available when the metaslab
4989                  * is loaded and is more accurate than the generic free
4990                  * space weight that was calculated by metaslab_weight().
4991                  * This information allows us to quickly compare the maximum
4992                  * available allocation in the metaslab to the allocation
4993                  * size being requested.
4994                  *
4995                  * For segment-based metaslabs, determine the new weight
4996                  * based on the highest bucket in the range tree. We
4997                  * explicitly use the loaded segment weight (i.e. the range
4998                  * tree histogram) since it contains the space that is
4999                  * currently available for allocation and is accurate
5000                  * even within a sync pass.
5001                  */
5002                 uint64_t weight;
5003                 if (WEIGHT_IS_SPACEBASED(msp->ms_weight)) {
5004                         weight = metaslab_largest_allocatable(msp);
5005                         WEIGHT_SET_SPACEBASED(weight);
5006                 } else {
5007                         weight = metaslab_weight_from_range_tree(msp);
5008                 }
5009
5010                 if (activated) {
5011                         metaslab_passivate(msp, weight);
5012                 } else {
5013                         /*
5014                          * For the case where we use the metaslab that is
5015                          * active for another allocator we want to make
5016                          * sure that we retain the activation mask.
5017                          *
5018                          * Note that we could attempt to use something like
5019                          * metaslab_recalculate_weight_and_sort() that
5020                          * retains the activation mask here. That function
5021                          * uses metaslab_weight() to set the weight though
5022                          * which is not as accurate as the calculations
5023                          * above.
5024                          */
5025                         weight |= msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK;
5026                         metaslab_group_sort(mg, msp, weight);
5027                 }
5028                 metaslab_active_mask_verify(msp);
5029
5030                 /*
5031                  * We have just failed an allocation attempt, check
5032                  * that metaslab_should_allocate() agrees. Otherwise,
5033                  * we may end up in an infinite loop retrying the same
5034                  * metaslab.
5035                  */
5036                 ASSERT(!metaslab_should_allocate(msp, asize, try_hard));
5037
5038                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
5039         }
5040         mutex_exit(&msp->ms_lock);
5041         kmem_free(search, sizeof (*search));
5042         return (offset);
5043 }
5044
5045 static uint64_t
5046 metaslab_group_alloc(metaslab_group_t *mg, zio_alloc_list_t *zal,
5047     uint64_t asize, uint64_t txg, boolean_t want_unique, dva_t *dva, int d,
5048     int allocator, boolean_t try_hard)
5049 {
5050         uint64_t offset;
5051         ASSERT(mg->mg_initialized);
5052
5053         offset = metaslab_group_alloc_normal(mg, zal, asize, txg, want_unique,
5054             dva, d, allocator, try_hard);
5055
5056         mutex_enter(&mg->mg_lock);
5057         if (offset == -1ULL) {
5058                 mg->mg_failed_allocations++;
5059                 metaslab_trace_add(zal, mg, NULL, asize, d,
5060                     TRACE_GROUP_FAILURE, allocator);
5061                 if (asize == SPA_GANGBLOCKSIZE) {
5062                         /*
5063                          * This metaslab group was unable to allocate
5064                          * the minimum gang block size so it must be out of
5065                          * space. We must notify the allocation throttle
5066                          * to start skipping allocation attempts to this
5067                          * metaslab group until more space becomes available.
5068                          * Note: this failure cannot be caused by the
5069                          * allocation throttle since the allocation throttle
5070                          * is only responsible for skipping devices and
5071                          * not failing block allocations.
5072                          */
5073                         mg->mg_no_free_space = B_TRUE;
5074                 }
5075         }
5076         mg->mg_allocations++;
5077         mutex_exit(&mg->mg_lock);
5078         return (offset);
5079 }
5080
5081 /*
5082  * Allocate a block for the specified i/o.
5083  */
5084 int
5085 metaslab_alloc_dva(spa_t *spa, metaslab_class_t *mc, uint64_t psize,
5086     dva_t *dva, int d, dva_t *hintdva, uint64_t txg, int flags,
5087     zio_alloc_list_t *zal, int allocator)
5088 {
5089         metaslab_class_allocator_t *mca = &mc->mc_allocator[allocator];
5090         metaslab_group_t *mg, *fast_mg, *rotor;
5091         vdev_t *vd;
5092         boolean_t try_hard = B_FALSE;
5093
5094         ASSERT(!DVA_IS_VALID(&dva[d]));
5095
5096         /*
5097          * For testing, make some blocks above a certain size be gang blocks.
5098          * This will result in more split blocks when using device removal,
5099          * and a large number of split blocks coupled with ztest-induced
5100          * damage can result in extremely long reconstruction times.  This
5101          * will also test spilling from special to normal.
5102          */
5103         if (psize >= metaslab_force_ganging && (random_in_range(100) < 3)) {
5104                 metaslab_trace_add(zal, NULL, NULL, psize, d, TRACE_FORCE_GANG,
5105                     allocator);
5106                 return (SET_ERROR(ENOSPC));
5107         }
5108
5109         /*
5110          * Start at the rotor and loop through all mgs until we find something.
5111          * Note that there's no locking on mca_rotor or mca_aliquot because
5112          * nothing actually breaks if we miss a few updates -- we just won't
5113          * allocate quite as evenly.  It all balances out over time.
5114          *
5115          * If we are doing ditto or log blocks, try to spread them across
5116          * consecutive vdevs.  If we're forced to reuse a vdev before we've
5117          * allocated all of our ditto blocks, then try and spread them out on
5118          * that vdev as much as possible.  If it turns out to not be possible,
5119          * gradually lower our standards until anything becomes acceptable.
5120          * Also, allocating on consecutive vdevs (as opposed to random vdevs)
5121          * gives us hope of containing our fault domains to something we're
5122          * able to reason about.  Otherwise, any two top-level vdev failures
5123          * will guarantee the loss of data.  With consecutive allocation,
5124          * only two adjacent top-level vdev failures will result in data loss.
5125          *
5126          * If we are doing gang blocks (hintdva is non-NULL), try to keep
5127          * ourselves on the same vdev as our gang block header.  That
5128          * way, we can hope for locality in vdev_cache, plus it makes our
5129          * fault domains something tractable.
5130          */
5131         if (hintdva) {
5132                 vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&hintdva[d]));
5133
5134                 /*
5135                  * It's possible the vdev we're using as the hint no
5136                  * longer exists or its mg has been closed (e.g. by
5137                  * device removal).  Consult the rotor when
5138                  * all else fails.
5139                  */
5140                 if (vd != NULL && vd->vdev_mg != NULL) {
5141                         mg = vdev_get_mg(vd, mc);
5142
5143                         if (flags & METASLAB_HINTBP_AVOID)
5144                                 mg = mg->mg_next;
5145                 } else {
5146                         mg = mca->mca_rotor;
5147                 }
5148         } else if (d != 0) {
5149                 vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&dva[d - 1]));
5150                 mg = vd->vdev_mg->mg_next;
5151         } else if (flags & METASLAB_FASTWRITE) {
5152                 mg = fast_mg = mca->mca_rotor;
5153
5154                 do {
5155                         if (fast_mg->mg_vd->vdev_pending_fastwrite <
5156                             mg->mg_vd->vdev_pending_fastwrite)
5157                                 mg = fast_mg;
5158                 } while ((fast_mg = fast_mg->mg_next) != mca->mca_rotor);
5159
5160         } else {
5161                 ASSERT(mca->mca_rotor != NULL);
5162                 mg = mca->mca_rotor;
5163         }
5164
5165         /*
5166          * If the hint put us into the wrong metaslab class, or into a
5167          * metaslab group that has been passivated, just follow the rotor.
5168          */
5169         if (mg->mg_class != mc || mg->mg_activation_count <= 0)
5170                 mg = mca->mca_rotor;
5171
5172         rotor = mg;
5173 top:
5174         do {
5175                 boolean_t allocatable;
5176
5177                 ASSERT(mg->mg_activation_count == 1);
5178                 vd = mg->mg_vd;
5179
5180                 /*
5181                  * Don't allocate from faulted devices.
5182                  */
5183                 if (try_hard) {
5184                         spa_config_enter(spa, SCL_ZIO, FTAG, RW_READER);
5185                         allocatable = vdev_allocatable(vd);
5186                         spa_config_exit(spa, SCL_ZIO, FTAG);
5187                 } else {
5188                         allocatable = vdev_allocatable(vd);
5189                 }
5190
5191                 /*
5192                  * Determine if the selected metaslab group is eligible
5193                  * for allocations. If we're ganging then don't allow
5194                  * this metaslab group to skip allocations since that would
5195                  * inadvertently return ENOSPC and suspend the pool
5196                  * even though space is still available.
5197                  */
5198                 if (allocatable && !GANG_ALLOCATION(flags) && !try_hard) {
5199                         allocatable = metaslab_group_allocatable(mg, rotor,
5200                             flags, psize, allocator, d);
5201                 }
5202
5203                 if (!allocatable) {
5204                         metaslab_trace_add(zal, mg, NULL, psize, d,
5205                             TRACE_NOT_ALLOCATABLE, allocator);
5206                         goto next;
5207                 }
5208
5209                 ASSERT(mg->mg_initialized);
5210
5211                 /*
5212                  * Avoid writing single-copy data to an unhealthy,
5213                  * non-redundant vdev, unless we've already tried all
5214                  * other vdevs.
5215                  */
5216                 if (vd->vdev_state < VDEV_STATE_HEALTHY &&
5217                     d == 0 && !try_hard && vd->vdev_children == 0) {
5218                         metaslab_trace_add(zal, mg, NULL, psize, d,
5219                             TRACE_VDEV_ERROR, allocator);
5220                         goto next;
5221                 }
5222
5223                 ASSERT(mg->mg_class == mc);
5224
5225                 uint64_t asize = vdev_psize_to_asize(vd, psize);
5226                 ASSERT(P2PHASE(asize, 1ULL << vd->vdev_ashift) == 0);
5227
5228                 /*
5229                  * If we don't need to try hard, then require that the
5230                  * block be on a different metaslab from any other DVAs
5231                  * in this BP (unique=true).  If we are trying hard, then
5232                  * allow any metaslab to be used (unique=false).
5233                  */
5234                 uint64_t offset = metaslab_group_alloc(mg, zal, asize, txg,
5235                     !try_hard, dva, d, allocator, try_hard);
5236
5237                 if (offset != -1ULL) {
5238                         /*
5239                          * If we've just selected this metaslab group,
5240                          * figure out whether the corresponding vdev is
5241                          * over- or under-used relative to the pool,
5242                          * and set an allocation bias to even it out.
5243                          *
5244                          * Bias is also used to compensate for unequally
5245                          * sized vdevs so that space is allocated fairly.
5246                          */
5247                         if (mca->mca_aliquot == 0 && metaslab_bias_enabled) {
5248                                 vdev_stat_t *vs = &vd->vdev_stat;
5249                                 int64_t vs_free = vs->vs_space - vs->vs_alloc;
5250                                 int64_t mc_free = mc->mc_space - mc->mc_alloc;
5251                                 int64_t ratio;
5252
5253                                 /*
5254                                  * Calculate how much more or less we should
5255                                  * try to allocate from this device during
5256                                  * this iteration around the rotor.
5257                                  *
5258                                  * This basically introduces a zero-centered
5259                                  * bias towards the devices with the most
5260                                  * free space, while compensating for vdev
5261                                  * size differences.
5262                                  *
5263                                  * Examples:
5264                                  *  vdev V1 = 16M/128M
5265                                  *  vdev V2 = 16M/128M
5266                                  *  ratio(V1) = 100% ratio(V2) = 100%
5267                                  *
5268                                  *  vdev V1 = 16M/128M
5269                                  *  vdev V2 = 64M/128M
5270                                  *  ratio(V1) = 127% ratio(V2) =  72%
5271                                  *
5272                                  *  vdev V1 = 16M/128M
5273                                  *  vdev V2 = 64M/512M
5274                                  *  ratio(V1) =  40% ratio(V2) = 160%
5275                                  */
5276                                 ratio = (vs_free * mc->mc_alloc_groups * 100) /
5277                                     (mc_free + 1);
5278                                 mg->mg_bias = ((ratio - 100) *
5279                                     (int64_t)mg->mg_aliquot) / 100;
5280                         } else if (!metaslab_bias_enabled) {
5281                                 mg->mg_bias = 0;
5282                         }
5283
5284                         if ((flags & METASLAB_FASTWRITE) ||
5285                             atomic_add_64_nv(&mca->mca_aliquot, asize) >=
5286                             mg->mg_aliquot + mg->mg_bias) {
5287                                 mca->mca_rotor = mg->mg_next;
5288                                 mca->mca_aliquot = 0;
5289                         }
5290
5291                         DVA_SET_VDEV(&dva[d], vd->vdev_id);
5292                         DVA_SET_OFFSET(&dva[d], offset);
5293                         DVA_SET_GANG(&dva[d],
5294                             ((flags & METASLAB_GANG_HEADER) ? 1 : 0));
5295                         DVA_SET_ASIZE(&dva[d], asize);
5296
5297                         if (flags & METASLAB_FASTWRITE) {
5298                                 atomic_add_64(&vd->vdev_pending_fastwrite,
5299                                     psize);
5300                         }
5301
5302                         return (0);
5303                 }
5304 next:
5305                 mca->mca_rotor = mg->mg_next;
5306                 mca->mca_aliquot = 0;
5307         } while ((mg = mg->mg_next) != rotor);
5308
5309         /*
5310          * If we haven't tried hard, perhaps do so now.
5311          */
5312         if (!try_hard && (zfs_metaslab_try_hard_before_gang ||
5313             GANG_ALLOCATION(flags) || (flags & METASLAB_ZIL) != 0 ||
5314             psize <= 1 << spa->spa_min_ashift)) {
5315                 METASLABSTAT_BUMP(metaslabstat_try_hard);
5316                 try_hard = B_TRUE;
5317                 goto top;
5318         }
5319
5320         memset(&dva[d], 0, sizeof (dva_t));
5321
5322         metaslab_trace_add(zal, rotor, NULL, psize, d, TRACE_ENOSPC, allocator);
5323         return (SET_ERROR(ENOSPC));
5324 }
5325
5326 void
5327 metaslab_free_concrete(vdev_t *vd, uint64_t offset, uint64_t asize,
5328     boolean_t checkpoint)
5329 {
5330         metaslab_t *msp;
5331         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
5332
5333         ASSERT(vdev_is_concrete(vd));
5334         ASSERT3U(spa_config_held(spa, SCL_ALL, RW_READER), !=, 0);
5335         ASSERT3U(offset >> vd->vdev_ms_shift, <, vd->vdev_ms_count);
5336
5337         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
5338
5339         VERIFY(!msp->ms_condensing);
5340         VERIFY3U(offset, >=, msp->ms_start);
5341         VERIFY3U(offset + asize, <=, msp->ms_start + msp->ms_size);
5342         VERIFY0(P2PHASE(offset, 1ULL << vd->vdev_ashift));
5343         VERIFY0(P2PHASE(asize, 1ULL << vd->vdev_ashift));
5344
5345         metaslab_check_free_impl(vd, offset, asize);
5346
5347         mutex_enter(&msp->ms_lock);
5348         if (range_tree_is_empty(msp->ms_freeing) &&
5349             range_tree_is_empty(msp->ms_checkpointing)) {
5350                 vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, spa_syncing_txg(spa));
5351         }
5352
5353         if (checkpoint) {
5354                 ASSERT(spa_has_checkpoint(spa));
5355                 range_tree_add(msp->ms_checkpointing, offset, asize);
5356         } else {
5357                 range_tree_add(msp->ms_freeing, offset, asize);
5358         }
5359         mutex_exit(&msp->ms_lock);
5360 }
5361
5362 void
5363 metaslab_free_impl_cb(uint64_t inner_offset, vdev_t *vd, uint64_t offset,
5364     uint64_t size, void *arg)
5365 {
5366         (void) inner_offset;
5367         boolean_t *checkpoint = arg;
5368
5369         ASSERT3P(checkpoint, !=, NULL);
5370
5371         if (vd->vdev_ops->vdev_op_remap != NULL)
5372                 vdev_indirect_mark_obsolete(vd, offset, size);
5373         else
5374                 metaslab_free_impl(vd, offset, size, *checkpoint);
5375 }
5376
5377 static void
5378 metaslab_free_impl(vdev_t *vd, uint64_t offset, uint64_t size,
5379     boolean_t checkpoint)
5380 {
5381         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
5382
5383         ASSERT3U(spa_config_held(spa, SCL_ALL, RW_READER), !=, 0);
5384
5385         if (spa_syncing_txg(spa) > spa_freeze_txg(spa))
5386                 return;
5387
5388         if (spa->spa_vdev_removal != NULL &&
5389             spa->spa_vdev_removal->svr_vdev_id == vd->vdev_id &&
5390             vdev_is_concrete(vd)) {
5391                 /*
5392                  * Note: we check if the vdev is concrete because when
5393                  * we complete the removal, we first change the vdev to be
5394                  * an indirect vdev (in open context), and then (in syncing
5395                  * context) clear spa_vdev_removal.
5396                  */
5397                 free_from_removing_vdev(vd, offset, size);
5398         } else if (vd->vdev_ops->vdev_op_remap != NULL) {
5399                 vdev_indirect_mark_obsolete(vd, offset, size);
5400                 vd->vdev_ops->vdev_op_remap(vd, offset, size,
5401                     metaslab_free_impl_cb, &checkpoint);
5402         } else {
5403                 metaslab_free_concrete(vd, offset, size, checkpoint);
5404         }
5405 }
5406
5407 typedef struct remap_blkptr_cb_arg {
5408         blkptr_t *rbca_bp;
5409         spa_remap_cb_t rbca_cb;
5410         vdev_t *rbca_remap_vd;
5411         uint64_t rbca_remap_offset;
5412         void *rbca_cb_arg;
5413 } remap_blkptr_cb_arg_t;
5414
5415 static void
5416 remap_blkptr_cb(uint64_t inner_offset, vdev_t *vd, uint64_t offset,
5417     uint64_t size, void *arg)
5418 {
5419         remap_blkptr_cb_arg_t *rbca = arg;
5420         blkptr_t *bp = rbca->rbca_bp;
5421
5422         /* We can not remap split blocks. */
5423         if (size != DVA_GET_ASIZE(&bp->blk_dva[0]))
5424                 return;
5425         ASSERT0(inner_offset);
5426
5427         if (rbca->rbca_cb != NULL) {
5428                 /*
5429                  * At this point we know that we are not handling split
5430                  * blocks and we invoke the callback on the previous
5431                  * vdev which must be indirect.
5432                  */
5433                 ASSERT3P(rbca->rbca_remap_vd->vdev_ops, ==, &vdev_indirect_ops);
5434
5435                 rbca->rbca_cb(rbca->rbca_remap_vd->vdev_id,
5436                     rbca->rbca_remap_offset, size, rbca->rbca_cb_arg);
5437
5438                 /* set up remap_blkptr_cb_arg for the next call */
5439                 rbca->rbca_remap_vd = vd;
5440                 rbca->rbca_remap_offset = offset;
5441         }
5442
5443         /*
5444          * The phys birth time is that of dva[0].  This ensures that we know
5445          * when each dva was written, so that resilver can determine which
5446          * blocks need to be scrubbed (i.e. those written during the time
5447          * the vdev was offline).  It also ensures that the key used in
5448          * the ARC hash table is unique (i.e. dva[0] + phys_birth).  If
5449          * we didn't change the phys_birth, a lookup in the ARC for a
5450          * remapped BP could find the data that was previously stored at
5451          * this vdev + offset.
5452          */
5453         vdev_t *oldvd = vdev_lookup_top(vd->vdev_spa,
5454             DVA_GET_VDEV(&bp->blk_dva[0]));
5455         vdev_indirect_births_t *vib = oldvd->vdev_indirect_births;
5456         bp->blk_phys_birth = vdev_indirect_births_physbirth(vib,
5457             DVA_GET_OFFSET(&bp->blk_dva[0]), DVA_GET_ASIZE(&bp->blk_dva[0]));
5458
5459         DVA_SET_VDEV(&bp->blk_dva[0], vd->vdev_id);
5460         DVA_SET_OFFSET(&bp->blk_dva[0], offset);
5461 }
5462
5463 /*
5464  * If the block pointer contains any indirect DVAs, modify them to refer to
5465  * concrete DVAs.  Note that this will sometimes not be possible, leaving
5466  * the indirect DVA in place.  This happens if the indirect DVA spans multiple
5467  * segments in the mapping (i.e. it is a "split block").
5468  *
5469  * If the BP was remapped, calls the callback on the original dva (note the
5470  * callback can be called multiple times if the original indirect DVA refers
5471  * to another indirect DVA, etc).
5472  *
5473  * Returns TRUE if the BP was remapped.
5474  */
5475 boolean_t
5476 spa_remap_blkptr(spa_t *spa, blkptr_t *bp, spa_remap_cb_t callback, void *arg)
5477 {
5478         remap_blkptr_cb_arg_t rbca;
5479
5480         if (!zfs_remap_blkptr_enable)
5481                 return (B_FALSE);
5482
5483         if (!spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_OBSOLETE_COUNTS))
5484                 return (B_FALSE);
5485
5486         /*
5487          * Dedup BP's can not be remapped, because ddt_phys_select() depends
5488          * on DVA[0] being the same in the BP as in the DDT (dedup table).
5489          */
5490         if (BP_GET_DEDUP(bp))
5491                 return (B_FALSE);
5492
5493         /*
5494          * Gang blocks can not be remapped, because
5495          * zio_checksum_gang_verifier() depends on the DVA[0] that's in
5496          * the BP used to read the gang block header (GBH) being the same
5497          * as the DVA[0] that we allocated for the GBH.
5498          */
5499         if (BP_IS_GANG(bp))
5500                 return (B_FALSE);
5501
5502         /*
5503          * Embedded BP's have no DVA to remap.
5504          */
5505         if (BP_GET_NDVAS(bp) < 1)
5506                 return (B_FALSE);
5507
5508         /*
5509          * Note: we only remap dva[0].  If we remapped other dvas, we
5510          * would no longer know what their phys birth txg is.
5511          */
5512         dva_t *dva = &bp->blk_dva[0];
5513
5514         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
5515         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
5516         vdev_t *vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(dva));
5517
5518         if (vd->vdev_ops->vdev_op_remap == NULL)
5519                 return (B_FALSE);
5520
5521         rbca.rbca_bp = bp;
5522         rbca.rbca_cb = callback;
5523         rbca.rbca_remap_vd = vd;
5524         rbca.rbca_remap_offset = offset;
5525         rbca.rbca_cb_arg = arg;
5526
5527         /*
5528          * remap_blkptr_cb() will be called in order for each level of
5529          * indirection, until a concrete vdev is reached or a split block is
5530          * encountered. old_vd and old_offset are updated within the callback
5531          * as we go from the one indirect vdev to the next one (either concrete
5532          * or indirect again) in that order.
5533          */
5534         vd->vdev_ops->vdev_op_remap(vd, offset, size, remap_blkptr_cb, &rbca);
5535
5536         /* Check if the DVA wasn't remapped because it is a split block */
5537         if (DVA_GET_VDEV(&rbca.rbca_bp->blk_dva[0]) == vd->vdev_id)
5538                 return (B_FALSE);
5539
5540         return (B_TRUE);
5541 }
5542
5543 /*
5544  * Undo the allocation of a DVA which happened in the given transaction group.
5545  */
5546 void
5547 metaslab_unalloc_dva(spa_t *spa, const dva_t *dva, uint64_t txg)
5548 {
5549         metaslab_t *msp;
5550         vdev_t *vd;
5551         uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(dva);
5552         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
5553         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
5554
5555         ASSERT(DVA_IS_VALID(dva));
5556         ASSERT3U(spa_config_held(spa, SCL_ALL, RW_READER), !=, 0);
5557
5558         if (txg > spa_freeze_txg(spa))
5559                 return;
5560
5561         if ((vd = vdev_lookup_top(spa, vdev)) == NULL || !DVA_IS_VALID(dva) ||
5562             (offset >> vd->vdev_ms_shift) >= vd->vdev_ms_count) {
5563                 zfs_panic_recover("metaslab_free_dva(): bad DVA %llu:%llu:%llu",
5564                     (u_longlong_t)vdev, (u_longlong_t)offset,
5565                     (u_longlong_t)size);
5566                 return;
5567         }
5568
5569         ASSERT(!vd->vdev_removing);
5570         ASSERT(vdev_is_concrete(vd));
5571         ASSERT0(vd->vdev_indirect_config.vic_mapping_object);
5572         ASSERT3P(vd->vdev_indirect_mapping, ==, NULL);
5573
5574         if (DVA_GET_GANG(dva))
5575                 size = vdev_gang_header_asize(vd);
5576
5577         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
5578
5579         mutex_enter(&msp->ms_lock);
5580         range_tree_remove(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK],
5581             offset, size);
5582         msp->ms_allocating_total -= size;
5583
5584         VERIFY(!msp->ms_condensing);
5585         VERIFY3U(offset, >=, msp->ms_start);
5586         VERIFY3U(offset + size, <=, msp->ms_start + msp->ms_size);
5587         VERIFY3U(range_tree_space(msp->ms_allocatable) + size, <=,
5588             msp->ms_size);
5589         VERIFY0(P2PHASE(offset, 1ULL << vd->vdev_ashift));
5590         VERIFY0(P2PHASE(size, 1ULL << vd->vdev_ashift));
5591         range_tree_add(msp->ms_allocatable, offset, size);
5592         mutex_exit(&msp->ms_lock);
5593 }
5594
5595 /*
5596  * Free the block represented by the given DVA.
5597  */
5598 void
5599 metaslab_free_dva(spa_t *spa, const dva_t *dva, boolean_t checkpoint)
5600 {
5601         uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(dva);
5602         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
5603         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
5604         vdev_t *vd = vdev_lookup_top(spa, vdev);
5605
5606         ASSERT(DVA_IS_VALID(dva));
5607         ASSERT3U(spa_config_held(spa, SCL_ALL, RW_READER), !=, 0);
5608
5609         if (DVA_GET_GANG(dva)) {
5610                 size = vdev_gang_header_asize(vd);
5611         }
5612
5613         metaslab_free_impl(vd, offset, size, checkpoint);
5614 }
5615
5616 /*
5617  * Reserve some allocation slots. The reservation system must be called
5618  * before we call into the allocator. If there aren't any available slots
5619  * then the I/O will be throttled until an I/O completes and its slots are
5620  * freed up. The function returns true if it was successful in placing
5621  * the reservation.
5622  */
5623 boolean_t
5624 metaslab_class_throttle_reserve(metaslab_class_t *mc, int slots, int allocator,
5625     zio_t *zio, int flags)
5626 {
5627         metaslab_class_allocator_t *mca = &mc->mc_allocator[allocator];
5628         uint64_t max = mca->mca_alloc_max_slots;
5629
5630         ASSERT(mc->mc_alloc_throttle_enabled);
5631         if (GANG_ALLOCATION(flags) || (flags & METASLAB_MUST_RESERVE) ||
5632             zfs_refcount_count(&mca->mca_alloc_slots) + slots <= max) {
5633                 /*
5634                  * The potential race between _count() and _add() is covered
5635                  * by the allocator lock in most cases, or irrelevant due to
5636                  * GANG_ALLOCATION() or METASLAB_MUST_RESERVE set in others.
5637                  * But even if we assume some other non-existing scenario, the
5638                  * worst that can happen is few more I/Os get to allocation
5639                  * earlier, that is not a problem.
5640                  *
5641                  * We reserve the slots individually so that we can unreserve
5642                  * them individually when an I/O completes.
5643                  */
5644                 for (int d = 0; d < slots; d++)
5645                         zfs_refcount_add(&mca->mca_alloc_slots, zio);
5646                 zio->io_flags |= ZIO_FLAG_IO_ALLOCATING;
5647                 return (B_TRUE);
5648         }
5649         return (B_FALSE);
5650 }
5651
5652 void
5653 metaslab_class_throttle_unreserve(metaslab_class_t *mc, int slots,
5654     int allocator, zio_t *zio)
5655 {
5656         metaslab_class_allocator_t *mca = &mc->mc_allocator[allocator];
5657
5658         ASSERT(mc->mc_alloc_throttle_enabled);
5659         for (int d = 0; d < slots; d++)
5660                 zfs_refcount_remove(&mca->mca_alloc_slots, zio);
5661 }
5662
5663 static int
5664 metaslab_claim_concrete(vdev_t *vd, uint64_t offset, uint64_t size,
5665     uint64_t txg)
5666 {
5667         metaslab_t *msp;
5668         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
5669         int error = 0;
5670
5671         if (offset >> vd->vdev_ms_shift >= vd->vdev_ms_count)
5672                 return (SET_ERROR(ENXIO));
5673
5674         ASSERT3P(vd->vdev_ms, !=, NULL);
5675         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
5676
5677         mutex_enter(&msp->ms_lock);
5678
5679         if ((txg != 0 && spa_writeable(spa)) || !msp->ms_loaded) {
5680                 error = metaslab_activate(msp, 0, METASLAB_WEIGHT_CLAIM);
5681                 if (error == EBUSY) {
5682                         ASSERT(msp->ms_loaded);
5683                         ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
5684                         error = 0;
5685                 }
5686         }
5687
5688         if (error == 0 &&
5689             !range_tree_contains(msp->ms_allocatable, offset, size))
5690                 error = SET_ERROR(ENOENT);
5691
5692         if (error || txg == 0) {        /* txg == 0 indicates dry run */
5693                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
5694                 return (error);
5695         }
5696
5697         VERIFY(!msp->ms_condensing);
5698         VERIFY0(P2PHASE(offset, 1ULL << vd->vdev_ashift));
5699         VERIFY0(P2PHASE(size, 1ULL << vd->vdev_ashift));
5700         VERIFY3U(range_tree_space(msp->ms_allocatable) - size, <=,
5701             msp->ms_size);
5702         range_tree_remove(msp->ms_allocatable, offset, size);
5703         range_tree_clear(msp->ms_trim, offset, size);
5704
5705         if (spa_writeable(spa)) {       /* don't dirty if we're zdb(8) */
5706                 metaslab_class_t *mc = msp->ms_group->mg_class;
5707                 multilist_sublist_t *mls =
5708                     multilist_sublist_lock_obj(&mc->mc_metaslab_txg_list, msp);
5709                 if (!multilist_link_active(&msp->ms_class_txg_node)) {
5710                         msp->ms_selected_txg = txg;
5711                         multilist_sublist_insert_head(mls, msp);
5712                 }
5713                 multilist_sublist_unlock(mls);
5714
5715                 if (range_tree_is_empty(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK]))
5716                         vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
5717                 range_tree_add(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK],
5718                     offset, size);
5719                 msp->ms_allocating_total += size;
5720         }
5721
5722         mutex_exit(&msp->ms_lock);
5723
5724         return (0);
5725 }
5726
5727 typedef struct metaslab_claim_cb_arg_t {
5728         uint64_t        mcca_txg;
5729         int             mcca_error;
5730 } metaslab_claim_cb_arg_t;
5731
5732 static void
5733 metaslab_claim_impl_cb(uint64_t inner_offset, vdev_t *vd, uint64_t offset,
5734     uint64_t size, void *arg)
5735 {
5736         (void) inner_offset;
5737         metaslab_claim_cb_arg_t *mcca_arg = arg;
5738
5739         if (mcca_arg->mcca_error == 0) {
5740                 mcca_arg->mcca_error = metaslab_claim_concrete(vd, offset,
5741                     size, mcca_arg->mcca_txg);
5742         }
5743 }
5744
5745 int
5746 metaslab_claim_impl(vdev_t *vd, uint64_t offset, uint64_t size, uint64_t txg)
5747 {
5748         if (vd->vdev_ops->vdev_op_remap != NULL) {
5749                 metaslab_claim_cb_arg_t arg;
5750
5751                 /*
5752                  * Only zdb(8) can claim on indirect vdevs.  This is used
5753                  * to detect leaks of mapped space (that are not accounted
5754                  * for in the obsolete counts, spacemap, or bpobj).
5755                  */
5756                 ASSERT(!spa_writeable(vd->vdev_spa));
5757                 arg.mcca_error = 0;
5758                 arg.mcca_txg = txg;
5759
5760                 vd->vdev_ops->vdev_op_remap(vd, offset, size,
5761                     metaslab_claim_impl_cb, &arg);
5762
5763                 if (arg.mcca_error == 0) {
5764                         arg.mcca_error = metaslab_claim_concrete(vd,
5765                             offset, size, txg);
5766                 }
5767                 return (arg.mcca_error);
5768         } else {
5769                 return (metaslab_claim_concrete(vd, offset, size, txg));
5770         }
5771 }
5772
5773 /*
5774  * Intent log support: upon opening the pool after a crash, notify the SPA
5775  * of blocks that the intent log has allocated for immediate write, but
5776  * which are still considered free by the SPA because the last transaction
5777  * group didn't commit yet.
5778  */
5779 static int
5780 metaslab_claim_dva(spa_t *spa, const dva_t *dva, uint64_t txg)
5781 {
5782         uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(dva);
5783         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
5784         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
5785         vdev_t *vd;
5786
5787         if ((vd = vdev_lookup_top(spa, vdev)) == NULL) {
5788                 return (SET_ERROR(ENXIO));
5789         }
5790
5791         ASSERT(DVA_IS_VALID(dva));
5792
5793         if (DVA_GET_GANG(dva))
5794                 size = vdev_gang_header_asize(vd);
5795
5796         return (metaslab_claim_impl(vd, offset, size, txg));
5797 }
5798
5799 int
5800 metaslab_alloc(spa_t *spa, metaslab_class_t *mc, uint64_t psize, blkptr_t *bp,
5801     int ndvas, uint64_t txg, blkptr_t *hintbp, int flags,
5802     zio_alloc_list_t *zal, zio_t *zio, int allocator)
5803 {
5804         dva_t *dva = bp->blk_dva;
5805         dva_t *hintdva = (hintbp != NULL) ? hintbp->blk_dva : NULL;
5806         int error = 0;
5807
5808         ASSERT(bp->blk_birth == 0);
5809         ASSERT(BP_PHYSICAL_BIRTH(bp) == 0);
5810
5811         spa_config_enter(spa, SCL_ALLOC, FTAG, RW_READER);
5812
5813         if (mc->mc_allocator[allocator].mca_rotor == NULL) {
5814                 /* no vdevs in this class */
5815                 spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
5816                 return (SET_ERROR(ENOSPC));
5817         }
5818
5819         ASSERT(ndvas > 0 && ndvas <= spa_max_replication(spa));
5820         ASSERT(BP_GET_NDVAS(bp) == 0);
5821         ASSERT(hintbp == NULL || ndvas <= BP_GET_NDVAS(hintbp));
5822         ASSERT3P(zal, !=, NULL);
5823
5824         for (int d = 0; d < ndvas; d++) {
5825                 error = metaslab_alloc_dva(spa, mc, psize, dva, d, hintdva,
5826                     txg, flags, zal, allocator);
5827                 if (error != 0) {
5828                         for (d--; d >= 0; d--) {
5829                                 metaslab_unalloc_dva(spa, &dva[d], txg);
5830                                 metaslab_group_alloc_decrement(spa,
5831                                     DVA_GET_VDEV(&dva[d]), zio, flags,
5832                                     allocator, B_FALSE);
5833                                 memset(&dva[d], 0, sizeof (dva_t));
5834                         }
5835                         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
5836                         return (error);
5837                 } else {
5838                         /*
5839                          * Update the metaslab group's queue depth
5840                          * based on the newly allocated dva.
5841                          */
5842                         metaslab_group_alloc_increment(spa,
5843                             DVA_GET_VDEV(&dva[d]), zio, flags, allocator);
5844                 }
5845         }
5846         ASSERT(error == 0);
5847         ASSERT(BP_GET_NDVAS(bp) == ndvas);
5848
5849         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
5850
5851         BP_SET_BIRTH(bp, txg, 0);
5852
5853         return (0);
5854 }
5855
5856 void
5857 metaslab_free(spa_t *spa, const blkptr_t *bp, uint64_t txg, boolean_t now)
5858 {
5859         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
5860         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
5861
5862         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
5863         ASSERT(!now || bp->blk_birth >= spa_syncing_txg(spa));
5864
5865         /*
5866          * If we have a checkpoint for the pool we need to make sure that
5867          * the blocks that we free that are part of the checkpoint won't be
5868          * reused until the checkpoint is discarded or we revert to it.
5869          *
5870          * The checkpoint flag is passed down the metaslab_free code path
5871          * and is set whenever we want to add a block to the checkpoint's
5872          * accounting. That is, we "checkpoint" blocks that existed at the
5873          * time the checkpoint was created and are therefore referenced by
5874          * the checkpointed uberblock.
5875          *
5876          * Note that, we don't checkpoint any blocks if the current
5877          * syncing txg <= spa_checkpoint_txg. We want these frees to sync
5878          * normally as they will be referenced by the checkpointed uberblock.
5879          */
5880         boolean_t checkpoint = B_FALSE;
5881         if (bp->blk_birth <= spa->spa_checkpoint_txg &&
5882             spa_syncing_txg(spa) > spa->spa_checkpoint_txg) {
5883                 /*
5884                  * At this point, if the block is part of the checkpoint
5885                  * there is no way it was created in the current txg.
5886                  */
5887                 ASSERT(!now);
5888                 ASSERT3U(spa_syncing_txg(spa), ==, txg);
5889                 checkpoint = B_TRUE;
5890         }
5891
5892         spa_config_enter(spa, SCL_FREE, FTAG, RW_READER);
5893
5894         for (int d = 0; d < ndvas; d++) {
5895                 if (now) {
5896                         metaslab_unalloc_dva(spa, &dva[d], txg);
5897                 } else {
5898                         ASSERT3U(txg, ==, spa_syncing_txg(spa));
5899                         metaslab_free_dva(spa, &dva[d], checkpoint);
5900                 }
5901         }
5902
5903         spa_config_exit(spa, SCL_FREE, FTAG);
5904 }
5905
5906 int
5907 metaslab_claim(spa_t *spa, const blkptr_t *bp, uint64_t txg)
5908 {
5909         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
5910         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
5911         int error = 0;
5912
5913         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
5914
5915         if (txg != 0) {
5916                 /*
5917                  * First do a dry run to make sure all DVAs are claimable,
5918                  * so we don't have to unwind from partial failures below.
5919                  */
5920                 if ((error = metaslab_claim(spa, bp, 0)) != 0)
5921                         return (error);
5922         }
5923
5924         spa_config_enter(spa, SCL_ALLOC, FTAG, RW_READER);
5925
5926         for (int d = 0; d < ndvas; d++) {
5927                 error = metaslab_claim_dva(spa, &dva[d], txg);
5928                 if (error != 0)
5929                         break;
5930         }
5931
5932         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
5933
5934         ASSERT(error == 0 || txg == 0);
5935
5936         return (error);
5937 }
5938
5939 void
5940 metaslab_fastwrite_mark(spa_t *spa, const blkptr_t *bp)
5941 {
5942         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
5943         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
5944         uint64_t psize = BP_GET_PSIZE(bp);
5945         int d;
5946         vdev_t *vd;
5947
5948         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
5949         ASSERT(!BP_IS_EMBEDDED(bp));
5950         ASSERT(psize > 0);
5951
5952         spa_config_enter(spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
5953
5954         for (d = 0; d < ndvas; d++) {
5955                 if ((vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&dva[d]))) == NULL)
5956                         continue;
5957                 atomic_add_64(&vd->vdev_pending_fastwrite, psize);
5958         }
5959
5960         spa_config_exit(spa, SCL_VDEV, FTAG);
5961 }
5962
5963 void
5964 metaslab_fastwrite_unmark(spa_t *spa, const blkptr_t *bp)
5965 {
5966         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
5967         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
5968         uint64_t psize = BP_GET_PSIZE(bp);
5969         int d;
5970         vdev_t *vd;
5971
5972         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
5973         ASSERT(!BP_IS_EMBEDDED(bp));
5974         ASSERT(psize > 0);
5975
5976         spa_config_enter(spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
5977
5978         for (d = 0; d < ndvas; d++) {
5979                 if ((vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&dva[d]))) == NULL)
5980                         continue;
5981                 ASSERT3U(vd->vdev_pending_fastwrite, >=, psize);
5982                 atomic_sub_64(&vd->vdev_pending_fastwrite, psize);
5983         }
5984
5985         spa_config_exit(spa, SCL_VDEV, FTAG);
5986 }
5987
5988 static void
5989 metaslab_check_free_impl_cb(uint64_t inner, vdev_t *vd, uint64_t offset,
5990     uint64_t size, void *arg)
5991 {
5992         (void) inner, (void) arg;
5993
5994         if (vd->vdev_ops == &vdev_indirect_ops)
5995                 return;
5996
5997         metaslab_check_free_impl(vd, offset, size);
5998 }
5999
6000 static void
6001 metaslab_check_free_impl(vdev_t *vd, uint64_t offset, uint64_t size)
6002 {
6003         metaslab_t *msp;
6004         spa_t *spa __maybe_unused = vd->vdev_spa;
6005
6006         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_ZIO_FREE) == 0)
6007                 return;
6008
6009         if (vd->vdev_ops->vdev_op_remap != NULL) {
6010                 vd->vdev_ops->vdev_op_remap(vd, offset, size,
6011                     metaslab_check_free_impl_cb, NULL);
6012                 return;
6013         }
6014
6015         ASSERT(vdev_is_concrete(vd));
6016         ASSERT3U(offset >> vd->vdev_ms_shift, <, vd->vdev_ms_count);
6017         ASSERT3U(spa_config_held(spa, SCL_ALL, RW_READER), !=, 0);
6018
6019         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
6020
6021         mutex_enter(&msp->ms_lock);
6022         if (msp->ms_loaded) {
6023                 range_tree_verify_not_present(msp->ms_allocatable,
6024                     offset, size);
6025         }
6026
6027         /*
6028          * Check all segments that currently exist in the freeing pipeline.
6029          *
6030          * It would intuitively make sense to also check the current allocating
6031          * tree since metaslab_unalloc_dva() exists for extents that are
6032          * allocated and freed in the same sync pass within the same txg.
6033          * Unfortunately there are places (e.g. the ZIL) where we allocate a
6034          * segment but then we free part of it within the same txg
6035          * [see zil_sync()]. Thus, we don't call range_tree_verify() in the
6036          * current allocating tree.
6037          */
6038         range_tree_verify_not_present(msp->ms_freeing, offset, size);
6039         range_tree_verify_not_present(msp->ms_checkpointing, offset, size);
6040         range_tree_verify_not_present(msp->ms_freed, offset, size);
6041         for (int j = 0; j < TXG_DEFER_SIZE; j++)
6042                 range_tree_verify_not_present(msp->ms_defer[j], offset, size);
6043         range_tree_verify_not_present(msp->ms_trim, offset, size);
6044         mutex_exit(&msp->ms_lock);
6045 }
6046
6047 void
6048 metaslab_check_free(spa_t *spa, const blkptr_t *bp)
6049 {
6050         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_ZIO_FREE) == 0)
6051                 return;
6052
6053         spa_config_enter(spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
6054         for (int i = 0; i < BP_GET_NDVAS(bp); i++) {
6055                 uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(&bp->blk_dva[i]);
6056                 vdev_t *vd = vdev_lookup_top(spa, vdev);
6057                 uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(&bp->blk_dva[i]);
6058                 uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(&bp->blk_dva[i]);
6059
6060                 if (DVA_GET_GANG(&bp->blk_dva[i]))
6061                         size = vdev_gang_header_asize(vd);
6062
6063                 ASSERT3P(vd, !=, NULL);
6064
6065                 metaslab_check_free_impl(vd, offset, size);
6066         }
6067         spa_config_exit(spa, SCL_VDEV, FTAG);
6068 }
6069
6070 static void
6071 metaslab_group_disable_wait(metaslab_group_t *mg)
6072 {
6073         ASSERT(MUTEX_HELD(&mg->mg_ms_disabled_lock));
6074         while (mg->mg_disabled_updating) {
6075                 cv_wait(&mg->mg_ms_disabled_cv, &mg->mg_ms_disabled_lock);
6076         }
6077 }
6078
6079 static void
6080 metaslab_group_disabled_increment(metaslab_group_t *mg)
6081 {
6082         ASSERT(MUTEX_HELD(&mg->mg_ms_disabled_lock));
6083         ASSERT(mg->mg_disabled_updating);
6084
6085         while (mg->mg_ms_disabled >= max_disabled_ms) {
6086                 cv_wait(&mg->mg_ms_disabled_cv, &mg->mg_ms_disabled_lock);
6087         }
6088         mg->mg_ms_disabled++;
6089         ASSERT3U(mg->mg_ms_disabled, <=, max_disabled_ms);
6090 }
6091
6092 /*
6093  * Mark the metaslab as disabled to prevent any allocations on this metaslab.
6094  * We must also track how many metaslabs are currently disabled within a
6095  * metaslab group and limit them to prevent allocation failures from
6096  * occurring because all metaslabs are disabled.
6097  */
6098 void
6099 metaslab_disable(metaslab_t *msp)
6100 {
6101         ASSERT(!MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
6102         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
6103
6104         mutex_enter(&mg->mg_ms_disabled_lock);
6105
6106         /*
6107          * To keep an accurate count of how many threads have disabled
6108          * a specific metaslab group, we only allow one thread to mark
6109          * the metaslab group at a time. This ensures that the value of
6110          * ms_disabled will be accurate when we decide to mark a metaslab
6111          * group as disabled. To do this we force all other threads
6112          * to wait till the metaslab's mg_disabled_updating flag is no
6113          * longer set.
6114          */
6115         metaslab_group_disable_wait(mg);
6116         mg->mg_disabled_updating = B_TRUE;
6117         if (msp->ms_disabled == 0) {
6118                 metaslab_group_disabled_increment(mg);
6119         }
6120         mutex_enter(&msp->ms_lock);
6121         msp->ms_disabled++;
6122         mutex_exit(&msp->ms_lock);
6123
6124         mg->mg_disabled_updating = B_FALSE;
6125         cv_broadcast(&mg->mg_ms_disabled_cv);
6126         mutex_exit(&mg->mg_ms_disabled_lock);
6127 }
6128
6129 void
6130 metaslab_enable(metaslab_t *msp, boolean_t sync, boolean_t unload)
6131 {
6132         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
6133         spa_t *spa = mg->mg_vd->vdev_spa;
6134
6135         /*
6136          * Wait for the outstanding IO to be synced to prevent newly
6137          * allocated blocks from being overwritten.  This used by
6138          * initialize and TRIM which are modifying unallocated space.
6139          */
6140         if (sync)
6141                 txg_wait_synced(spa_get_dsl(spa), 0);
6142
6143         mutex_enter(&mg->mg_ms_disabled_lock);
6144         mutex_enter(&msp->ms_lock);
6145         if (--msp->ms_disabled == 0) {
6146                 mg->mg_ms_disabled--;
6147                 cv_broadcast(&mg->mg_ms_disabled_cv);
6148                 if (unload)
6149                         metaslab_unload(msp);
6150         }
6151         mutex_exit(&msp->ms_lock);
6152         mutex_exit(&mg->mg_ms_disabled_lock);
6153 }
6154
6155 void
6156 metaslab_set_unflushed_dirty(metaslab_t *ms, boolean_t dirty)
6157 {
6158         ms->ms_unflushed_dirty = dirty;
6159 }
6160
6161 static void
6162 metaslab_update_ondisk_flush_data(metaslab_t *ms, dmu_tx_t *tx)
6163 {
6164         vdev_t *vd = ms->ms_group->mg_vd;
6165         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
6166         objset_t *mos = spa_meta_objset(spa);
6167
6168         ASSERT(spa_feature_is_active(spa, SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP));
6169
6170         metaslab_unflushed_phys_t entry = {
6171                 .msp_unflushed_txg = metaslab_unflushed_txg(ms),
6172         };
6173         uint64_t entry_size = sizeof (entry);
6174         uint64_t entry_offset = ms->ms_id * entry_size;
6175
6176         uint64_t object = 0;
6177         int err = zap_lookup(mos, vd->vdev_top_zap,
6178             VDEV_TOP_ZAP_MS_UNFLUSHED_PHYS_TXGS, sizeof (uint64_t), 1,
6179             &object);
6180         if (err == ENOENT) {
6181                 object = dmu_object_alloc(mos, DMU_OTN_UINT64_METADATA,
6182                     SPA_OLD_MAXBLOCKSIZE, DMU_OT_NONE, 0, tx);
6183                 VERIFY0(zap_add(mos, vd->vdev_top_zap,
6184                     VDEV_TOP_ZAP_MS_UNFLUSHED_PHYS_TXGS, sizeof (uint64_t), 1,
6185                     &object, tx));
6186         } else {
6187                 VERIFY0(err);
6188         }
6189
6190         dmu_write(spa_meta_objset(spa), object, entry_offset, entry_size,
6191             &entry, tx);
6192 }
6193
6194 void
6195 metaslab_set_unflushed_txg(metaslab_t *ms, uint64_t txg, dmu_tx_t *tx)
6196 {
6197         ms->ms_unflushed_txg = txg;
6198         metaslab_update_ondisk_flush_data(ms, tx);
6199 }
6200
6201 boolean_t
6202 metaslab_unflushed_dirty(metaslab_t *ms)
6203 {
6204         return (ms->ms_unflushed_dirty);
6205 }
6206
6207 uint64_t
6208 metaslab_unflushed_txg(metaslab_t *ms)
6209 {
6210         return (ms->ms_unflushed_txg);
6211 }
6212
6213 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, aliquot, U64, ZMOD_RW,
6214         "Allocation granularity (a.k.a. stripe size)");
6215
6216 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, debug_load, INT, ZMOD_RW,
6217         "Load all metaslabs when pool is first opened");
6218
6219 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, debug_unload, INT, ZMOD_RW,
6220         "Prevent metaslabs from being unloaded");
6221
6222 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, preload_enabled, INT, ZMOD_RW,
6223         "Preload potential metaslabs during reassessment");
6224
6225 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, unload_delay, UINT, ZMOD_RW,
6226         "Delay in txgs after metaslab was last used before unloading");
6227
6228 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, unload_delay_ms, UINT, ZMOD_RW,
6229         "Delay in milliseconds after metaslab was last used before unloading");
6230
6231 /* BEGIN CSTYLED */
6232 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_mg, zfs_mg_, noalloc_threshold, UINT, ZMOD_RW,
6233         "Percentage of metaslab group size that should be free to make it "
6234         "eligible for allocation");
6235
6236 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_mg, zfs_mg_, fragmentation_threshold, UINT, ZMOD_RW,
6237         "Percentage of metaslab group size that should be considered eligible "
6238         "for allocations unless all metaslab groups within the metaslab class "
6239         "have also crossed this threshold");
6240
6241 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, fragmentation_factor_enabled, INT,
6242         ZMOD_RW,
6243         "Use the fragmentation metric to prefer less fragmented metaslabs");
6244 /* END CSTYLED */
6245
6246 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, zfs_metaslab_, fragmentation_threshold, UINT,
6247         ZMOD_RW, "Fragmentation for metaslab to allow allocation");
6248
6249 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, lba_weighting_enabled, INT, ZMOD_RW,
6250         "Prefer metaslabs with lower LBAs");
6251
6252 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, bias_enabled, INT, ZMOD_RW,
6253         "Enable metaslab group biasing");
6254
6255 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, zfs_metaslab_, segment_weight_enabled, INT,
6256         ZMOD_RW, "Enable segment-based metaslab selection");
6257
6258 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, zfs_metaslab_, switch_threshold, INT, ZMOD_RW,
6259         "Segment-based metaslab selection maximum buckets before switching");
6260
6261 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, force_ganging, U64, ZMOD_RW,
6262         "Blocks larger than this size are forced to be gang blocks");
6263
6264 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, df_max_search, UINT, ZMOD_RW,
6265         "Max distance (bytes) to search forward before using size tree");
6266
6267 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, df_use_largest_segment, INT, ZMOD_RW,
6268         "When looking in size tree, use largest segment instead of exact fit");
6269
6270 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, zfs_metaslab_, max_size_cache_sec, U64,
6271         ZMOD_RW, "How long to trust the cached max chunk size of a metaslab");
6272
6273 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, zfs_metaslab_, mem_limit, UINT, ZMOD_RW,
6274         "Percentage of memory that can be used to store metaslab range trees");
6275
6276 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, zfs_metaslab_, try_hard_before_gang, INT,
6277         ZMOD_RW, "Try hard to allocate before ganging");
6278
6279 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, zfs_metaslab_, find_max_tries, UINT, ZMOD_RW,
6280         "Normally only consider this many of the best metaslabs in each vdev");