]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - sys/contrib/openzfs/module/zfs/metaslab.c
ssh: Update to OpenSSH 9.4p1
[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 __attribute__((always_inline)) inline
1346 static int
1347 metaslab_rangesize32_compare(const void *x1, const void *x2)
1348 {
1349         const range_seg32_t *r1 = x1;
1350         const range_seg32_t *r2 = x2;
1351
1352         uint64_t rs_size1 = r1->rs_end - r1->rs_start;
1353         uint64_t rs_size2 = r2->rs_end - r2->rs_start;
1354
1355         int cmp = TREE_CMP(rs_size1, rs_size2);
1356
1357         return (cmp + !cmp * TREE_CMP(r1->rs_start, r2->rs_start));
1358 }
1359
1360 /*
1361  * Comparison function for the private size-ordered tree using 64-bit
1362  * ranges. Tree is sorted by size, larger sizes at the end of the tree.
1363  */
1364 __attribute__((always_inline)) inline
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
1376         return (cmp + !cmp * TREE_CMP(r1->rs_start, r2->rs_start));
1377 }
1378
1379 typedef struct metaslab_rt_arg {
1380         zfs_btree_t *mra_bt;
1381         uint32_t mra_floor_shift;
1382 } metaslab_rt_arg_t;
1383
1384 struct mssa_arg {
1385         range_tree_t *rt;
1386         metaslab_rt_arg_t *mra;
1387 };
1388
1389 static void
1390 metaslab_size_sorted_add(void *arg, uint64_t start, uint64_t size)
1391 {
1392         struct mssa_arg *mssap = arg;
1393         range_tree_t *rt = mssap->rt;
1394         metaslab_rt_arg_t *mrap = mssap->mra;
1395         range_seg_max_t seg = {0};
1396         rs_set_start(&seg, rt, start);
1397         rs_set_end(&seg, rt, start + size);
1398         metaslab_rt_add(rt, &seg, mrap);
1399 }
1400
1401 static void
1402 metaslab_size_tree_full_load(range_tree_t *rt)
1403 {
1404         metaslab_rt_arg_t *mrap = rt->rt_arg;
1405         METASLABSTAT_BUMP(metaslabstat_reload_tree);
1406         ASSERT0(zfs_btree_numnodes(mrap->mra_bt));
1407         mrap->mra_floor_shift = 0;
1408         struct mssa_arg arg = {0};
1409         arg.rt = rt;
1410         arg.mra = mrap;
1411         range_tree_walk(rt, metaslab_size_sorted_add, &arg);
1412 }
1413
1414
1415 ZFS_BTREE_FIND_IN_BUF_FUNC(metaslab_rt_find_rangesize32_in_buf,
1416     range_seg32_t, metaslab_rangesize32_compare)
1417
1418 ZFS_BTREE_FIND_IN_BUF_FUNC(metaslab_rt_find_rangesize64_in_buf,
1419     range_seg64_t, metaslab_rangesize64_compare)
1420
1421 /*
1422  * Create any block allocator specific components. The current allocators
1423  * rely on using both a size-ordered range_tree_t and an array of uint64_t's.
1424  */
1425 static void
1426 metaslab_rt_create(range_tree_t *rt, void *arg)
1427 {
1428         metaslab_rt_arg_t *mrap = arg;
1429         zfs_btree_t *size_tree = mrap->mra_bt;
1430
1431         size_t size;
1432         int (*compare) (const void *, const void *);
1433         bt_find_in_buf_f bt_find;
1434         switch (rt->rt_type) {
1435         case RANGE_SEG32:
1436                 size = sizeof (range_seg32_t);
1437                 compare = metaslab_rangesize32_compare;
1438                 bt_find = metaslab_rt_find_rangesize32_in_buf;
1439                 break;
1440         case RANGE_SEG64:
1441                 size = sizeof (range_seg64_t);
1442                 compare = metaslab_rangesize64_compare;
1443                 bt_find = metaslab_rt_find_rangesize64_in_buf;
1444                 break;
1445         default:
1446                 panic("Invalid range seg type %d", rt->rt_type);
1447         }
1448         zfs_btree_create(size_tree, compare, bt_find, size);
1449         mrap->mra_floor_shift = metaslab_by_size_min_shift;
1450 }
1451
1452 static void
1453 metaslab_rt_destroy(range_tree_t *rt, void *arg)
1454 {
1455         (void) rt;
1456         metaslab_rt_arg_t *mrap = arg;
1457         zfs_btree_t *size_tree = mrap->mra_bt;
1458
1459         zfs_btree_destroy(size_tree);
1460         kmem_free(mrap, sizeof (*mrap));
1461 }
1462
1463 static void
1464 metaslab_rt_add(range_tree_t *rt, range_seg_t *rs, void *arg)
1465 {
1466         metaslab_rt_arg_t *mrap = arg;
1467         zfs_btree_t *size_tree = mrap->mra_bt;
1468
1469         if (rs_get_end(rs, rt) - rs_get_start(rs, rt) <
1470             (1ULL << mrap->mra_floor_shift))
1471                 return;
1472
1473         zfs_btree_add(size_tree, rs);
1474 }
1475
1476 static void
1477 metaslab_rt_remove(range_tree_t *rt, range_seg_t *rs, void *arg)
1478 {
1479         metaslab_rt_arg_t *mrap = arg;
1480         zfs_btree_t *size_tree = mrap->mra_bt;
1481
1482         if (rs_get_end(rs, rt) - rs_get_start(rs, rt) < (1ULL <<
1483             mrap->mra_floor_shift))
1484                 return;
1485
1486         zfs_btree_remove(size_tree, rs);
1487 }
1488
1489 static void
1490 metaslab_rt_vacate(range_tree_t *rt, void *arg)
1491 {
1492         metaslab_rt_arg_t *mrap = arg;
1493         zfs_btree_t *size_tree = mrap->mra_bt;
1494         zfs_btree_clear(size_tree);
1495         zfs_btree_destroy(size_tree);
1496
1497         metaslab_rt_create(rt, arg);
1498 }
1499
1500 static const range_tree_ops_t metaslab_rt_ops = {
1501         .rtop_create = metaslab_rt_create,
1502         .rtop_destroy = metaslab_rt_destroy,
1503         .rtop_add = metaslab_rt_add,
1504         .rtop_remove = metaslab_rt_remove,
1505         .rtop_vacate = metaslab_rt_vacate
1506 };
1507
1508 /*
1509  * ==========================================================================
1510  * Common allocator routines
1511  * ==========================================================================
1512  */
1513
1514 /*
1515  * Return the maximum contiguous segment within the metaslab.
1516  */
1517 uint64_t
1518 metaslab_largest_allocatable(metaslab_t *msp)
1519 {
1520         zfs_btree_t *t = &msp->ms_allocatable_by_size;
1521         range_seg_t *rs;
1522
1523         if (t == NULL)
1524                 return (0);
1525         if (zfs_btree_numnodes(t) == 0)
1526                 metaslab_size_tree_full_load(msp->ms_allocatable);
1527
1528         rs = zfs_btree_last(t, NULL);
1529         if (rs == NULL)
1530                 return (0);
1531
1532         return (rs_get_end(rs, msp->ms_allocatable) - rs_get_start(rs,
1533             msp->ms_allocatable));
1534 }
1535
1536 /*
1537  * Return the maximum contiguous segment within the unflushed frees of this
1538  * metaslab.
1539  */
1540 static uint64_t
1541 metaslab_largest_unflushed_free(metaslab_t *msp)
1542 {
1543         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1544
1545         if (msp->ms_unflushed_frees == NULL)
1546                 return (0);
1547
1548         if (zfs_btree_numnodes(&msp->ms_unflushed_frees_by_size) == 0)
1549                 metaslab_size_tree_full_load(msp->ms_unflushed_frees);
1550         range_seg_t *rs = zfs_btree_last(&msp->ms_unflushed_frees_by_size,
1551             NULL);
1552         if (rs == NULL)
1553                 return (0);
1554
1555         /*
1556          * When a range is freed from the metaslab, that range is added to
1557          * both the unflushed frees and the deferred frees. While the block
1558          * will eventually be usable, if the metaslab were loaded the range
1559          * would not be added to the ms_allocatable tree until TXG_DEFER_SIZE
1560          * txgs had passed.  As a result, when attempting to estimate an upper
1561          * bound for the largest currently-usable free segment in the
1562          * metaslab, we need to not consider any ranges currently in the defer
1563          * trees. This algorithm approximates the largest available chunk in
1564          * the largest range in the unflushed_frees tree by taking the first
1565          * chunk.  While this may be a poor estimate, it should only remain so
1566          * briefly and should eventually self-correct as frees are no longer
1567          * deferred. Similar logic applies to the ms_freed tree. See
1568          * metaslab_load() for more details.
1569          *
1570          * There are two primary sources of inaccuracy in this estimate. Both
1571          * are tolerated for performance reasons. The first source is that we
1572          * only check the largest segment for overlaps. Smaller segments may
1573          * have more favorable overlaps with the other trees, resulting in
1574          * larger usable chunks.  Second, we only look at the first chunk in
1575          * the largest segment; there may be other usable chunks in the
1576          * largest segment, but we ignore them.
1577          */
1578         uint64_t rstart = rs_get_start(rs, msp->ms_unflushed_frees);
1579         uint64_t rsize = rs_get_end(rs, msp->ms_unflushed_frees) - rstart;
1580         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
1581                 uint64_t start = 0;
1582                 uint64_t size = 0;
1583                 boolean_t found = range_tree_find_in(msp->ms_defer[t], rstart,
1584                     rsize, &start, &size);
1585                 if (found) {
1586                         if (rstart == start)
1587                                 return (0);
1588                         rsize = start - rstart;
1589                 }
1590         }
1591
1592         uint64_t start = 0;
1593         uint64_t size = 0;
1594         boolean_t found = range_tree_find_in(msp->ms_freed, rstart,
1595             rsize, &start, &size);
1596         if (found)
1597                 rsize = start - rstart;
1598
1599         return (rsize);
1600 }
1601
1602 static range_seg_t *
1603 metaslab_block_find(zfs_btree_t *t, range_tree_t *rt, uint64_t start,
1604     uint64_t size, zfs_btree_index_t *where)
1605 {
1606         range_seg_t *rs;
1607         range_seg_max_t rsearch;
1608
1609         rs_set_start(&rsearch, rt, start);
1610         rs_set_end(&rsearch, rt, start + size);
1611
1612         rs = zfs_btree_find(t, &rsearch, where);
1613         if (rs == NULL) {
1614                 rs = zfs_btree_next(t, where, where);
1615         }
1616
1617         return (rs);
1618 }
1619
1620 #if defined(WITH_DF_BLOCK_ALLOCATOR) || \
1621     defined(WITH_CF_BLOCK_ALLOCATOR)
1622
1623 /*
1624  * This is a helper function that can be used by the allocator to find a
1625  * suitable block to allocate. This will search the specified B-tree looking
1626  * for a block that matches the specified criteria.
1627  */
1628 static uint64_t
1629 metaslab_block_picker(range_tree_t *rt, uint64_t *cursor, uint64_t size,
1630     uint64_t max_search)
1631 {
1632         if (*cursor == 0)
1633                 *cursor = rt->rt_start;
1634         zfs_btree_t *bt = &rt->rt_root;
1635         zfs_btree_index_t where;
1636         range_seg_t *rs = metaslab_block_find(bt, rt, *cursor, size, &where);
1637         uint64_t first_found;
1638         int count_searched = 0;
1639
1640         if (rs != NULL)
1641                 first_found = rs_get_start(rs, rt);
1642
1643         while (rs != NULL && (rs_get_start(rs, rt) - first_found <=
1644             max_search || count_searched < metaslab_min_search_count)) {
1645                 uint64_t offset = rs_get_start(rs, rt);
1646                 if (offset + size <= rs_get_end(rs, rt)) {
1647                         *cursor = offset + size;
1648                         return (offset);
1649                 }
1650                 rs = zfs_btree_next(bt, &where, &where);
1651                 count_searched++;
1652         }
1653
1654         *cursor = 0;
1655         return (-1ULL);
1656 }
1657 #endif /* WITH_DF/CF_BLOCK_ALLOCATOR */
1658
1659 #if defined(WITH_DF_BLOCK_ALLOCATOR)
1660 /*
1661  * ==========================================================================
1662  * Dynamic Fit (df) block allocator
1663  *
1664  * Search for a free chunk of at least this size, starting from the last
1665  * offset (for this alignment of block) looking for up to
1666  * metaslab_df_max_search bytes (16MB).  If a large enough free chunk is not
1667  * found within 16MB, then return a free chunk of exactly the requested size (or
1668  * larger).
1669  *
1670  * If it seems like searching from the last offset will be unproductive, skip
1671  * that and just return a free chunk of exactly the requested size (or larger).
1672  * This is based on metaslab_df_alloc_threshold and metaslab_df_free_pct.  This
1673  * mechanism is probably not very useful and may be removed in the future.
1674  *
1675  * The behavior when not searching can be changed to return the largest free
1676  * chunk, instead of a free chunk of exactly the requested size, by setting
1677  * metaslab_df_use_largest_segment.
1678  * ==========================================================================
1679  */
1680 static uint64_t
1681 metaslab_df_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1682 {
1683         /*
1684          * Find the largest power of 2 block size that evenly divides the
1685          * requested size. This is used to try to allocate blocks with similar
1686          * alignment from the same area of the metaslab (i.e. same cursor
1687          * bucket) but it does not guarantee that other allocations sizes
1688          * may exist in the same region.
1689          */
1690         uint64_t align = size & -size;
1691         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[highbit64(align) - 1];
1692         range_tree_t *rt = msp->ms_allocatable;
1693         uint_t free_pct = range_tree_space(rt) * 100 / msp->ms_size;
1694         uint64_t offset;
1695
1696         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1697
1698         /*
1699          * If we're running low on space, find a segment based on size,
1700          * rather than iterating based on offset.
1701          */
1702         if (metaslab_largest_allocatable(msp) < metaslab_df_alloc_threshold ||
1703             free_pct < metaslab_df_free_pct) {
1704                 offset = -1;
1705         } else {
1706                 offset = metaslab_block_picker(rt,
1707                     cursor, size, metaslab_df_max_search);
1708         }
1709
1710         if (offset == -1) {
1711                 range_seg_t *rs;
1712                 if (zfs_btree_numnodes(&msp->ms_allocatable_by_size) == 0)
1713                         metaslab_size_tree_full_load(msp->ms_allocatable);
1714
1715                 if (metaslab_df_use_largest_segment) {
1716                         /* use largest free segment */
1717                         rs = zfs_btree_last(&msp->ms_allocatable_by_size, NULL);
1718                 } else {
1719                         zfs_btree_index_t where;
1720                         /* use segment of this size, or next largest */
1721                         rs = metaslab_block_find(&msp->ms_allocatable_by_size,
1722                             rt, msp->ms_start, size, &where);
1723                 }
1724                 if (rs != NULL && rs_get_start(rs, rt) + size <= rs_get_end(rs,
1725                     rt)) {
1726                         offset = rs_get_start(rs, rt);
1727                         *cursor = offset + size;
1728                 }
1729         }
1730
1731         return (offset);
1732 }
1733
1734 const metaslab_ops_t zfs_metaslab_ops = {
1735         metaslab_df_alloc
1736 };
1737 #endif /* WITH_DF_BLOCK_ALLOCATOR */
1738
1739 #if defined(WITH_CF_BLOCK_ALLOCATOR)
1740 /*
1741  * ==========================================================================
1742  * Cursor fit block allocator -
1743  * Select the largest region in the metaslab, set the cursor to the beginning
1744  * of the range and the cursor_end to the end of the range. As allocations
1745  * are made advance the cursor. Continue allocating from the cursor until
1746  * the range is exhausted and then find a new range.
1747  * ==========================================================================
1748  */
1749 static uint64_t
1750 metaslab_cf_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1751 {
1752         range_tree_t *rt = msp->ms_allocatable;
1753         zfs_btree_t *t = &msp->ms_allocatable_by_size;
1754         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[0];
1755         uint64_t *cursor_end = &msp->ms_lbas[1];
1756         uint64_t offset = 0;
1757
1758         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1759
1760         ASSERT3U(*cursor_end, >=, *cursor);
1761
1762         if ((*cursor + size) > *cursor_end) {
1763                 range_seg_t *rs;
1764
1765                 if (zfs_btree_numnodes(t) == 0)
1766                         metaslab_size_tree_full_load(msp->ms_allocatable);
1767                 rs = zfs_btree_last(t, NULL);
1768                 if (rs == NULL || (rs_get_end(rs, rt) - rs_get_start(rs, rt)) <
1769                     size)
1770                         return (-1ULL);
1771
1772                 *cursor = rs_get_start(rs, rt);
1773                 *cursor_end = rs_get_end(rs, rt);
1774         }
1775
1776         offset = *cursor;
1777         *cursor += size;
1778
1779         return (offset);
1780 }
1781
1782 const metaslab_ops_t zfs_metaslab_ops = {
1783         metaslab_cf_alloc
1784 };
1785 #endif /* WITH_CF_BLOCK_ALLOCATOR */
1786
1787 #if defined(WITH_NDF_BLOCK_ALLOCATOR)
1788 /*
1789  * ==========================================================================
1790  * New dynamic fit allocator -
1791  * Select a region that is large enough to allocate 2^metaslab_ndf_clump_shift
1792  * contiguous blocks. If no region is found then just use the largest segment
1793  * that remains.
1794  * ==========================================================================
1795  */
1796
1797 /*
1798  * Determines desired number of contiguous blocks (2^metaslab_ndf_clump_shift)
1799  * to request from the allocator.
1800  */
1801 uint64_t metaslab_ndf_clump_shift = 4;
1802
1803 static uint64_t
1804 metaslab_ndf_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1805 {
1806         zfs_btree_t *t = &msp->ms_allocatable->rt_root;
1807         range_tree_t *rt = msp->ms_allocatable;
1808         zfs_btree_index_t where;
1809         range_seg_t *rs;
1810         range_seg_max_t rsearch;
1811         uint64_t hbit = highbit64(size);
1812         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[hbit - 1];
1813         uint64_t max_size = metaslab_largest_allocatable(msp);
1814
1815         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1816
1817         if (max_size < size)
1818                 return (-1ULL);
1819
1820         rs_set_start(&rsearch, rt, *cursor);
1821         rs_set_end(&rsearch, rt, *cursor + size);
1822
1823         rs = zfs_btree_find(t, &rsearch, &where);
1824         if (rs == NULL || (rs_get_end(rs, rt) - rs_get_start(rs, rt)) < size) {
1825                 t = &msp->ms_allocatable_by_size;
1826
1827                 rs_set_start(&rsearch, rt, 0);
1828                 rs_set_end(&rsearch, rt, MIN(max_size, 1ULL << (hbit +
1829                     metaslab_ndf_clump_shift)));
1830
1831                 rs = zfs_btree_find(t, &rsearch, &where);
1832                 if (rs == NULL)
1833                         rs = zfs_btree_next(t, &where, &where);
1834                 ASSERT(rs != NULL);
1835         }
1836
1837         if ((rs_get_end(rs, rt) - rs_get_start(rs, rt)) >= size) {
1838                 *cursor = rs_get_start(rs, rt) + size;
1839                 return (rs_get_start(rs, rt));
1840         }
1841         return (-1ULL);
1842 }
1843
1844 const metaslab_ops_t zfs_metaslab_ops = {
1845         metaslab_ndf_alloc
1846 };
1847 #endif /* WITH_NDF_BLOCK_ALLOCATOR */
1848
1849
1850 /*
1851  * ==========================================================================
1852  * Metaslabs
1853  * ==========================================================================
1854  */
1855
1856 /*
1857  * Wait for any in-progress metaslab loads to complete.
1858  */
1859 static void
1860 metaslab_load_wait(metaslab_t *msp)
1861 {
1862         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1863
1864         while (msp->ms_loading) {
1865                 ASSERT(!msp->ms_loaded);
1866                 cv_wait(&msp->ms_load_cv, &msp->ms_lock);
1867         }
1868 }
1869
1870 /*
1871  * Wait for any in-progress flushing to complete.
1872  */
1873 static void
1874 metaslab_flush_wait(metaslab_t *msp)
1875 {
1876         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1877
1878         while (msp->ms_flushing)
1879                 cv_wait(&msp->ms_flush_cv, &msp->ms_lock);
1880 }
1881
1882 static unsigned int
1883 metaslab_idx_func(multilist_t *ml, void *arg)
1884 {
1885         metaslab_t *msp = arg;
1886
1887         /*
1888          * ms_id values are allocated sequentially, so full 64bit
1889          * division would be a waste of time, so limit it to 32 bits.
1890          */
1891         return ((unsigned int)msp->ms_id % multilist_get_num_sublists(ml));
1892 }
1893
1894 uint64_t
1895 metaslab_allocated_space(metaslab_t *msp)
1896 {
1897         return (msp->ms_allocated_space);
1898 }
1899
1900 /*
1901  * Verify that the space accounting on disk matches the in-core range_trees.
1902  */
1903 static void
1904 metaslab_verify_space(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
1905 {
1906         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
1907         uint64_t allocating = 0;
1908         uint64_t sm_free_space, msp_free_space;
1909
1910         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1911         ASSERT(!msp->ms_condensing);
1912
1913         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_METASLAB_VERIFY) == 0)
1914                 return;
1915
1916         /*
1917          * We can only verify the metaslab space when we're called
1918          * from syncing context with a loaded metaslab that has an
1919          * allocated space map. Calling this in non-syncing context
1920          * does not provide a consistent view of the metaslab since
1921          * we're performing allocations in the future.
1922          */
1923         if (txg != spa_syncing_txg(spa) || msp->ms_sm == NULL ||
1924             !msp->ms_loaded)
1925                 return;
1926
1927         /*
1928          * Even though the smp_alloc field can get negative,
1929          * when it comes to a metaslab's space map, that should
1930          * never be the case.
1931          */
1932         ASSERT3S(space_map_allocated(msp->ms_sm), >=, 0);
1933
1934         ASSERT3U(space_map_allocated(msp->ms_sm), >=,
1935             range_tree_space(msp->ms_unflushed_frees));
1936
1937         ASSERT3U(metaslab_allocated_space(msp), ==,
1938             space_map_allocated(msp->ms_sm) +
1939             range_tree_space(msp->ms_unflushed_allocs) -
1940             range_tree_space(msp->ms_unflushed_frees));
1941
1942         sm_free_space = msp->ms_size - metaslab_allocated_space(msp);
1943
1944         /*
1945          * Account for future allocations since we would have
1946          * already deducted that space from the ms_allocatable.
1947          */
1948         for (int t = 0; t < TXG_CONCURRENT_STATES; t++) {
1949                 allocating +=
1950                     range_tree_space(msp->ms_allocating[(txg + t) & TXG_MASK]);
1951         }
1952         ASSERT3U(allocating + msp->ms_allocated_this_txg, ==,
1953             msp->ms_allocating_total);
1954
1955         ASSERT3U(msp->ms_deferspace, ==,
1956             range_tree_space(msp->ms_defer[0]) +
1957             range_tree_space(msp->ms_defer[1]));
1958
1959         msp_free_space = range_tree_space(msp->ms_allocatable) + allocating +
1960             msp->ms_deferspace + range_tree_space(msp->ms_freed);
1961
1962         VERIFY3U(sm_free_space, ==, msp_free_space);
1963 }
1964
1965 static void
1966 metaslab_aux_histograms_clear(metaslab_t *msp)
1967 {
1968         /*
1969          * Auxiliary histograms are only cleared when resetting them,
1970          * which can only happen while the metaslab is loaded.
1971          */
1972         ASSERT(msp->ms_loaded);
1973
1974         memset(msp->ms_synchist, 0, sizeof (msp->ms_synchist));
1975         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++)
1976                 memset(msp->ms_deferhist[t], 0, sizeof (msp->ms_deferhist[t]));
1977 }
1978
1979 static void
1980 metaslab_aux_histogram_add(uint64_t *histogram, uint64_t shift,
1981     range_tree_t *rt)
1982 {
1983         /*
1984          * This is modeled after space_map_histogram_add(), so refer to that
1985          * function for implementation details. We want this to work like
1986          * the space map histogram, and not the range tree histogram, as we
1987          * are essentially constructing a delta that will be later subtracted
1988          * from the space map histogram.
1989          */
1990         int idx = 0;
1991         for (int i = shift; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
1992                 ASSERT3U(i, >=, idx + shift);
1993                 histogram[idx] += rt->rt_histogram[i] << (i - idx - shift);
1994
1995                 if (idx < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE - 1) {
1996                         ASSERT3U(idx + shift, ==, i);
1997                         idx++;
1998                         ASSERT3U(idx, <, SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE);
1999                 }
2000         }
2001 }
2002
2003 /*
2004  * Called at every sync pass that the metaslab gets synced.
2005  *
2006  * The reason is that we want our auxiliary histograms to be updated
2007  * wherever the metaslab's space map histogram is updated. This way
2008  * we stay consistent on which parts of the metaslab space map's
2009  * histogram are currently not available for allocations (e.g because
2010  * they are in the defer, freed, and freeing trees).
2011  */
2012 static void
2013 metaslab_aux_histograms_update(metaslab_t *msp)
2014 {
2015         space_map_t *sm = msp->ms_sm;
2016         ASSERT(sm != NULL);
2017
2018         /*
2019          * This is similar to the metaslab's space map histogram updates
2020          * that take place in metaslab_sync(). The only difference is that
2021          * we only care about segments that haven't made it into the
2022          * ms_allocatable tree yet.
2023          */
2024         if (msp->ms_loaded) {
2025                 metaslab_aux_histograms_clear(msp);
2026
2027                 metaslab_aux_histogram_add(msp->ms_synchist,
2028                     sm->sm_shift, msp->ms_freed);
2029
2030                 for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
2031                         metaslab_aux_histogram_add(msp->ms_deferhist[t],
2032                             sm->sm_shift, msp->ms_defer[t]);
2033                 }
2034         }
2035
2036         metaslab_aux_histogram_add(msp->ms_synchist,
2037             sm->sm_shift, msp->ms_freeing);
2038 }
2039
2040 /*
2041  * Called every time we are done syncing (writing to) the metaslab,
2042  * i.e. at the end of each sync pass.
2043  * [see the comment in metaslab_impl.h for ms_synchist, ms_deferhist]
2044  */
2045 static void
2046 metaslab_aux_histograms_update_done(metaslab_t *msp, boolean_t defer_allowed)
2047 {
2048         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
2049         space_map_t *sm = msp->ms_sm;
2050
2051         if (sm == NULL) {
2052                 /*
2053                  * We came here from metaslab_init() when creating/opening a
2054                  * pool, looking at a metaslab that hasn't had any allocations
2055                  * yet.
2056                  */
2057                 return;
2058         }
2059
2060         /*
2061          * This is similar to the actions that we take for the ms_freed
2062          * and ms_defer trees in metaslab_sync_done().
2063          */
2064         uint64_t hist_index = spa_syncing_txg(spa) % TXG_DEFER_SIZE;
2065         if (defer_allowed) {
2066                 memcpy(msp->ms_deferhist[hist_index], msp->ms_synchist,
2067                     sizeof (msp->ms_synchist));
2068         } else {
2069                 memset(msp->ms_deferhist[hist_index], 0,
2070                     sizeof (msp->ms_deferhist[hist_index]));
2071         }
2072         memset(msp->ms_synchist, 0, sizeof (msp->ms_synchist));
2073 }
2074
2075 /*
2076  * Ensure that the metaslab's weight and fragmentation are consistent
2077  * with the contents of the histogram (either the range tree's histogram
2078  * or the space map's depending whether the metaslab is loaded).
2079  */
2080 static void
2081 metaslab_verify_weight_and_frag(metaslab_t *msp)
2082 {
2083         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2084
2085         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_METASLAB_VERIFY) == 0)
2086                 return;
2087
2088         /*
2089          * We can end up here from vdev_remove_complete(), in which case we
2090          * cannot do these assertions because we hold spa config locks and
2091          * thus we are not allowed to read from the DMU.
2092          *
2093          * We check if the metaslab group has been removed and if that's
2094          * the case we return immediately as that would mean that we are
2095          * here from the aforementioned code path.
2096          */
2097         if (msp->ms_group == NULL)
2098                 return;
2099
2100         /*
2101          * Devices being removed always return a weight of 0 and leave
2102          * fragmentation and ms_max_size as is - there is nothing for
2103          * us to verify here.
2104          */
2105         vdev_t *vd = msp->ms_group->mg_vd;
2106         if (vd->vdev_removing)
2107                 return;
2108
2109         /*
2110          * If the metaslab is dirty it probably means that we've done
2111          * some allocations or frees that have changed our histograms
2112          * and thus the weight.
2113          */
2114         for (int t = 0; t < TXG_SIZE; t++) {
2115                 if (txg_list_member(&vd->vdev_ms_list, msp, t))
2116                         return;
2117         }
2118
2119         /*
2120          * This verification checks that our in-memory state is consistent
2121          * with what's on disk. If the pool is read-only then there aren't
2122          * any changes and we just have the initially-loaded state.
2123          */
2124         if (!spa_writeable(msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa))
2125                 return;
2126
2127         /* some extra verification for in-core tree if you can */
2128         if (msp->ms_loaded) {
2129                 range_tree_stat_verify(msp->ms_allocatable);
2130                 VERIFY(space_map_histogram_verify(msp->ms_sm,
2131                     msp->ms_allocatable));
2132         }
2133
2134         uint64_t weight = msp->ms_weight;
2135         uint64_t was_active = msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK;
2136         boolean_t space_based = WEIGHT_IS_SPACEBASED(msp->ms_weight);
2137         uint64_t frag = msp->ms_fragmentation;
2138         uint64_t max_segsize = msp->ms_max_size;
2139
2140         msp->ms_weight = 0;
2141         msp->ms_fragmentation = 0;
2142
2143         /*
2144          * This function is used for verification purposes and thus should
2145          * not introduce any side-effects/mutations on the system's state.
2146          *
2147          * Regardless of whether metaslab_weight() thinks this metaslab
2148          * should be active or not, we want to ensure that the actual weight
2149          * (and therefore the value of ms_weight) would be the same if it
2150          * was to be recalculated at this point.
2151          *
2152          * In addition we set the nodirty flag so metaslab_weight() does
2153          * not dirty the metaslab for future TXGs (e.g. when trying to
2154          * force condensing to upgrade the metaslab spacemaps).
2155          */
2156         msp->ms_weight = metaslab_weight(msp, B_TRUE) | was_active;
2157
2158         VERIFY3U(max_segsize, ==, msp->ms_max_size);
2159
2160         /*
2161          * If the weight type changed then there is no point in doing
2162          * verification. Revert fields to their original values.
2163          */
2164         if ((space_based && !WEIGHT_IS_SPACEBASED(msp->ms_weight)) ||
2165             (!space_based && WEIGHT_IS_SPACEBASED(msp->ms_weight))) {
2166                 msp->ms_fragmentation = frag;
2167                 msp->ms_weight = weight;
2168                 return;
2169         }
2170
2171         VERIFY3U(msp->ms_fragmentation, ==, frag);
2172         VERIFY3U(msp->ms_weight, ==, weight);
2173 }
2174
2175 /*
2176  * If we're over the zfs_metaslab_mem_limit, select the loaded metaslab from
2177  * this class that was used longest ago, and attempt to unload it.  We don't
2178  * want to spend too much time in this loop to prevent performance
2179  * degradation, and we expect that most of the time this operation will
2180  * succeed. Between that and the normal unloading processing during txg sync,
2181  * we expect this to keep the metaslab memory usage under control.
2182  */
2183 static void
2184 metaslab_potentially_evict(metaslab_class_t *mc)
2185 {
2186 #ifdef _KERNEL
2187         uint64_t allmem = arc_all_memory();
2188         uint64_t inuse = spl_kmem_cache_inuse(zfs_btree_leaf_cache);
2189         uint64_t size = spl_kmem_cache_entry_size(zfs_btree_leaf_cache);
2190         uint_t tries = 0;
2191         for (; allmem * zfs_metaslab_mem_limit / 100 < inuse * size &&
2192             tries < multilist_get_num_sublists(&mc->mc_metaslab_txg_list) * 2;
2193             tries++) {
2194                 unsigned int idx = multilist_get_random_index(
2195                     &mc->mc_metaslab_txg_list);
2196                 multilist_sublist_t *mls =
2197                     multilist_sublist_lock(&mc->mc_metaslab_txg_list, idx);
2198                 metaslab_t *msp = multilist_sublist_head(mls);
2199                 multilist_sublist_unlock(mls);
2200                 while (msp != NULL && allmem * zfs_metaslab_mem_limit / 100 <
2201                     inuse * size) {
2202                         VERIFY3P(mls, ==, multilist_sublist_lock(
2203                             &mc->mc_metaslab_txg_list, idx));
2204                         ASSERT3U(idx, ==,
2205                             metaslab_idx_func(&mc->mc_metaslab_txg_list, msp));
2206
2207                         if (!multilist_link_active(&msp->ms_class_txg_node)) {
2208                                 multilist_sublist_unlock(mls);
2209                                 break;
2210                         }
2211                         metaslab_t *next_msp = multilist_sublist_next(mls, msp);
2212                         multilist_sublist_unlock(mls);
2213                         /*
2214                          * If the metaslab is currently loading there are two
2215                          * cases. If it's the metaslab we're evicting, we
2216                          * can't continue on or we'll panic when we attempt to
2217                          * recursively lock the mutex. If it's another
2218                          * metaslab that's loading, it can be safely skipped,
2219                          * since we know it's very new and therefore not a
2220                          * good eviction candidate. We check later once the
2221                          * lock is held that the metaslab is fully loaded
2222                          * before actually unloading it.
2223                          */
2224                         if (msp->ms_loading) {
2225                                 msp = next_msp;
2226                                 inuse =
2227                                     spl_kmem_cache_inuse(zfs_btree_leaf_cache);
2228                                 continue;
2229                         }
2230                         /*
2231                          * We can't unload metaslabs with no spacemap because
2232                          * they're not ready to be unloaded yet. We can't
2233                          * unload metaslabs with outstanding allocations
2234                          * because doing so could cause the metaslab's weight
2235                          * to decrease while it's unloaded, which violates an
2236                          * invariant that we use to prevent unnecessary
2237                          * loading. We also don't unload metaslabs that are
2238                          * currently active because they are high-weight
2239                          * metaslabs that are likely to be used in the near
2240                          * future.
2241                          */
2242                         mutex_enter(&msp->ms_lock);
2243                         if (msp->ms_allocator == -1 && msp->ms_sm != NULL &&
2244                             msp->ms_allocating_total == 0) {
2245                                 metaslab_unload(msp);
2246                         }
2247                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2248                         msp = next_msp;
2249                         inuse = spl_kmem_cache_inuse(zfs_btree_leaf_cache);
2250                 }
2251         }
2252 #else
2253         (void) mc, (void) zfs_metaslab_mem_limit;
2254 #endif
2255 }
2256
2257 static int
2258 metaslab_load_impl(metaslab_t *msp)
2259 {
2260         int error = 0;
2261
2262         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2263         ASSERT(msp->ms_loading);
2264         ASSERT(!msp->ms_condensing);
2265
2266         /*
2267          * We temporarily drop the lock to unblock other operations while we
2268          * are reading the space map. Therefore, metaslab_sync() and
2269          * metaslab_sync_done() can run at the same time as we do.
2270          *
2271          * If we are using the log space maps, metaslab_sync() can't write to
2272          * the metaslab's space map while we are loading as we only write to
2273          * it when we are flushing the metaslab, and that can't happen while
2274          * we are loading it.
2275          *
2276          * If we are not using log space maps though, metaslab_sync() can
2277          * append to the space map while we are loading. Therefore we load
2278          * only entries that existed when we started the load. Additionally,
2279          * metaslab_sync_done() has to wait for the load to complete because
2280          * there are potential races like metaslab_load() loading parts of the
2281          * space map that are currently being appended by metaslab_sync(). If
2282          * we didn't, the ms_allocatable would have entries that
2283          * metaslab_sync_done() would try to re-add later.
2284          *
2285          * That's why before dropping the lock we remember the synced length
2286          * of the metaslab and read up to that point of the space map,
2287          * ignoring entries appended by metaslab_sync() that happen after we
2288          * drop the lock.
2289          */
2290         uint64_t length = msp->ms_synced_length;
2291         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2292
2293         hrtime_t load_start = gethrtime();
2294         metaslab_rt_arg_t *mrap;
2295         if (msp->ms_allocatable->rt_arg == NULL) {
2296                 mrap = kmem_zalloc(sizeof (*mrap), KM_SLEEP);
2297         } else {
2298                 mrap = msp->ms_allocatable->rt_arg;
2299                 msp->ms_allocatable->rt_ops = NULL;
2300                 msp->ms_allocatable->rt_arg = NULL;
2301         }
2302         mrap->mra_bt = &msp->ms_allocatable_by_size;
2303         mrap->mra_floor_shift = metaslab_by_size_min_shift;
2304
2305         if (msp->ms_sm != NULL) {
2306                 error = space_map_load_length(msp->ms_sm, msp->ms_allocatable,
2307                     SM_FREE, length);
2308
2309                 /* Now, populate the size-sorted tree. */
2310                 metaslab_rt_create(msp->ms_allocatable, mrap);
2311                 msp->ms_allocatable->rt_ops = &metaslab_rt_ops;
2312                 msp->ms_allocatable->rt_arg = mrap;
2313
2314                 struct mssa_arg arg = {0};
2315                 arg.rt = msp->ms_allocatable;
2316                 arg.mra = mrap;
2317                 range_tree_walk(msp->ms_allocatable, metaslab_size_sorted_add,
2318                     &arg);
2319         } else {
2320                 /*
2321                  * Add the size-sorted tree first, since we don't need to load
2322                  * the metaslab from the spacemap.
2323                  */
2324                 metaslab_rt_create(msp->ms_allocatable, mrap);
2325                 msp->ms_allocatable->rt_ops = &metaslab_rt_ops;
2326                 msp->ms_allocatable->rt_arg = mrap;
2327                 /*
2328                  * The space map has not been allocated yet, so treat
2329                  * all the space in the metaslab as free and add it to the
2330                  * ms_allocatable tree.
2331                  */
2332                 range_tree_add(msp->ms_allocatable,
2333                     msp->ms_start, msp->ms_size);
2334
2335                 if (msp->ms_new) {
2336                         /*
2337                          * If the ms_sm doesn't exist, this means that this
2338                          * metaslab hasn't gone through metaslab_sync() and
2339                          * thus has never been dirtied. So we shouldn't
2340                          * expect any unflushed allocs or frees from previous
2341                          * TXGs.
2342                          */
2343                         ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_unflushed_allocs));
2344                         ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_unflushed_frees));
2345                 }
2346         }
2347
2348         /*
2349          * We need to grab the ms_sync_lock to prevent metaslab_sync() from
2350          * changing the ms_sm (or log_sm) and the metaslab's range trees
2351          * while we are about to use them and populate the ms_allocatable.
2352          * The ms_lock is insufficient for this because metaslab_sync() doesn't
2353          * hold the ms_lock while writing the ms_checkpointing tree to disk.
2354          */
2355         mutex_enter(&msp->ms_sync_lock);
2356         mutex_enter(&msp->ms_lock);
2357
2358         ASSERT(!msp->ms_condensing);
2359         ASSERT(!msp->ms_flushing);
2360
2361         if (error != 0) {
2362                 mutex_exit(&msp->ms_sync_lock);
2363                 return (error);
2364         }
2365
2366         ASSERT3P(msp->ms_group, !=, NULL);
2367         msp->ms_loaded = B_TRUE;
2368
2369         /*
2370          * Apply all the unflushed changes to ms_allocatable right
2371          * away so any manipulations we do below have a clear view
2372          * of what is allocated and what is free.
2373          */
2374         range_tree_walk(msp->ms_unflushed_allocs,
2375             range_tree_remove, msp->ms_allocatable);
2376         range_tree_walk(msp->ms_unflushed_frees,
2377             range_tree_add, msp->ms_allocatable);
2378
2379         ASSERT3P(msp->ms_group, !=, NULL);
2380         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
2381         if (spa_syncing_log_sm(spa) != NULL) {
2382                 ASSERT(spa_feature_is_enabled(spa,
2383                     SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP));
2384
2385                 /*
2386                  * If we use a log space map we add all the segments
2387                  * that are in ms_unflushed_frees so they are available
2388                  * for allocation.
2389                  *
2390                  * ms_allocatable needs to contain all free segments
2391                  * that are ready for allocations (thus not segments
2392                  * from ms_freeing, ms_freed, and the ms_defer trees).
2393                  * But if we grab the lock in this code path at a sync
2394                  * pass later that 1, then it also contains the
2395                  * segments of ms_freed (they were added to it earlier
2396                  * in this path through ms_unflushed_frees). So we
2397                  * need to remove all the segments that exist in
2398                  * ms_freed from ms_allocatable as they will be added
2399                  * later in metaslab_sync_done().
2400                  *
2401                  * When there's no log space map, the ms_allocatable
2402                  * correctly doesn't contain any segments that exist
2403                  * in ms_freed [see ms_synced_length].
2404                  */
2405                 range_tree_walk(msp->ms_freed,
2406                     range_tree_remove, msp->ms_allocatable);
2407         }
2408
2409         /*
2410          * If we are not using the log space map, ms_allocatable
2411          * contains the segments that exist in the ms_defer trees
2412          * [see ms_synced_length]. Thus we need to remove them
2413          * from ms_allocatable as they will be added again in
2414          * metaslab_sync_done().
2415          *
2416          * If we are using the log space map, ms_allocatable still
2417          * contains the segments that exist in the ms_defer trees.
2418          * Not because it read them through the ms_sm though. But
2419          * because these segments are part of ms_unflushed_frees
2420          * whose segments we add to ms_allocatable earlier in this
2421          * code path.
2422          */
2423         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
2424                 range_tree_walk(msp->ms_defer[t],
2425                     range_tree_remove, msp->ms_allocatable);
2426         }
2427
2428         /*
2429          * Call metaslab_recalculate_weight_and_sort() now that the
2430          * metaslab is loaded so we get the metaslab's real weight.
2431          *
2432          * Unless this metaslab was created with older software and
2433          * has not yet been converted to use segment-based weight, we
2434          * expect the new weight to be better or equal to the weight
2435          * that the metaslab had while it was not loaded. This is
2436          * because the old weight does not take into account the
2437          * consolidation of adjacent segments between TXGs. [see
2438          * comment for ms_synchist and ms_deferhist[] for more info]
2439          */
2440         uint64_t weight = msp->ms_weight;
2441         uint64_t max_size = msp->ms_max_size;
2442         metaslab_recalculate_weight_and_sort(msp);
2443         if (!WEIGHT_IS_SPACEBASED(weight))
2444                 ASSERT3U(weight, <=, msp->ms_weight);
2445         msp->ms_max_size = metaslab_largest_allocatable(msp);
2446         ASSERT3U(max_size, <=, msp->ms_max_size);
2447         hrtime_t load_end = gethrtime();
2448         msp->ms_load_time = load_end;
2449         zfs_dbgmsg("metaslab_load: txg %llu, spa %s, vdev_id %llu, "
2450             "ms_id %llu, smp_length %llu, "
2451             "unflushed_allocs %llu, unflushed_frees %llu, "
2452             "freed %llu, defer %llu + %llu, unloaded time %llu ms, "
2453             "loading_time %lld ms, ms_max_size %llu, "
2454             "max size error %lld, "
2455             "old_weight %llx, new_weight %llx",
2456             (u_longlong_t)spa_syncing_txg(spa), spa_name(spa),
2457             (u_longlong_t)msp->ms_group->mg_vd->vdev_id,
2458             (u_longlong_t)msp->ms_id,
2459             (u_longlong_t)space_map_length(msp->ms_sm),
2460             (u_longlong_t)range_tree_space(msp->ms_unflushed_allocs),
2461             (u_longlong_t)range_tree_space(msp->ms_unflushed_frees),
2462             (u_longlong_t)range_tree_space(msp->ms_freed),
2463             (u_longlong_t)range_tree_space(msp->ms_defer[0]),
2464             (u_longlong_t)range_tree_space(msp->ms_defer[1]),
2465             (longlong_t)((load_start - msp->ms_unload_time) / 1000000),
2466             (longlong_t)((load_end - load_start) / 1000000),
2467             (u_longlong_t)msp->ms_max_size,
2468             (u_longlong_t)msp->ms_max_size - max_size,
2469             (u_longlong_t)weight, (u_longlong_t)msp->ms_weight);
2470
2471         metaslab_verify_space(msp, spa_syncing_txg(spa));
2472         mutex_exit(&msp->ms_sync_lock);
2473         return (0);
2474 }
2475
2476 int
2477 metaslab_load(metaslab_t *msp)
2478 {
2479         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2480
2481         /*
2482          * There may be another thread loading the same metaslab, if that's
2483          * the case just wait until the other thread is done and return.
2484          */
2485         metaslab_load_wait(msp);
2486         if (msp->ms_loaded)
2487                 return (0);
2488         VERIFY(!msp->ms_loading);
2489         ASSERT(!msp->ms_condensing);
2490
2491         /*
2492          * We set the loading flag BEFORE potentially dropping the lock to
2493          * wait for an ongoing flush (see ms_flushing below). This way other
2494          * threads know that there is already a thread that is loading this
2495          * metaslab.
2496          */
2497         msp->ms_loading = B_TRUE;
2498
2499         /*
2500          * Wait for any in-progress flushing to finish as we drop the ms_lock
2501          * both here (during space_map_load()) and in metaslab_flush() (when
2502          * we flush our changes to the ms_sm).
2503          */
2504         if (msp->ms_flushing)
2505                 metaslab_flush_wait(msp);
2506
2507         /*
2508          * In the possibility that we were waiting for the metaslab to be
2509          * flushed (where we temporarily dropped the ms_lock), ensure that
2510          * no one else loaded the metaslab somehow.
2511          */
2512         ASSERT(!msp->ms_loaded);
2513
2514         /*
2515          * If we're loading a metaslab in the normal class, consider evicting
2516          * another one to keep our memory usage under the limit defined by the
2517          * zfs_metaslab_mem_limit tunable.
2518          */
2519         if (spa_normal_class(msp->ms_group->mg_class->mc_spa) ==
2520             msp->ms_group->mg_class) {
2521                 metaslab_potentially_evict(msp->ms_group->mg_class);
2522         }
2523
2524         int error = metaslab_load_impl(msp);
2525
2526         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2527         msp->ms_loading = B_FALSE;
2528         cv_broadcast(&msp->ms_load_cv);
2529
2530         return (error);
2531 }
2532
2533 void
2534 metaslab_unload(metaslab_t *msp)
2535 {
2536         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2537
2538         /*
2539          * This can happen if a metaslab is selected for eviction (in
2540          * metaslab_potentially_evict) and then unloaded during spa_sync (via
2541          * metaslab_class_evict_old).
2542          */
2543         if (!msp->ms_loaded)
2544                 return;
2545
2546         range_tree_vacate(msp->ms_allocatable, NULL, NULL);
2547         msp->ms_loaded = B_FALSE;
2548         msp->ms_unload_time = gethrtime();
2549
2550         msp->ms_activation_weight = 0;
2551         msp->ms_weight &= ~METASLAB_ACTIVE_MASK;
2552
2553         if (msp->ms_group != NULL) {
2554                 metaslab_class_t *mc = msp->ms_group->mg_class;
2555                 multilist_sublist_t *mls =
2556                     multilist_sublist_lock_obj(&mc->mc_metaslab_txg_list, msp);
2557                 if (multilist_link_active(&msp->ms_class_txg_node))
2558                         multilist_sublist_remove(mls, msp);
2559                 multilist_sublist_unlock(mls);
2560
2561                 spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
2562                 zfs_dbgmsg("metaslab_unload: txg %llu, spa %s, vdev_id %llu, "
2563                     "ms_id %llu, weight %llx, "
2564                     "selected txg %llu (%llu ms ago), alloc_txg %llu, "
2565                     "loaded %llu ms ago, max_size %llu",
2566                     (u_longlong_t)spa_syncing_txg(spa), spa_name(spa),
2567                     (u_longlong_t)msp->ms_group->mg_vd->vdev_id,
2568                     (u_longlong_t)msp->ms_id,
2569                     (u_longlong_t)msp->ms_weight,
2570                     (u_longlong_t)msp->ms_selected_txg,
2571                     (u_longlong_t)(msp->ms_unload_time -
2572                     msp->ms_selected_time) / 1000 / 1000,
2573                     (u_longlong_t)msp->ms_alloc_txg,
2574                     (u_longlong_t)(msp->ms_unload_time -
2575                     msp->ms_load_time) / 1000 / 1000,
2576                     (u_longlong_t)msp->ms_max_size);
2577         }
2578
2579         /*
2580          * We explicitly recalculate the metaslab's weight based on its space
2581          * map (as it is now not loaded). We want unload metaslabs to always
2582          * have their weights calculated from the space map histograms, while
2583          * loaded ones have it calculated from their in-core range tree
2584          * [see metaslab_load()]. This way, the weight reflects the information
2585          * available in-core, whether it is loaded or not.
2586          *
2587          * If ms_group == NULL means that we came here from metaslab_fini(),
2588          * at which point it doesn't make sense for us to do the recalculation
2589          * and the sorting.
2590          */
2591         if (msp->ms_group != NULL)
2592                 metaslab_recalculate_weight_and_sort(msp);
2593 }
2594
2595 /*
2596  * We want to optimize the memory use of the per-metaslab range
2597  * trees. To do this, we store the segments in the range trees in
2598  * units of sectors, zero-indexing from the start of the metaslab. If
2599  * the vdev_ms_shift - the vdev_ashift is less than 32, we can store
2600  * the ranges using two uint32_ts, rather than two uint64_ts.
2601  */
2602 range_seg_type_t
2603 metaslab_calculate_range_tree_type(vdev_t *vdev, metaslab_t *msp,
2604     uint64_t *start, uint64_t *shift)
2605 {
2606         if (vdev->vdev_ms_shift - vdev->vdev_ashift < 32 &&
2607             !zfs_metaslab_force_large_segs) {
2608                 *shift = vdev->vdev_ashift;
2609                 *start = msp->ms_start;
2610                 return (RANGE_SEG32);
2611         } else {
2612                 *shift = 0;
2613                 *start = 0;
2614                 return (RANGE_SEG64);
2615         }
2616 }
2617
2618 void
2619 metaslab_set_selected_txg(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
2620 {
2621         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2622         metaslab_class_t *mc = msp->ms_group->mg_class;
2623         multilist_sublist_t *mls =
2624             multilist_sublist_lock_obj(&mc->mc_metaslab_txg_list, msp);
2625         if (multilist_link_active(&msp->ms_class_txg_node))
2626                 multilist_sublist_remove(mls, msp);
2627         msp->ms_selected_txg = txg;
2628         msp->ms_selected_time = gethrtime();
2629         multilist_sublist_insert_tail(mls, msp);
2630         multilist_sublist_unlock(mls);
2631 }
2632
2633 void
2634 metaslab_space_update(vdev_t *vd, metaslab_class_t *mc, int64_t alloc_delta,
2635     int64_t defer_delta, int64_t space_delta)
2636 {
2637         vdev_space_update(vd, alloc_delta, defer_delta, space_delta);
2638
2639         ASSERT3P(vd->vdev_spa->spa_root_vdev, ==, vd->vdev_parent);
2640         ASSERT(vd->vdev_ms_count != 0);
2641
2642         metaslab_class_space_update(mc, alloc_delta, defer_delta, space_delta,
2643             vdev_deflated_space(vd, space_delta));
2644 }
2645
2646 int
2647 metaslab_init(metaslab_group_t *mg, uint64_t id, uint64_t object,
2648     uint64_t txg, metaslab_t **msp)
2649 {
2650         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
2651         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
2652         objset_t *mos = spa->spa_meta_objset;
2653         metaslab_t *ms;
2654         int error;
2655
2656         ms = kmem_zalloc(sizeof (metaslab_t), KM_SLEEP);
2657         mutex_init(&ms->ms_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
2658         mutex_init(&ms->ms_sync_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
2659         cv_init(&ms->ms_load_cv, NULL, CV_DEFAULT, NULL);
2660         cv_init(&ms->ms_flush_cv, NULL, CV_DEFAULT, NULL);
2661         multilist_link_init(&ms->ms_class_txg_node);
2662
2663         ms->ms_id = id;
2664         ms->ms_start = id << vd->vdev_ms_shift;
2665         ms->ms_size = 1ULL << vd->vdev_ms_shift;
2666         ms->ms_allocator = -1;
2667         ms->ms_new = B_TRUE;
2668
2669         vdev_ops_t *ops = vd->vdev_ops;
2670         if (ops->vdev_op_metaslab_init != NULL)
2671                 ops->vdev_op_metaslab_init(vd, &ms->ms_start, &ms->ms_size);
2672
2673         /*
2674          * We only open space map objects that already exist. All others
2675          * will be opened when we finally allocate an object for it. For
2676          * readonly pools there is no need to open the space map object.
2677          *
2678          * Note:
2679          * When called from vdev_expand(), we can't call into the DMU as
2680          * we are holding the spa_config_lock as a writer and we would
2681          * deadlock [see relevant comment in vdev_metaslab_init()]. in
2682          * that case, the object parameter is zero though, so we won't
2683          * call into the DMU.
2684          */
2685         if (object != 0 && !(spa->spa_mode == SPA_MODE_READ &&
2686             !spa->spa_read_spacemaps)) {
2687                 error = space_map_open(&ms->ms_sm, mos, object, ms->ms_start,
2688                     ms->ms_size, vd->vdev_ashift);
2689
2690                 if (error != 0) {
2691                         kmem_free(ms, sizeof (metaslab_t));
2692                         return (error);
2693                 }
2694
2695                 ASSERT(ms->ms_sm != NULL);
2696                 ms->ms_allocated_space = space_map_allocated(ms->ms_sm);
2697         }
2698
2699         uint64_t shift, start;
2700         range_seg_type_t type =
2701             metaslab_calculate_range_tree_type(vd, ms, &start, &shift);
2702
2703         ms->ms_allocatable = range_tree_create(NULL, type, NULL, start, shift);
2704         for (int t = 0; t < TXG_SIZE; t++) {
2705                 ms->ms_allocating[t] = range_tree_create(NULL, type,
2706                     NULL, start, shift);
2707         }
2708         ms->ms_freeing = range_tree_create(NULL, type, NULL, start, shift);
2709         ms->ms_freed = range_tree_create(NULL, type, NULL, start, shift);
2710         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
2711                 ms->ms_defer[t] = range_tree_create(NULL, type, NULL,
2712                     start, shift);
2713         }
2714         ms->ms_checkpointing =
2715             range_tree_create(NULL, type, NULL, start, shift);
2716         ms->ms_unflushed_allocs =
2717             range_tree_create(NULL, type, NULL, start, shift);
2718
2719         metaslab_rt_arg_t *mrap = kmem_zalloc(sizeof (*mrap), KM_SLEEP);
2720         mrap->mra_bt = &ms->ms_unflushed_frees_by_size;
2721         mrap->mra_floor_shift = metaslab_by_size_min_shift;
2722         ms->ms_unflushed_frees = range_tree_create(&metaslab_rt_ops,
2723             type, mrap, start, shift);
2724
2725         ms->ms_trim = range_tree_create(NULL, type, NULL, start, shift);
2726
2727         metaslab_group_add(mg, ms);
2728         metaslab_set_fragmentation(ms, B_FALSE);
2729
2730         /*
2731          * If we're opening an existing pool (txg == 0) or creating
2732          * a new one (txg == TXG_INITIAL), all space is available now.
2733          * If we're adding space to an existing pool, the new space
2734          * does not become available until after this txg has synced.
2735          * The metaslab's weight will also be initialized when we sync
2736          * out this txg. This ensures that we don't attempt to allocate
2737          * from it before we have initialized it completely.
2738          */
2739         if (txg <= TXG_INITIAL) {
2740                 metaslab_sync_done(ms, 0);
2741                 metaslab_space_update(vd, mg->mg_class,
2742                     metaslab_allocated_space(ms), 0, 0);
2743         }
2744
2745         if (txg != 0) {
2746                 vdev_dirty(vd, 0, NULL, txg);
2747                 vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, ms, txg);
2748         }
2749
2750         *msp = ms;
2751
2752         return (0);
2753 }
2754
2755 static void
2756 metaslab_fini_flush_data(metaslab_t *msp)
2757 {
2758         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
2759
2760         if (metaslab_unflushed_txg(msp) == 0) {
2761                 ASSERT3P(avl_find(&spa->spa_metaslabs_by_flushed, msp, NULL),
2762                     ==, NULL);
2763                 return;
2764         }
2765         ASSERT(spa_feature_is_active(spa, SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP));
2766
2767         mutex_enter(&spa->spa_flushed_ms_lock);
2768         avl_remove(&spa->spa_metaslabs_by_flushed, msp);
2769         mutex_exit(&spa->spa_flushed_ms_lock);
2770
2771         spa_log_sm_decrement_mscount(spa, metaslab_unflushed_txg(msp));
2772         spa_log_summary_decrement_mscount(spa, metaslab_unflushed_txg(msp),
2773             metaslab_unflushed_dirty(msp));
2774 }
2775
2776 uint64_t
2777 metaslab_unflushed_changes_memused(metaslab_t *ms)
2778 {
2779         return ((range_tree_numsegs(ms->ms_unflushed_allocs) +
2780             range_tree_numsegs(ms->ms_unflushed_frees)) *
2781             ms->ms_unflushed_allocs->rt_root.bt_elem_size);
2782 }
2783
2784 void
2785 metaslab_fini(metaslab_t *msp)
2786 {
2787         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
2788         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
2789         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
2790
2791         metaslab_fini_flush_data(msp);
2792
2793         metaslab_group_remove(mg, msp);
2794
2795         mutex_enter(&msp->ms_lock);
2796         VERIFY(msp->ms_group == NULL);
2797
2798         /*
2799          * If this metaslab hasn't been through metaslab_sync_done() yet its
2800          * space hasn't been accounted for in its vdev and doesn't need to be
2801          * subtracted.
2802          */
2803         if (!msp->ms_new) {
2804                 metaslab_space_update(vd, mg->mg_class,
2805                     -metaslab_allocated_space(msp), 0, -msp->ms_size);
2806
2807         }
2808         space_map_close(msp->ms_sm);
2809         msp->ms_sm = NULL;
2810
2811         metaslab_unload(msp);
2812
2813         range_tree_destroy(msp->ms_allocatable);
2814         range_tree_destroy(msp->ms_freeing);
2815         range_tree_destroy(msp->ms_freed);
2816
2817         ASSERT3U(spa->spa_unflushed_stats.sus_memused, >=,
2818             metaslab_unflushed_changes_memused(msp));
2819         spa->spa_unflushed_stats.sus_memused -=
2820             metaslab_unflushed_changes_memused(msp);
2821         range_tree_vacate(msp->ms_unflushed_allocs, NULL, NULL);
2822         range_tree_destroy(msp->ms_unflushed_allocs);
2823         range_tree_destroy(msp->ms_checkpointing);
2824         range_tree_vacate(msp->ms_unflushed_frees, NULL, NULL);
2825         range_tree_destroy(msp->ms_unflushed_frees);
2826
2827         for (int t = 0; t < TXG_SIZE; t++) {
2828                 range_tree_destroy(msp->ms_allocating[t]);
2829         }
2830         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
2831                 range_tree_destroy(msp->ms_defer[t]);
2832         }
2833         ASSERT0(msp->ms_deferspace);
2834
2835         for (int t = 0; t < TXG_SIZE; t++)
2836                 ASSERT(!txg_list_member(&vd->vdev_ms_list, msp, t));
2837
2838         range_tree_vacate(msp->ms_trim, NULL, NULL);
2839         range_tree_destroy(msp->ms_trim);
2840
2841         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2842         cv_destroy(&msp->ms_load_cv);
2843         cv_destroy(&msp->ms_flush_cv);
2844         mutex_destroy(&msp->ms_lock);
2845         mutex_destroy(&msp->ms_sync_lock);
2846         ASSERT3U(msp->ms_allocator, ==, -1);
2847
2848         kmem_free(msp, sizeof (metaslab_t));
2849 }
2850
2851 #define FRAGMENTATION_TABLE_SIZE        17
2852
2853 /*
2854  * This table defines a segment size based fragmentation metric that will
2855  * allow each metaslab to derive its own fragmentation value. This is done
2856  * by calculating the space in each bucket of the spacemap histogram and
2857  * multiplying that by the fragmentation metric in this table. Doing
2858  * this for all buckets and dividing it by the total amount of free
2859  * space in this metaslab (i.e. the total free space in all buckets) gives
2860  * us the fragmentation metric. This means that a high fragmentation metric
2861  * equates to most of the free space being comprised of small segments.
2862  * Conversely, if the metric is low, then most of the free space is in
2863  * large segments. A 10% change in fragmentation equates to approximately
2864  * double the number of segments.
2865  *
2866  * This table defines 0% fragmented space using 16MB segments. Testing has
2867  * shown that segments that are greater than or equal to 16MB do not suffer
2868  * from drastic performance problems. Using this value, we derive the rest
2869  * of the table. Since the fragmentation value is never stored on disk, it
2870  * is possible to change these calculations in the future.
2871  */
2872 static const int zfs_frag_table[FRAGMENTATION_TABLE_SIZE] = {
2873         100,    /* 512B */
2874         100,    /* 1K   */
2875         98,     /* 2K   */
2876         95,     /* 4K   */
2877         90,     /* 8K   */
2878         80,     /* 16K  */
2879         70,     /* 32K  */
2880         60,     /* 64K  */
2881         50,     /* 128K */
2882         40,     /* 256K */
2883         30,     /* 512K */
2884         20,     /* 1M   */
2885         15,     /* 2M   */
2886         10,     /* 4M   */
2887         5,      /* 8M   */
2888         0       /* 16M  */
2889 };
2890
2891 /*
2892  * Calculate the metaslab's fragmentation metric and set ms_fragmentation.
2893  * Setting this value to ZFS_FRAG_INVALID means that the metaslab has not
2894  * been upgraded and does not support this metric. Otherwise, the return
2895  * value should be in the range [0, 100].
2896  */
2897 static void
2898 metaslab_set_fragmentation(metaslab_t *msp, boolean_t nodirty)
2899 {
2900         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
2901         uint64_t fragmentation = 0;
2902         uint64_t total = 0;
2903         boolean_t feature_enabled = spa_feature_is_enabled(spa,
2904             SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM);
2905
2906         if (!feature_enabled) {
2907                 msp->ms_fragmentation = ZFS_FRAG_INVALID;
2908                 return;
2909         }
2910
2911         /*
2912          * A null space map means that the entire metaslab is free
2913          * and thus is not fragmented.
2914          */
2915         if (msp->ms_sm == NULL) {
2916                 msp->ms_fragmentation = 0;
2917                 return;
2918         }
2919
2920         /*
2921          * If this metaslab's space map has not been upgraded, flag it
2922          * so that we upgrade next time we encounter it.
2923          */
2924         if (msp->ms_sm->sm_dbuf->db_size != sizeof (space_map_phys_t)) {
2925                 uint64_t txg = spa_syncing_txg(spa);
2926                 vdev_t *vd = msp->ms_group->mg_vd;
2927
2928                 /*
2929                  * If we've reached the final dirty txg, then we must
2930                  * be shutting down the pool. We don't want to dirty
2931                  * any data past this point so skip setting the condense
2932                  * flag. We can retry this action the next time the pool
2933                  * is imported. We also skip marking this metaslab for
2934                  * condensing if the caller has explicitly set nodirty.
2935                  */
2936                 if (!nodirty &&
2937                     spa_writeable(spa) && txg < spa_final_dirty_txg(spa)) {
2938                         msp->ms_condense_wanted = B_TRUE;
2939                         vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg + 1);
2940                         zfs_dbgmsg("txg %llu, requesting force condense: "
2941                             "ms_id %llu, vdev_id %llu", (u_longlong_t)txg,
2942                             (u_longlong_t)msp->ms_id,
2943                             (u_longlong_t)vd->vdev_id);
2944                 }
2945                 msp->ms_fragmentation = ZFS_FRAG_INVALID;
2946                 return;
2947         }
2948
2949         for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
2950                 uint64_t space = 0;
2951                 uint8_t shift = msp->ms_sm->sm_shift;
2952
2953                 int idx = MIN(shift - SPA_MINBLOCKSHIFT + i,
2954                     FRAGMENTATION_TABLE_SIZE - 1);
2955
2956                 if (msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i] == 0)
2957                         continue;
2958
2959                 space = msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i] << (i + shift);
2960                 total += space;
2961
2962                 ASSERT3U(idx, <, FRAGMENTATION_TABLE_SIZE);
2963                 fragmentation += space * zfs_frag_table[idx];
2964         }
2965
2966         if (total > 0)
2967                 fragmentation /= total;
2968         ASSERT3U(fragmentation, <=, 100);
2969
2970         msp->ms_fragmentation = fragmentation;
2971 }
2972
2973 /*
2974  * Compute a weight -- a selection preference value -- for the given metaslab.
2975  * This is based on the amount of free space, the level of fragmentation,
2976  * the LBA range, and whether the metaslab is loaded.
2977  */
2978 static uint64_t
2979 metaslab_space_weight(metaslab_t *msp)
2980 {
2981         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
2982         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
2983         uint64_t weight, space;
2984
2985         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2986
2987         /*
2988          * The baseline weight is the metaslab's free space.
2989          */
2990         space = msp->ms_size - metaslab_allocated_space(msp);
2991
2992         if (metaslab_fragmentation_factor_enabled &&
2993             msp->ms_fragmentation != ZFS_FRAG_INVALID) {
2994                 /*
2995                  * Use the fragmentation information to inversely scale
2996                  * down the baseline weight. We need to ensure that we
2997                  * don't exclude this metaslab completely when it's 100%
2998                  * fragmented. To avoid this we reduce the fragmented value
2999                  * by 1.
3000                  */
3001                 space = (space * (100 - (msp->ms_fragmentation - 1))) / 100;
3002
3003                 /*
3004                  * If space < SPA_MINBLOCKSIZE, then we will not allocate from
3005                  * this metaslab again. The fragmentation metric may have
3006                  * decreased the space to something smaller than
3007                  * SPA_MINBLOCKSIZE, so reset the space to SPA_MINBLOCKSIZE
3008                  * so that we can consume any remaining space.
3009                  */
3010                 if (space > 0 && space < SPA_MINBLOCKSIZE)
3011                         space = SPA_MINBLOCKSIZE;
3012         }
3013         weight = space;
3014
3015         /*
3016          * Modern disks have uniform bit density and constant angular velocity.
3017          * Therefore, the outer recording zones are faster (higher bandwidth)
3018          * than the inner zones by the ratio of outer to inner track diameter,
3019          * which is typically around 2:1.  We account for this by assigning
3020          * higher weight to lower metaslabs (multiplier ranging from 2x to 1x).
3021          * In effect, this means that we'll select the metaslab with the most
3022          * free bandwidth rather than simply the one with the most free space.
3023          */
3024         if (!vd->vdev_nonrot && metaslab_lba_weighting_enabled) {
3025                 weight = 2 * weight - (msp->ms_id * weight) / vd->vdev_ms_count;
3026                 ASSERT(weight >= space && weight <= 2 * space);
3027         }
3028
3029         /*
3030          * If this metaslab is one we're actively using, adjust its
3031          * weight to make it preferable to any inactive metaslab so
3032          * we'll polish it off. If the fragmentation on this metaslab
3033          * has exceed our threshold, then don't mark it active.
3034          */
3035         if (msp->ms_loaded && msp->ms_fragmentation != ZFS_FRAG_INVALID &&
3036             msp->ms_fragmentation <= zfs_metaslab_fragmentation_threshold) {
3037                 weight |= (msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
3038         }
3039
3040         WEIGHT_SET_SPACEBASED(weight);
3041         return (weight);
3042 }
3043
3044 /*
3045  * Return the weight of the specified metaslab, according to the segment-based
3046  * weighting algorithm. The metaslab must be loaded. This function can
3047  * be called within a sync pass since it relies only on the metaslab's
3048  * range tree which is always accurate when the metaslab is loaded.
3049  */
3050 static uint64_t
3051 metaslab_weight_from_range_tree(metaslab_t *msp)
3052 {
3053         uint64_t weight = 0;
3054         uint32_t segments = 0;
3055
3056         ASSERT(msp->ms_loaded);
3057
3058         for (int i = RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE - 1; i >= SPA_MINBLOCKSHIFT;
3059             i--) {
3060                 uint8_t shift = msp->ms_group->mg_vd->vdev_ashift;
3061                 int max_idx = SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE + shift - 1;
3062
3063                 segments <<= 1;
3064                 segments += msp->ms_allocatable->rt_histogram[i];
3065
3066                 /*
3067                  * The range tree provides more precision than the space map
3068                  * and must be downgraded so that all values fit within the
3069                  * space map's histogram. This allows us to compare loaded
3070                  * vs. unloaded metaslabs to determine which metaslab is
3071                  * considered "best".
3072                  */
3073                 if (i > max_idx)
3074                         continue;
3075
3076                 if (segments != 0) {
3077                         WEIGHT_SET_COUNT(weight, segments);
3078                         WEIGHT_SET_INDEX(weight, i);
3079                         WEIGHT_SET_ACTIVE(weight, 0);
3080                         break;
3081                 }
3082         }
3083         return (weight);
3084 }
3085
3086 /*
3087  * Calculate the weight based on the on-disk histogram. Should be applied
3088  * only to unloaded metaslabs  (i.e no incoming allocations) in-order to
3089  * give results consistent with the on-disk state
3090  */
3091 static uint64_t
3092 metaslab_weight_from_spacemap(metaslab_t *msp)
3093 {
3094         space_map_t *sm = msp->ms_sm;
3095         ASSERT(!msp->ms_loaded);
3096         ASSERT(sm != NULL);
3097         ASSERT3U(space_map_object(sm), !=, 0);
3098         ASSERT3U(sm->sm_dbuf->db_size, ==, sizeof (space_map_phys_t));
3099
3100         /*
3101          * Create a joint histogram from all the segments that have made
3102          * it to the metaslab's space map histogram, that are not yet
3103          * available for allocation because they are still in the freeing
3104          * pipeline (e.g. freeing, freed, and defer trees). Then subtract
3105          * these segments from the space map's histogram to get a more
3106          * accurate weight.
3107          */
3108         uint64_t deferspace_histogram[SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE] = {0};
3109         for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++)
3110                 deferspace_histogram[i] += msp->ms_synchist[i];
3111         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
3112                 for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
3113                         deferspace_histogram[i] += msp->ms_deferhist[t][i];
3114                 }
3115         }
3116
3117         uint64_t weight = 0;
3118         for (int i = SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE - 1; i >= 0; i--) {
3119                 ASSERT3U(sm->sm_phys->smp_histogram[i], >=,
3120                     deferspace_histogram[i]);
3121                 uint64_t count =
3122                     sm->sm_phys->smp_histogram[i] - deferspace_histogram[i];
3123                 if (count != 0) {
3124                         WEIGHT_SET_COUNT(weight, count);
3125                         WEIGHT_SET_INDEX(weight, i + sm->sm_shift);
3126                         WEIGHT_SET_ACTIVE(weight, 0);
3127                         break;
3128                 }
3129         }
3130         return (weight);
3131 }
3132
3133 /*
3134  * Compute a segment-based weight for the specified metaslab. The weight
3135  * is determined by highest bucket in the histogram. The information
3136  * for the highest bucket is encoded into the weight value.
3137  */
3138 static uint64_t
3139 metaslab_segment_weight(metaslab_t *msp)
3140 {
3141         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
3142         uint64_t weight = 0;
3143         uint8_t shift = mg->mg_vd->vdev_ashift;
3144
3145         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3146
3147         /*
3148          * The metaslab is completely free.
3149          */
3150         if (metaslab_allocated_space(msp) == 0) {
3151                 int idx = highbit64(msp->ms_size) - 1;
3152                 int max_idx = SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE + shift - 1;
3153
3154                 if (idx < max_idx) {
3155                         WEIGHT_SET_COUNT(weight, 1ULL);
3156                         WEIGHT_SET_INDEX(weight, idx);
3157                 } else {
3158                         WEIGHT_SET_COUNT(weight, 1ULL << (idx - max_idx));
3159                         WEIGHT_SET_INDEX(weight, max_idx);
3160                 }
3161                 WEIGHT_SET_ACTIVE(weight, 0);
3162                 ASSERT(!WEIGHT_IS_SPACEBASED(weight));
3163                 return (weight);
3164         }
3165
3166         ASSERT3U(msp->ms_sm->sm_dbuf->db_size, ==, sizeof (space_map_phys_t));
3167
3168         /*
3169          * If the metaslab is fully allocated then just make the weight 0.
3170          */
3171         if (metaslab_allocated_space(msp) == msp->ms_size)
3172                 return (0);
3173         /*
3174          * If the metaslab is already loaded, then use the range tree to
3175          * determine the weight. Otherwise, we rely on the space map information
3176          * to generate the weight.
3177          */
3178         if (msp->ms_loaded) {
3179                 weight = metaslab_weight_from_range_tree(msp);
3180         } else {
3181                 weight = metaslab_weight_from_spacemap(msp);
3182         }
3183
3184         /*
3185          * If the metaslab was active the last time we calculated its weight
3186          * then keep it active. We want to consume the entire region that
3187          * is associated with this weight.
3188          */
3189         if (msp->ms_activation_weight != 0 && weight != 0)
3190                 WEIGHT_SET_ACTIVE(weight, WEIGHT_GET_ACTIVE(msp->ms_weight));
3191         return (weight);
3192 }
3193
3194 /*
3195  * Determine if we should attempt to allocate from this metaslab. If the
3196  * metaslab is loaded, then we can determine if the desired allocation
3197  * can be satisfied by looking at the size of the maximum free segment
3198  * on that metaslab. Otherwise, we make our decision based on the metaslab's
3199  * weight. For segment-based weighting we can determine the maximum
3200  * allocation based on the index encoded in its value. For space-based
3201  * weights we rely on the entire weight (excluding the weight-type bit).
3202  */
3203 static boolean_t
3204 metaslab_should_allocate(metaslab_t *msp, uint64_t asize, boolean_t try_hard)
3205 {
3206         /*
3207          * If the metaslab is loaded, ms_max_size is definitive and we can use
3208          * the fast check. If it's not, the ms_max_size is a lower bound (once
3209          * set), and we should use the fast check as long as we're not in
3210          * try_hard and it's been less than zfs_metaslab_max_size_cache_sec
3211          * seconds since the metaslab was unloaded.
3212          */
3213         if (msp->ms_loaded ||
3214             (msp->ms_max_size != 0 && !try_hard && gethrtime() <
3215             msp->ms_unload_time + SEC2NSEC(zfs_metaslab_max_size_cache_sec)))
3216                 return (msp->ms_max_size >= asize);
3217
3218         boolean_t should_allocate;
3219         if (!WEIGHT_IS_SPACEBASED(msp->ms_weight)) {
3220                 /*
3221                  * The metaslab segment weight indicates segments in the
3222                  * range [2^i, 2^(i+1)), where i is the index in the weight.
3223                  * Since the asize might be in the middle of the range, we
3224                  * should attempt the allocation if asize < 2^(i+1).
3225                  */
3226                 should_allocate = (asize <
3227                     1ULL << (WEIGHT_GET_INDEX(msp->ms_weight) + 1));
3228         } else {
3229                 should_allocate = (asize <=
3230                     (msp->ms_weight & ~METASLAB_WEIGHT_TYPE));
3231         }
3232
3233         return (should_allocate);
3234 }
3235
3236 static uint64_t
3237 metaslab_weight(metaslab_t *msp, boolean_t nodirty)
3238 {
3239         vdev_t *vd = msp->ms_group->mg_vd;
3240         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
3241         uint64_t weight;
3242
3243         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3244
3245         metaslab_set_fragmentation(msp, nodirty);
3246
3247         /*
3248          * Update the maximum size. If the metaslab is loaded, this will
3249          * ensure that we get an accurate maximum size if newly freed space
3250          * has been added back into the free tree. If the metaslab is
3251          * unloaded, we check if there's a larger free segment in the
3252          * unflushed frees. This is a lower bound on the largest allocatable
3253          * segment size. Coalescing of adjacent entries may reveal larger
3254          * allocatable segments, but we aren't aware of those until loading
3255          * the space map into a range tree.
3256          */
3257         if (msp->ms_loaded) {
3258                 msp->ms_max_size = metaslab_largest_allocatable(msp);
3259         } else {
3260                 msp->ms_max_size = MAX(msp->ms_max_size,
3261                     metaslab_largest_unflushed_free(msp));
3262         }
3263
3264         /*
3265          * Segment-based weighting requires space map histogram support.
3266          */
3267         if (zfs_metaslab_segment_weight_enabled &&
3268             spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM) &&
3269             (msp->ms_sm == NULL || msp->ms_sm->sm_dbuf->db_size ==
3270             sizeof (space_map_phys_t))) {
3271                 weight = metaslab_segment_weight(msp);
3272         } else {
3273                 weight = metaslab_space_weight(msp);
3274         }
3275         return (weight);
3276 }
3277
3278 void
3279 metaslab_recalculate_weight_and_sort(metaslab_t *msp)
3280 {
3281         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3282
3283         /* note: we preserve the mask (e.g. indication of primary, etc..) */
3284         uint64_t was_active = msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK;
3285         metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp,
3286             metaslab_weight(msp, B_FALSE) | was_active);
3287 }
3288
3289 static int
3290 metaslab_activate_allocator(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp,
3291     int allocator, uint64_t activation_weight)
3292 {
3293         metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[allocator];
3294         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3295
3296         /*
3297          * If we're activating for the claim code, we don't want to actually
3298          * set the metaslab up for a specific allocator.
3299          */
3300         if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_CLAIM) {
3301                 ASSERT0(msp->ms_activation_weight);
3302                 msp->ms_activation_weight = msp->ms_weight;
3303                 metaslab_group_sort(mg, msp, msp->ms_weight |
3304                     activation_weight);
3305                 return (0);
3306         }
3307
3308         metaslab_t **mspp = (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY ?
3309             &mga->mga_primary : &mga->mga_secondary);
3310
3311         mutex_enter(&mg->mg_lock);
3312         if (*mspp != NULL) {
3313                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
3314                 return (EEXIST);
3315         }
3316
3317         *mspp = msp;
3318         ASSERT3S(msp->ms_allocator, ==, -1);
3319         msp->ms_allocator = allocator;
3320         msp->ms_primary = (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY);
3321
3322         ASSERT0(msp->ms_activation_weight);
3323         msp->ms_activation_weight = msp->ms_weight;
3324         metaslab_group_sort_impl(mg, msp,
3325             msp->ms_weight | activation_weight);
3326         mutex_exit(&mg->mg_lock);
3327
3328         return (0);
3329 }
3330
3331 static int
3332 metaslab_activate(metaslab_t *msp, int allocator, uint64_t activation_weight)
3333 {
3334         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3335
3336         /*
3337          * The current metaslab is already activated for us so there
3338          * is nothing to do. Already activated though, doesn't mean
3339          * that this metaslab is activated for our allocator nor our
3340          * requested activation weight. The metaslab could have started
3341          * as an active one for our allocator but changed allocators
3342          * while we were waiting to grab its ms_lock or we stole it
3343          * [see find_valid_metaslab()]. This means that there is a
3344          * possibility of passivating a metaslab of another allocator
3345          * or from a different activation mask, from this thread.
3346          */
3347         if ((msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) != 0) {
3348                 ASSERT(msp->ms_loaded);
3349                 return (0);
3350         }
3351
3352         int error = metaslab_load(msp);
3353         if (error != 0) {
3354                 metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp, 0);
3355                 return (error);
3356         }
3357
3358         /*
3359          * When entering metaslab_load() we may have dropped the
3360          * ms_lock because we were loading this metaslab, or we
3361          * were waiting for another thread to load it for us. In
3362          * that scenario, we recheck the weight of the metaslab
3363          * to see if it was activated by another thread.
3364          *
3365          * If the metaslab was activated for another allocator or
3366          * it was activated with a different activation weight (e.g.
3367          * we wanted to make it a primary but it was activated as
3368          * secondary) we return error (EBUSY).
3369          *
3370          * If the metaslab was activated for the same allocator
3371          * and requested activation mask, skip activating it.
3372          */
3373         if ((msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) != 0) {
3374                 if (msp->ms_allocator != allocator)
3375                         return (EBUSY);
3376
3377                 if ((msp->ms_weight & activation_weight) == 0)
3378                         return (SET_ERROR(EBUSY));
3379
3380                 EQUIV((activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY),
3381                     msp->ms_primary);
3382                 return (0);
3383         }
3384
3385         /*
3386          * If the metaslab has literally 0 space, it will have weight 0. In
3387          * that case, don't bother activating it. This can happen if the
3388          * metaslab had space during find_valid_metaslab, but another thread
3389          * loaded it and used all that space while we were waiting to grab the
3390          * lock.
3391          */
3392         if (msp->ms_weight == 0) {
3393                 ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_allocatable));
3394                 return (SET_ERROR(ENOSPC));
3395         }
3396
3397         if ((error = metaslab_activate_allocator(msp->ms_group, msp,
3398             allocator, activation_weight)) != 0) {
3399                 return (error);
3400         }
3401
3402         ASSERT(msp->ms_loaded);
3403         ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
3404
3405         return (0);
3406 }
3407
3408 static void
3409 metaslab_passivate_allocator(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp,
3410     uint64_t weight)
3411 {
3412         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3413         ASSERT(msp->ms_loaded);
3414
3415         if (msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_CLAIM) {
3416                 metaslab_group_sort(mg, msp, weight);
3417                 return;
3418         }
3419
3420         mutex_enter(&mg->mg_lock);
3421         ASSERT3P(msp->ms_group, ==, mg);
3422         ASSERT3S(0, <=, msp->ms_allocator);
3423         ASSERT3U(msp->ms_allocator, <, mg->mg_allocators);
3424
3425         metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[msp->ms_allocator];
3426         if (msp->ms_primary) {
3427                 ASSERT3P(mga->mga_primary, ==, msp);
3428                 ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_PRIMARY);
3429                 mga->mga_primary = NULL;
3430         } else {
3431                 ASSERT3P(mga->mga_secondary, ==, msp);
3432                 ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_SECONDARY);
3433                 mga->mga_secondary = NULL;
3434         }
3435         msp->ms_allocator = -1;
3436         metaslab_group_sort_impl(mg, msp, weight);
3437         mutex_exit(&mg->mg_lock);
3438 }
3439
3440 static void
3441 metaslab_passivate(metaslab_t *msp, uint64_t weight)
3442 {
3443         uint64_t size __maybe_unused = weight & ~METASLAB_WEIGHT_TYPE;
3444
3445         /*
3446          * If size < SPA_MINBLOCKSIZE, then we will not allocate from
3447          * this metaslab again.  In that case, it had better be empty,
3448          * or we would be leaving space on the table.
3449          */
3450         ASSERT(!WEIGHT_IS_SPACEBASED(msp->ms_weight) ||
3451             size >= SPA_MINBLOCKSIZE ||
3452             range_tree_space(msp->ms_allocatable) == 0);
3453         ASSERT0(weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
3454
3455         ASSERT(msp->ms_activation_weight != 0);
3456         msp->ms_activation_weight = 0;
3457         metaslab_passivate_allocator(msp->ms_group, msp, weight);
3458         ASSERT0(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
3459 }
3460
3461 /*
3462  * Segment-based metaslabs are activated once and remain active until
3463  * we either fail an allocation attempt (similar to space-based metaslabs)
3464  * or have exhausted the free space in zfs_metaslab_switch_threshold
3465  * buckets since the metaslab was activated. This function checks to see
3466  * if we've exhausted the zfs_metaslab_switch_threshold buckets in the
3467  * metaslab and passivates it proactively. This will allow us to select a
3468  * metaslab with a larger contiguous region, if any, remaining within this
3469  * metaslab group. If we're in sync pass > 1, then we continue using this
3470  * metaslab so that we don't dirty more block and cause more sync passes.
3471  */
3472 static void
3473 metaslab_segment_may_passivate(metaslab_t *msp)
3474 {
3475         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
3476
3477         if (WEIGHT_IS_SPACEBASED(msp->ms_weight) || spa_sync_pass(spa) > 1)
3478                 return;
3479
3480         /*
3481          * Since we are in the middle of a sync pass, the most accurate
3482          * information that is accessible to us is the in-core range tree
3483          * histogram; calculate the new weight based on that information.
3484          */
3485         uint64_t weight = metaslab_weight_from_range_tree(msp);
3486         int activation_idx = WEIGHT_GET_INDEX(msp->ms_activation_weight);
3487         int current_idx = WEIGHT_GET_INDEX(weight);
3488
3489         if (current_idx <= activation_idx - zfs_metaslab_switch_threshold)
3490                 metaslab_passivate(msp, weight);
3491 }
3492
3493 static void
3494 metaslab_preload(void *arg)
3495 {
3496         metaslab_t *msp = arg;
3497         metaslab_class_t *mc = msp->ms_group->mg_class;
3498         spa_t *spa = mc->mc_spa;
3499         fstrans_cookie_t cookie = spl_fstrans_mark();
3500
3501         ASSERT(!MUTEX_HELD(&msp->ms_group->mg_lock));
3502
3503         mutex_enter(&msp->ms_lock);
3504         (void) metaslab_load(msp);
3505         metaslab_set_selected_txg(msp, spa_syncing_txg(spa));
3506         mutex_exit(&msp->ms_lock);
3507         spl_fstrans_unmark(cookie);
3508 }
3509
3510 static void
3511 metaslab_group_preload(metaslab_group_t *mg)
3512 {
3513         spa_t *spa = mg->mg_vd->vdev_spa;
3514         metaslab_t *msp;
3515         avl_tree_t *t = &mg->mg_metaslab_tree;
3516         int m = 0;
3517
3518         if (spa_shutting_down(spa) || !metaslab_preload_enabled) {
3519                 taskq_wait_outstanding(mg->mg_taskq, 0);
3520                 return;
3521         }
3522
3523         mutex_enter(&mg->mg_lock);
3524
3525         /*
3526          * Load the next potential metaslabs
3527          */
3528         for (msp = avl_first(t); msp != NULL; msp = AVL_NEXT(t, msp)) {
3529                 ASSERT3P(msp->ms_group, ==, mg);
3530
3531                 /*
3532                  * We preload only the maximum number of metaslabs specified
3533                  * by metaslab_preload_limit. If a metaslab is being forced
3534                  * to condense then we preload it too. This will ensure
3535                  * that force condensing happens in the next txg.
3536                  */
3537                 if (++m > metaslab_preload_limit && !msp->ms_condense_wanted) {
3538                         continue;
3539                 }
3540
3541                 VERIFY(taskq_dispatch(mg->mg_taskq, metaslab_preload,
3542                     msp, TQ_SLEEP) != TASKQID_INVALID);
3543         }
3544         mutex_exit(&mg->mg_lock);
3545 }
3546
3547 /*
3548  * Determine if the space map's on-disk footprint is past our tolerance for
3549  * inefficiency. We would like to use the following criteria to make our
3550  * decision:
3551  *
3552  * 1. Do not condense if the size of the space map object would dramatically
3553  *    increase as a result of writing out the free space range tree.
3554  *
3555  * 2. Condense if the on on-disk space map representation is at least
3556  *    zfs_condense_pct/100 times the size of the optimal representation
3557  *    (i.e. zfs_condense_pct = 110 and in-core = 1MB, optimal = 1.1MB).
3558  *
3559  * 3. Do not condense if the on-disk size of the space map does not actually
3560  *    decrease.
3561  *
3562  * Unfortunately, we cannot compute the on-disk size of the space map in this
3563  * context because we cannot accurately compute the effects of compression, etc.
3564  * Instead, we apply the heuristic described in the block comment for
3565  * zfs_metaslab_condense_block_threshold - we only condense if the space used
3566  * is greater than a threshold number of blocks.
3567  */
3568 static boolean_t
3569 metaslab_should_condense(metaslab_t *msp)
3570 {
3571         space_map_t *sm = msp->ms_sm;
3572         vdev_t *vd = msp->ms_group->mg_vd;
3573         uint64_t vdev_blocksize = 1ULL << vd->vdev_ashift;
3574
3575         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3576         ASSERT(msp->ms_loaded);
3577         ASSERT(sm != NULL);
3578         ASSERT3U(spa_sync_pass(vd->vdev_spa), ==, 1);
3579
3580         /*
3581          * We always condense metaslabs that are empty and metaslabs for
3582          * which a condense request has been made.
3583          */
3584         if (range_tree_numsegs(msp->ms_allocatable) == 0 ||
3585             msp->ms_condense_wanted)
3586                 return (B_TRUE);
3587
3588         uint64_t record_size = MAX(sm->sm_blksz, vdev_blocksize);
3589         uint64_t object_size = space_map_length(sm);
3590         uint64_t optimal_size = space_map_estimate_optimal_size(sm,
3591             msp->ms_allocatable, SM_NO_VDEVID);
3592
3593         return (object_size >= (optimal_size * zfs_condense_pct / 100) &&
3594             object_size > zfs_metaslab_condense_block_threshold * record_size);
3595 }
3596
3597 /*
3598  * Condense the on-disk space map representation to its minimized form.
3599  * The minimized form consists of a small number of allocations followed
3600  * by the entries of the free range tree (ms_allocatable). The condensed
3601  * spacemap contains all the entries of previous TXGs (including those in
3602  * the pool-wide log spacemaps; thus this is effectively a superset of
3603  * metaslab_flush()), but this TXG's entries still need to be written.
3604  */
3605 static void
3606 metaslab_condense(metaslab_t *msp, dmu_tx_t *tx)
3607 {
3608         range_tree_t *condense_tree;
3609         space_map_t *sm = msp->ms_sm;
3610         uint64_t txg = dmu_tx_get_txg(tx);
3611         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
3612
3613         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3614         ASSERT(msp->ms_loaded);
3615         ASSERT(msp->ms_sm != NULL);
3616
3617         /*
3618          * In order to condense the space map, we need to change it so it
3619          * only describes which segments are currently allocated and free.
3620          *
3621          * All the current free space resides in the ms_allocatable, all
3622          * the ms_defer trees, and all the ms_allocating trees. We ignore
3623          * ms_freed because it is empty because we're in sync pass 1. We
3624          * ignore ms_freeing because these changes are not yet reflected
3625          * in the spacemap (they will be written later this txg).
3626          *
3627          * So to truncate the space map to represent all the entries of
3628          * previous TXGs we do the following:
3629          *
3630          * 1] We create a range tree (condense tree) that is 100% empty.
3631          * 2] We add to it all segments found in the ms_defer trees
3632          *    as those segments are marked as free in the original space
3633          *    map. We do the same with the ms_allocating trees for the same
3634          *    reason. Adding these segments should be a relatively
3635          *    inexpensive operation since we expect these trees to have a
3636          *    small number of nodes.
3637          * 3] We vacate any unflushed allocs, since they are not frees we
3638          *    need to add to the condense tree. Then we vacate any
3639          *    unflushed frees as they should already be part of ms_allocatable.
3640          * 4] At this point, we would ideally like to add all segments
3641          *    in the ms_allocatable tree from the condense tree. This way
3642          *    we would write all the entries of the condense tree as the
3643          *    condensed space map, which would only contain freed
3644          *    segments with everything else assumed to be allocated.
3645          *
3646          *    Doing so can be prohibitively expensive as ms_allocatable can
3647          *    be large, and therefore computationally expensive to add to
3648          *    the condense_tree. Instead we first sync out an entry marking
3649          *    everything as allocated, then the condense_tree and then the
3650          *    ms_allocatable, in the condensed space map. While this is not
3651          *    optimal, it is typically close to optimal and more importantly
3652          *    much cheaper to compute.
3653          *
3654          * 5] Finally, as both of the unflushed trees were written to our
3655          *    new and condensed metaslab space map, we basically flushed
3656          *    all the unflushed changes to disk, thus we call
3657          *    metaslab_flush_update().
3658          */
3659         ASSERT3U(spa_sync_pass(spa), ==, 1);
3660         ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_freed)); /* since it is pass 1 */
3661
3662         zfs_dbgmsg("condensing: txg %llu, msp[%llu] %px, vdev id %llu, "
3663             "spa %s, smp size %llu, segments %llu, forcing condense=%s",
3664             (u_longlong_t)txg, (u_longlong_t)msp->ms_id, msp,
3665             (u_longlong_t)msp->ms_group->mg_vd->vdev_id,
3666             spa->spa_name, (u_longlong_t)space_map_length(msp->ms_sm),
3667             (u_longlong_t)range_tree_numsegs(msp->ms_allocatable),
3668             msp->ms_condense_wanted ? "TRUE" : "FALSE");
3669
3670         msp->ms_condense_wanted = B_FALSE;
3671
3672         range_seg_type_t type;
3673         uint64_t shift, start;
3674         type = metaslab_calculate_range_tree_type(msp->ms_group->mg_vd, msp,
3675             &start, &shift);
3676
3677         condense_tree = range_tree_create(NULL, type, NULL, start, shift);
3678
3679         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
3680                 range_tree_walk(msp->ms_defer[t],
3681                     range_tree_add, condense_tree);
3682         }
3683
3684         for (int t = 0; t < TXG_CONCURRENT_STATES; t++) {
3685                 range_tree_walk(msp->ms_allocating[(txg + t) & TXG_MASK],
3686                     range_tree_add, condense_tree);
3687         }
3688
3689         ASSERT3U(spa->spa_unflushed_stats.sus_memused, >=,
3690             metaslab_unflushed_changes_memused(msp));
3691         spa->spa_unflushed_stats.sus_memused -=
3692             metaslab_unflushed_changes_memused(msp);
3693         range_tree_vacate(msp->ms_unflushed_allocs, NULL, NULL);
3694         range_tree_vacate(msp->ms_unflushed_frees, NULL, NULL);
3695
3696         /*
3697          * We're about to drop the metaslab's lock thus allowing other
3698          * consumers to change it's content. Set the metaslab's ms_condensing
3699          * flag to ensure that allocations on this metaslab do not occur
3700          * while we're in the middle of committing it to disk. This is only
3701          * critical for ms_allocatable as all other range trees use per TXG
3702          * views of their content.
3703          */
3704         msp->ms_condensing = B_TRUE;
3705
3706         mutex_exit(&msp->ms_lock);
3707         uint64_t object = space_map_object(msp->ms_sm);
3708         space_map_truncate(sm,
3709             spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP) ?
3710             zfs_metaslab_sm_blksz_with_log : zfs_metaslab_sm_blksz_no_log, tx);
3711
3712         /*
3713          * space_map_truncate() may have reallocated the spacemap object.
3714          * If so, update the vdev_ms_array.
3715          */
3716         if (space_map_object(msp->ms_sm) != object) {
3717                 object = space_map_object(msp->ms_sm);
3718                 dmu_write(spa->spa_meta_objset,
3719                     msp->ms_group->mg_vd->vdev_ms_array, sizeof (uint64_t) *
3720                     msp->ms_id, sizeof (uint64_t), &object, tx);
3721         }
3722
3723         /*
3724          * Note:
3725          * When the log space map feature is enabled, each space map will
3726          * always have ALLOCS followed by FREES for each sync pass. This is
3727          * typically true even when the log space map feature is disabled,
3728          * except from the case where a metaslab goes through metaslab_sync()
3729          * and gets condensed. In that case the metaslab's space map will have
3730          * ALLOCS followed by FREES (due to condensing) followed by ALLOCS
3731          * followed by FREES (due to space_map_write() in metaslab_sync()) for
3732          * sync pass 1.
3733          */
3734         range_tree_t *tmp_tree = range_tree_create(NULL, type, NULL, start,
3735             shift);
3736         range_tree_add(tmp_tree, msp->ms_start, msp->ms_size);
3737         space_map_write(sm, tmp_tree, SM_ALLOC, SM_NO_VDEVID, tx);
3738         space_map_write(sm, msp->ms_allocatable, SM_FREE, SM_NO_VDEVID, tx);
3739         space_map_write(sm, condense_tree, SM_FREE, SM_NO_VDEVID, tx);
3740
3741         range_tree_vacate(condense_tree, NULL, NULL);
3742         range_tree_destroy(condense_tree);
3743         range_tree_vacate(tmp_tree, NULL, NULL);
3744         range_tree_destroy(tmp_tree);
3745         mutex_enter(&msp->ms_lock);
3746
3747         msp->ms_condensing = B_FALSE;
3748         metaslab_flush_update(msp, tx);
3749 }
3750
3751 static void
3752 metaslab_unflushed_add(metaslab_t *msp, dmu_tx_t *tx)
3753 {
3754         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
3755         ASSERT(spa_syncing_log_sm(spa) != NULL);
3756         ASSERT(msp->ms_sm != NULL);
3757         ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_unflushed_allocs));
3758         ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_unflushed_frees));
3759
3760         mutex_enter(&spa->spa_flushed_ms_lock);
3761         metaslab_set_unflushed_txg(msp, spa_syncing_txg(spa), tx);
3762         metaslab_set_unflushed_dirty(msp, B_TRUE);
3763         avl_add(&spa->spa_metaslabs_by_flushed, msp);
3764         mutex_exit(&spa->spa_flushed_ms_lock);
3765
3766         spa_log_sm_increment_current_mscount(spa);
3767         spa_log_summary_add_flushed_metaslab(spa, B_TRUE);
3768 }
3769
3770 void
3771 metaslab_unflushed_bump(metaslab_t *msp, dmu_tx_t *tx, boolean_t dirty)
3772 {
3773         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
3774         ASSERT(spa_syncing_log_sm(spa) != NULL);
3775         ASSERT(msp->ms_sm != NULL);
3776         ASSERT(metaslab_unflushed_txg(msp) != 0);
3777         ASSERT3P(avl_find(&spa->spa_metaslabs_by_flushed, msp, NULL), ==, msp);
3778         ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_unflushed_allocs));
3779         ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_unflushed_frees));
3780
3781         VERIFY3U(tx->tx_txg, <=, spa_final_dirty_txg(spa));
3782
3783         /* update metaslab's position in our flushing tree */
3784         uint64_t ms_prev_flushed_txg = metaslab_unflushed_txg(msp);
3785         boolean_t ms_prev_flushed_dirty = metaslab_unflushed_dirty(msp);
3786         mutex_enter(&spa->spa_flushed_ms_lock);
3787         avl_remove(&spa->spa_metaslabs_by_flushed, msp);
3788         metaslab_set_unflushed_txg(msp, spa_syncing_txg(spa), tx);
3789         metaslab_set_unflushed_dirty(msp, dirty);
3790         avl_add(&spa->spa_metaslabs_by_flushed, msp);
3791         mutex_exit(&spa->spa_flushed_ms_lock);
3792
3793         /* update metaslab counts of spa_log_sm_t nodes */
3794         spa_log_sm_decrement_mscount(spa, ms_prev_flushed_txg);
3795         spa_log_sm_increment_current_mscount(spa);
3796
3797         /* update log space map summary */
3798         spa_log_summary_decrement_mscount(spa, ms_prev_flushed_txg,
3799             ms_prev_flushed_dirty);
3800         spa_log_summary_add_flushed_metaslab(spa, dirty);
3801
3802         /* cleanup obsolete logs if any */
3803         spa_cleanup_old_sm_logs(spa, tx);
3804 }
3805
3806 /*
3807  * Called when the metaslab has been flushed (its own spacemap now reflects
3808  * all the contents of the pool-wide spacemap log). Updates the metaslab's
3809  * metadata and any pool-wide related log space map data (e.g. summary,
3810  * obsolete logs, etc..) to reflect that.
3811  */
3812 static void
3813 metaslab_flush_update(metaslab_t *msp, dmu_tx_t *tx)
3814 {
3815         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
3816         spa_t *spa = mg->mg_vd->vdev_spa;
3817
3818         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3819
3820         ASSERT3U(spa_sync_pass(spa), ==, 1);
3821
3822         /*
3823          * Just because a metaslab got flushed, that doesn't mean that
3824          * it will pass through metaslab_sync_done(). Thus, make sure to
3825          * update ms_synced_length here in case it doesn't.
3826          */
3827         msp->ms_synced_length = space_map_length(msp->ms_sm);
3828
3829         /*
3830          * We may end up here from metaslab_condense() without the
3831          * feature being active. In that case this is a no-op.
3832          */
3833         if (!spa_feature_is_active(spa, SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP) ||
3834             metaslab_unflushed_txg(msp) == 0)
3835                 return;
3836
3837         metaslab_unflushed_bump(msp, tx, B_FALSE);
3838 }
3839
3840 boolean_t
3841 metaslab_flush(metaslab_t *msp, dmu_tx_t *tx)
3842 {
3843         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
3844
3845         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3846         ASSERT3U(spa_sync_pass(spa), ==, 1);
3847         ASSERT(spa_feature_is_active(spa, SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP));
3848
3849         ASSERT(msp->ms_sm != NULL);
3850         ASSERT(metaslab_unflushed_txg(msp) != 0);
3851         ASSERT(avl_find(&spa->spa_metaslabs_by_flushed, msp, NULL) != NULL);
3852
3853         /*
3854          * There is nothing wrong with flushing the same metaslab twice, as
3855          * this codepath should work on that case. However, the current
3856          * flushing scheme makes sure to avoid this situation as we would be
3857          * making all these calls without having anything meaningful to write
3858          * to disk. We assert this behavior here.
3859          */
3860         ASSERT3U(metaslab_unflushed_txg(msp), <, dmu_tx_get_txg(tx));
3861
3862         /*
3863          * We can not flush while loading, because then we would
3864          * not load the ms_unflushed_{allocs,frees}.
3865          */
3866         if (msp->ms_loading)
3867                 return (B_FALSE);
3868
3869         metaslab_verify_space(msp, dmu_tx_get_txg(tx));
3870         metaslab_verify_weight_and_frag(msp);
3871
3872         /*
3873          * Metaslab condensing is effectively flushing. Therefore if the
3874          * metaslab can be condensed we can just condense it instead of
3875          * flushing it.
3876          *
3877          * Note that metaslab_condense() does call metaslab_flush_update()
3878          * so we can just return immediately after condensing. We also
3879          * don't need to care about setting ms_flushing or broadcasting
3880          * ms_flush_cv, even if we temporarily drop the ms_lock in
3881          * metaslab_condense(), as the metaslab is already loaded.
3882          */
3883         if (msp->ms_loaded && metaslab_should_condense(msp)) {
3884                 metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
3885
3886                 /*
3887                  * For all histogram operations below refer to the
3888                  * comments of metaslab_sync() where we follow a
3889                  * similar procedure.
3890                  */
3891                 metaslab_group_histogram_verify(mg);
3892                 metaslab_class_histogram_verify(mg->mg_class);
3893                 metaslab_group_histogram_remove(mg, msp);
3894
3895                 metaslab_condense(msp, tx);
3896
3897                 space_map_histogram_clear(msp->ms_sm);
3898                 space_map_histogram_add(msp->ms_sm, msp->ms_allocatable, tx);
3899                 ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_freed));
3900                 for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
3901                         space_map_histogram_add(msp->ms_sm,
3902                             msp->ms_defer[t], tx);
3903                 }
3904                 metaslab_aux_histograms_update(msp);
3905
3906                 metaslab_group_histogram_add(mg, msp);
3907                 metaslab_group_histogram_verify(mg);
3908                 metaslab_class_histogram_verify(mg->mg_class);
3909
3910                 metaslab_verify_space(msp, dmu_tx_get_txg(tx));
3911
3912                 /*
3913                  * Since we recreated the histogram (and potentially
3914                  * the ms_sm too while condensing) ensure that the
3915                  * weight is updated too because we are not guaranteed
3916                  * that this metaslab is dirty and will go through
3917                  * metaslab_sync_done().
3918                  */
3919                 metaslab_recalculate_weight_and_sort(msp);
3920                 return (B_TRUE);
3921         }
3922
3923         msp->ms_flushing = B_TRUE;
3924         uint64_t sm_len_before = space_map_length(msp->ms_sm);
3925
3926         mutex_exit(&msp->ms_lock);
3927         space_map_write(msp->ms_sm, msp->ms_unflushed_allocs, SM_ALLOC,
3928             SM_NO_VDEVID, tx);
3929         space_map_write(msp->ms_sm, msp->ms_unflushed_frees, SM_FREE,
3930             SM_NO_VDEVID, tx);
3931         mutex_enter(&msp->ms_lock);
3932
3933         uint64_t sm_len_after = space_map_length(msp->ms_sm);
3934         if (zfs_flags & ZFS_DEBUG_LOG_SPACEMAP) {
3935                 zfs_dbgmsg("flushing: txg %llu, spa %s, vdev_id %llu, "
3936                     "ms_id %llu, unflushed_allocs %llu, unflushed_frees %llu, "
3937                     "appended %llu bytes", (u_longlong_t)dmu_tx_get_txg(tx),
3938                     spa_name(spa),
3939                     (u_longlong_t)msp->ms_group->mg_vd->vdev_id,
3940                     (u_longlong_t)msp->ms_id,
3941                     (u_longlong_t)range_tree_space(msp->ms_unflushed_allocs),
3942                     (u_longlong_t)range_tree_space(msp->ms_unflushed_frees),
3943                     (u_longlong_t)(sm_len_after - sm_len_before));
3944         }
3945
3946         ASSERT3U(spa->spa_unflushed_stats.sus_memused, >=,
3947             metaslab_unflushed_changes_memused(msp));
3948         spa->spa_unflushed_stats.sus_memused -=
3949             metaslab_unflushed_changes_memused(msp);
3950         range_tree_vacate(msp->ms_unflushed_allocs, NULL, NULL);
3951         range_tree_vacate(msp->ms_unflushed_frees, NULL, NULL);
3952
3953         metaslab_verify_space(msp, dmu_tx_get_txg(tx));
3954         metaslab_verify_weight_and_frag(msp);
3955
3956         metaslab_flush_update(msp, tx);
3957
3958         metaslab_verify_space(msp, dmu_tx_get_txg(tx));
3959         metaslab_verify_weight_and_frag(msp);
3960
3961         msp->ms_flushing = B_FALSE;
3962         cv_broadcast(&msp->ms_flush_cv);
3963         return (B_TRUE);
3964 }
3965
3966 /*
3967  * Write a metaslab to disk in the context of the specified transaction group.
3968  */
3969 void
3970 metaslab_sync(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
3971 {
3972         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
3973         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
3974         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
3975         objset_t *mos = spa_meta_objset(spa);
3976         range_tree_t *alloctree = msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK];
3977         dmu_tx_t *tx;
3978
3979         ASSERT(!vd->vdev_ishole);
3980
3981         /*
3982          * This metaslab has just been added so there's no work to do now.
3983          */
3984         if (msp->ms_new) {
3985                 ASSERT0(range_tree_space(alloctree));
3986                 ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freeing));
3987                 ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freed));
3988                 ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_checkpointing));
3989                 ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_trim));
3990                 return;
3991         }
3992
3993         /*
3994          * Normally, we don't want to process a metaslab if there are no
3995          * allocations or frees to perform. However, if the metaslab is being
3996          * forced to condense, it's loaded and we're not beyond the final
3997          * dirty txg, we need to let it through. Not condensing beyond the
3998          * final dirty txg prevents an issue where metaslabs that need to be
3999          * condensed but were loaded for other reasons could cause a panic
4000          * here. By only checking the txg in that branch of the conditional,
4001          * we preserve the utility of the VERIFY statements in all other
4002          * cases.
4003          */
4004         if (range_tree_is_empty(alloctree) &&
4005             range_tree_is_empty(msp->ms_freeing) &&
4006             range_tree_is_empty(msp->ms_checkpointing) &&
4007             !(msp->ms_loaded && msp->ms_condense_wanted &&
4008             txg <= spa_final_dirty_txg(spa)))
4009                 return;
4010
4011
4012         VERIFY3U(txg, <=, spa_final_dirty_txg(spa));
4013
4014         /*
4015          * The only state that can actually be changing concurrently
4016          * with metaslab_sync() is the metaslab's ms_allocatable. No
4017          * other thread can be modifying this txg's alloc, freeing,
4018          * freed, or space_map_phys_t.  We drop ms_lock whenever we
4019          * could call into the DMU, because the DMU can call down to
4020          * us (e.g. via zio_free()) at any time.
4021          *
4022          * The spa_vdev_remove_thread() can be reading metaslab state
4023          * concurrently, and it is locked out by the ms_sync_lock.
4024          * Note that the ms_lock is insufficient for this, because it
4025          * is dropped by space_map_write().
4026          */
4027         tx = dmu_tx_create_assigned(spa_get_dsl(spa), txg);
4028
4029         /*
4030          * Generate a log space map if one doesn't exist already.
4031          */
4032         spa_generate_syncing_log_sm(spa, tx);
4033
4034         if (msp->ms_sm == NULL) {
4035                 uint64_t new_object = space_map_alloc(mos,
4036                     spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP) ?
4037                     zfs_metaslab_sm_blksz_with_log :
4038                     zfs_metaslab_sm_blksz_no_log, tx);
4039                 VERIFY3U(new_object, !=, 0);
4040
4041                 dmu_write(mos, vd->vdev_ms_array, sizeof (uint64_t) *
4042                     msp->ms_id, sizeof (uint64_t), &new_object, tx);
4043
4044                 VERIFY0(space_map_open(&msp->ms_sm, mos, new_object,
4045                     msp->ms_start, msp->ms_size, vd->vdev_ashift));
4046                 ASSERT(msp->ms_sm != NULL);
4047
4048                 ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_unflushed_allocs));
4049                 ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_unflushed_frees));
4050                 ASSERT0(metaslab_allocated_space(msp));
4051         }
4052
4053         if (!range_tree_is_empty(msp->ms_checkpointing) &&
4054             vd->vdev_checkpoint_sm == NULL) {
4055                 ASSERT(spa_has_checkpoint(spa));
4056
4057                 uint64_t new_object = space_map_alloc(mos,
4058                     zfs_vdev_standard_sm_blksz, tx);
4059                 VERIFY3U(new_object, !=, 0);
4060
4061                 VERIFY0(space_map_open(&vd->vdev_checkpoint_sm,
4062                     mos, new_object, 0, vd->vdev_asize, vd->vdev_ashift));
4063                 ASSERT3P(vd->vdev_checkpoint_sm, !=, NULL);
4064
4065                 /*
4066                  * We save the space map object as an entry in vdev_top_zap
4067                  * so it can be retrieved when the pool is reopened after an
4068                  * export or through zdb.
4069                  */
4070                 VERIFY0(zap_add(vd->vdev_spa->spa_meta_objset,
4071                     vd->vdev_top_zap, VDEV_TOP_ZAP_POOL_CHECKPOINT_SM,
4072                     sizeof (new_object), 1, &new_object, tx));
4073         }
4074
4075         mutex_enter(&msp->ms_sync_lock);
4076         mutex_enter(&msp->ms_lock);
4077
4078         /*
4079          * Note: metaslab_condense() clears the space map's histogram.
4080          * Therefore we must verify and remove this histogram before
4081          * condensing.
4082          */
4083         metaslab_group_histogram_verify(mg);
4084         metaslab_class_histogram_verify(mg->mg_class);
4085         metaslab_group_histogram_remove(mg, msp);
4086
4087         if (spa->spa_sync_pass == 1 && msp->ms_loaded &&
4088             metaslab_should_condense(msp))
4089                 metaslab_condense(msp, tx);
4090
4091         /*
4092          * We'll be going to disk to sync our space accounting, thus we
4093          * drop the ms_lock during that time so allocations coming from
4094          * open-context (ZIL) for future TXGs do not block.
4095          */
4096         mutex_exit(&msp->ms_lock);
4097         space_map_t *log_sm = spa_syncing_log_sm(spa);
4098         if (log_sm != NULL) {
4099                 ASSERT(spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP));
4100                 if (metaslab_unflushed_txg(msp) == 0)
4101                         metaslab_unflushed_add(msp, tx);
4102                 else if (!metaslab_unflushed_dirty(msp))
4103                         metaslab_unflushed_bump(msp, tx, B_TRUE);
4104
4105                 space_map_write(log_sm, alloctree, SM_ALLOC,
4106                     vd->vdev_id, tx);
4107                 space_map_write(log_sm, msp->ms_freeing, SM_FREE,
4108                     vd->vdev_id, tx);
4109                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
4110
4111                 ASSERT3U(spa->spa_unflushed_stats.sus_memused, >=,
4112                     metaslab_unflushed_changes_memused(msp));
4113                 spa->spa_unflushed_stats.sus_memused -=
4114                     metaslab_unflushed_changes_memused(msp);
4115                 range_tree_remove_xor_add(alloctree,
4116                     msp->ms_unflushed_frees, msp->ms_unflushed_allocs);
4117                 range_tree_remove_xor_add(msp->ms_freeing,
4118                     msp->ms_unflushed_allocs, msp->ms_unflushed_frees);
4119                 spa->spa_unflushed_stats.sus_memused +=
4120                     metaslab_unflushed_changes_memused(msp);
4121         } else {
4122                 ASSERT(!spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP));
4123
4124                 space_map_write(msp->ms_sm, alloctree, SM_ALLOC,
4125                     SM_NO_VDEVID, tx);
4126                 space_map_write(msp->ms_sm, msp->ms_freeing, SM_FREE,
4127                     SM_NO_VDEVID, tx);
4128                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
4129         }
4130
4131         msp->ms_allocated_space += range_tree_space(alloctree);
4132         ASSERT3U(msp->ms_allocated_space, >=,
4133             range_tree_space(msp->ms_freeing));
4134         msp->ms_allocated_space -= range_tree_space(msp->ms_freeing);
4135
4136         if (!range_tree_is_empty(msp->ms_checkpointing)) {
4137                 ASSERT(spa_has_checkpoint(spa));
4138                 ASSERT3P(vd->vdev_checkpoint_sm, !=, NULL);
4139
4140                 /*
4141                  * Since we are doing writes to disk and the ms_checkpointing
4142                  * tree won't be changing during that time, we drop the
4143                  * ms_lock while writing to the checkpoint space map, for the
4144                  * same reason mentioned above.
4145                  */
4146                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
4147                 space_map_write(vd->vdev_checkpoint_sm,
4148                     msp->ms_checkpointing, SM_FREE, SM_NO_VDEVID, tx);
4149                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
4150
4151                 spa->spa_checkpoint_info.sci_dspace +=
4152                     range_tree_space(msp->ms_checkpointing);
4153                 vd->vdev_stat.vs_checkpoint_space +=
4154                     range_tree_space(msp->ms_checkpointing);
4155                 ASSERT3U(vd->vdev_stat.vs_checkpoint_space, ==,
4156                     -space_map_allocated(vd->vdev_checkpoint_sm));
4157
4158                 range_tree_vacate(msp->ms_checkpointing, NULL, NULL);
4159         }
4160
4161         if (msp->ms_loaded) {
4162                 /*
4163                  * When the space map is loaded, we have an accurate
4164                  * histogram in the range tree. This gives us an opportunity
4165                  * to bring the space map's histogram up-to-date so we clear
4166                  * it first before updating it.
4167                  */
4168                 space_map_histogram_clear(msp->ms_sm);
4169                 space_map_histogram_add(msp->ms_sm, msp->ms_allocatable, tx);
4170
4171                 /*
4172                  * Since we've cleared the histogram we need to add back
4173                  * any free space that has already been processed, plus
4174                  * any deferred space. This allows the on-disk histogram
4175                  * to accurately reflect all free space even if some space
4176                  * is not yet available for allocation (i.e. deferred).
4177                  */
4178                 space_map_histogram_add(msp->ms_sm, msp->ms_freed, tx);
4179
4180                 /*
4181                  * Add back any deferred free space that has not been
4182                  * added back into the in-core free tree yet. This will
4183                  * ensure that we don't end up with a space map histogram
4184                  * that is completely empty unless the metaslab is fully
4185                  * allocated.
4186                  */
4187                 for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
4188                         space_map_histogram_add(msp->ms_sm,
4189                             msp->ms_defer[t], tx);
4190                 }
4191         }
4192
4193         /*
4194          * Always add the free space from this sync pass to the space
4195          * map histogram. We want to make sure that the on-disk histogram
4196          * accounts for all free space. If the space map is not loaded,
4197          * then we will lose some accuracy but will correct it the next
4198          * time we load the space map.
4199          */
4200         space_map_histogram_add(msp->ms_sm, msp->ms_freeing, tx);
4201         metaslab_aux_histograms_update(msp);
4202
4203         metaslab_group_histogram_add(mg, msp);
4204         metaslab_group_histogram_verify(mg);
4205         metaslab_class_histogram_verify(mg->mg_class);
4206
4207         /*
4208          * For sync pass 1, we avoid traversing this txg's free range tree
4209          * and instead will just swap the pointers for freeing and freed.
4210          * We can safely do this since the freed_tree is guaranteed to be
4211          * empty on the initial pass.
4212          *
4213          * Keep in mind that even if we are currently using a log spacemap
4214          * we want current frees to end up in the ms_allocatable (but not
4215          * get appended to the ms_sm) so their ranges can be reused as usual.
4216          */
4217         if (spa_sync_pass(spa) == 1) {
4218                 range_tree_swap(&msp->ms_freeing, &msp->ms_freed);
4219                 ASSERT0(msp->ms_allocated_this_txg);
4220         } else {
4221                 range_tree_vacate(msp->ms_freeing,
4222                     range_tree_add, msp->ms_freed);
4223         }
4224         msp->ms_allocated_this_txg += range_tree_space(alloctree);
4225         range_tree_vacate(alloctree, NULL, NULL);
4226
4227         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK]));
4228         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_allocating[TXG_CLEAN(txg)
4229             & TXG_MASK]));
4230         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freeing));
4231         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_checkpointing));
4232
4233         mutex_exit(&msp->ms_lock);
4234
4235         /*
4236          * Verify that the space map object ID has been recorded in the
4237          * vdev_ms_array.
4238          */
4239         uint64_t object;
4240         VERIFY0(dmu_read(mos, vd->vdev_ms_array,
4241             msp->ms_id * sizeof (uint64_t), sizeof (uint64_t), &object, 0));
4242         VERIFY3U(object, ==, space_map_object(msp->ms_sm));
4243
4244         mutex_exit(&msp->ms_sync_lock);
4245         dmu_tx_commit(tx);
4246 }
4247
4248 static void
4249 metaslab_evict(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
4250 {
4251         if (!msp->ms_loaded || msp->ms_disabled != 0)
4252                 return;
4253
4254         for (int t = 1; t < TXG_CONCURRENT_STATES; t++) {
4255                 VERIFY0(range_tree_space(
4256                     msp->ms_allocating[(txg + t) & TXG_MASK]));
4257         }
4258         if (msp->ms_allocator != -1)
4259                 metaslab_passivate(msp, msp->ms_weight & ~METASLAB_ACTIVE_MASK);
4260
4261         if (!metaslab_debug_unload)
4262                 metaslab_unload(msp);
4263 }
4264
4265 /*
4266  * Called after a transaction group has completely synced to mark
4267  * all of the metaslab's free space as usable.
4268  */
4269 void
4270 metaslab_sync_done(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
4271 {
4272         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
4273         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
4274         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
4275         range_tree_t **defer_tree;
4276         int64_t alloc_delta, defer_delta;
4277         boolean_t defer_allowed = B_TRUE;
4278
4279         ASSERT(!vd->vdev_ishole);
4280
4281         mutex_enter(&msp->ms_lock);
4282
4283         if (msp->ms_new) {
4284                 /* this is a new metaslab, add its capacity to the vdev */
4285                 metaslab_space_update(vd, mg->mg_class, 0, 0, msp->ms_size);
4286
4287                 /* there should be no allocations nor frees at this point */
4288                 VERIFY0(msp->ms_allocated_this_txg);
4289                 VERIFY0(range_tree_space(msp->ms_freed));
4290         }
4291
4292         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freeing));
4293         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_checkpointing));
4294
4295         defer_tree = &msp->ms_defer[txg % TXG_DEFER_SIZE];
4296
4297         uint64_t free_space = metaslab_class_get_space(spa_normal_class(spa)) -
4298             metaslab_class_get_alloc(spa_normal_class(spa));
4299         if (free_space <= spa_get_slop_space(spa) || vd->vdev_removing) {
4300                 defer_allowed = B_FALSE;
4301         }
4302
4303         defer_delta = 0;
4304         alloc_delta = msp->ms_allocated_this_txg -
4305             range_tree_space(msp->ms_freed);
4306
4307         if (defer_allowed) {
4308                 defer_delta = range_tree_space(msp->ms_freed) -
4309                     range_tree_space(*defer_tree);
4310         } else {
4311                 defer_delta -= range_tree_space(*defer_tree);
4312         }
4313         metaslab_space_update(vd, mg->mg_class, alloc_delta + defer_delta,
4314             defer_delta, 0);
4315
4316         if (spa_syncing_log_sm(spa) == NULL) {
4317                 /*
4318                  * If there's a metaslab_load() in progress and we don't have
4319                  * a log space map, it means that we probably wrote to the
4320                  * metaslab's space map. If this is the case, we need to
4321                  * make sure that we wait for the load to complete so that we
4322                  * have a consistent view at the in-core side of the metaslab.
4323                  */
4324                 metaslab_load_wait(msp);
4325         } else {
4326                 ASSERT(spa_feature_is_active(spa, SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP));
4327         }
4328
4329         /*
4330          * When auto-trimming is enabled, free ranges which are added to
4331          * ms_allocatable are also be added to ms_trim.  The ms_trim tree is
4332          * periodically consumed by the vdev_autotrim_thread() which issues
4333          * trims for all ranges and then vacates the tree.  The ms_trim tree
4334          * can be discarded at any time with the sole consequence of recent
4335          * frees not being trimmed.
4336          */
4337         if (spa_get_autotrim(spa) == SPA_AUTOTRIM_ON) {
4338                 range_tree_walk(*defer_tree, range_tree_add, msp->ms_trim);
4339                 if (!defer_allowed) {
4340                         range_tree_walk(msp->ms_freed, range_tree_add,
4341                             msp->ms_trim);
4342                 }
4343         } else {
4344                 range_tree_vacate(msp->ms_trim, NULL, NULL);
4345         }
4346
4347         /*
4348          * Move the frees from the defer_tree back to the free
4349          * range tree (if it's loaded). Swap the freed_tree and
4350          * the defer_tree -- this is safe to do because we've
4351          * just emptied out the defer_tree.
4352          */
4353         range_tree_vacate(*defer_tree,
4354             msp->ms_loaded ? range_tree_add : NULL, msp->ms_allocatable);
4355         if (defer_allowed) {
4356                 range_tree_swap(&msp->ms_freed, defer_tree);
4357         } else {
4358                 range_tree_vacate(msp->ms_freed,
4359                     msp->ms_loaded ? range_tree_add : NULL,
4360                     msp->ms_allocatable);
4361         }
4362
4363         msp->ms_synced_length = space_map_length(msp->ms_sm);
4364
4365         msp->ms_deferspace += defer_delta;
4366         ASSERT3S(msp->ms_deferspace, >=, 0);
4367         ASSERT3S(msp->ms_deferspace, <=, msp->ms_size);
4368         if (msp->ms_deferspace != 0) {
4369                 /*
4370                  * Keep syncing this metaslab until all deferred frees
4371                  * are back in circulation.
4372                  */
4373                 vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg + 1);
4374         }
4375         metaslab_aux_histograms_update_done(msp, defer_allowed);
4376
4377         if (msp->ms_new) {
4378                 msp->ms_new = B_FALSE;
4379                 mutex_enter(&mg->mg_lock);
4380                 mg->mg_ms_ready++;
4381                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
4382         }
4383
4384         /*
4385          * Re-sort metaslab within its group now that we've adjusted
4386          * its allocatable space.
4387          */
4388         metaslab_recalculate_weight_and_sort(msp);
4389
4390         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK]));
4391         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freeing));
4392         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freed));
4393         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_checkpointing));
4394         msp->ms_allocating_total -= msp->ms_allocated_this_txg;
4395         msp->ms_allocated_this_txg = 0;
4396         mutex_exit(&msp->ms_lock);
4397 }
4398
4399 void
4400 metaslab_sync_reassess(metaslab_group_t *mg)
4401 {
4402         spa_t *spa = mg->mg_class->mc_spa;
4403
4404         spa_config_enter(spa, SCL_ALLOC, FTAG, RW_READER);
4405         metaslab_group_alloc_update(mg);
4406         mg->mg_fragmentation = metaslab_group_fragmentation(mg);
4407
4408         /*
4409          * Preload the next potential metaslabs but only on active
4410          * metaslab groups. We can get into a state where the metaslab
4411          * is no longer active since we dirty metaslabs as we remove a
4412          * a device, thus potentially making the metaslab group eligible
4413          * for preloading.
4414          */
4415         if (mg->mg_activation_count > 0) {
4416                 metaslab_group_preload(mg);
4417         }
4418         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
4419 }
4420
4421 /*
4422  * When writing a ditto block (i.e. more than one DVA for a given BP) on
4423  * the same vdev as an existing DVA of this BP, then try to allocate it
4424  * on a different metaslab than existing DVAs (i.e. a unique metaslab).
4425  */
4426 static boolean_t
4427 metaslab_is_unique(metaslab_t *msp, dva_t *dva)
4428 {
4429         uint64_t dva_ms_id;
4430
4431         if (DVA_GET_ASIZE(dva) == 0)
4432                 return (B_TRUE);
4433
4434         if (msp->ms_group->mg_vd->vdev_id != DVA_GET_VDEV(dva))
4435                 return (B_TRUE);
4436
4437         dva_ms_id = DVA_GET_OFFSET(dva) >> msp->ms_group->mg_vd->vdev_ms_shift;
4438
4439         return (msp->ms_id != dva_ms_id);
4440 }
4441
4442 /*
4443  * ==========================================================================
4444  * Metaslab allocation tracing facility
4445  * ==========================================================================
4446  */
4447
4448 /*
4449  * Add an allocation trace element to the allocation tracing list.
4450  */
4451 static void
4452 metaslab_trace_add(zio_alloc_list_t *zal, metaslab_group_t *mg,
4453     metaslab_t *msp, uint64_t psize, uint32_t dva_id, uint64_t offset,
4454     int allocator)
4455 {
4456         metaslab_alloc_trace_t *mat;
4457
4458         if (!metaslab_trace_enabled)
4459                 return;
4460
4461         /*
4462          * When the tracing list reaches its maximum we remove
4463          * the second element in the list before adding a new one.
4464          * By removing the second element we preserve the original
4465          * entry as a clue to what allocations steps have already been
4466          * performed.
4467          */
4468         if (zal->zal_size == metaslab_trace_max_entries) {
4469                 metaslab_alloc_trace_t *mat_next;
4470 #ifdef ZFS_DEBUG
4471                 panic("too many entries in allocation list");
4472 #endif
4473                 METASLABSTAT_BUMP(metaslabstat_trace_over_limit);
4474                 zal->zal_size--;
4475                 mat_next = list_next(&zal->zal_list, list_head(&zal->zal_list));
4476                 list_remove(&zal->zal_list, mat_next);
4477                 kmem_cache_free(metaslab_alloc_trace_cache, mat_next);
4478         }
4479
4480         mat = kmem_cache_alloc(metaslab_alloc_trace_cache, KM_SLEEP);
4481         list_link_init(&mat->mat_list_node);
4482         mat->mat_mg = mg;
4483         mat->mat_msp = msp;
4484         mat->mat_size = psize;
4485         mat->mat_dva_id = dva_id;
4486         mat->mat_offset = offset;
4487         mat->mat_weight = 0;
4488         mat->mat_allocator = allocator;
4489
4490         if (msp != NULL)
4491                 mat->mat_weight = msp->ms_weight;
4492
4493         /*
4494          * The list is part of the zio so locking is not required. Only
4495          * a single thread will perform allocations for a given zio.
4496          */
4497         list_insert_tail(&zal->zal_list, mat);
4498         zal->zal_size++;
4499
4500         ASSERT3U(zal->zal_size, <=, metaslab_trace_max_entries);
4501 }
4502
4503 void
4504 metaslab_trace_init(zio_alloc_list_t *zal)
4505 {
4506         list_create(&zal->zal_list, sizeof (metaslab_alloc_trace_t),
4507             offsetof(metaslab_alloc_trace_t, mat_list_node));
4508         zal->zal_size = 0;
4509 }
4510
4511 void
4512 metaslab_trace_fini(zio_alloc_list_t *zal)
4513 {
4514         metaslab_alloc_trace_t *mat;
4515
4516         while ((mat = list_remove_head(&zal->zal_list)) != NULL)
4517                 kmem_cache_free(metaslab_alloc_trace_cache, mat);
4518         list_destroy(&zal->zal_list);
4519         zal->zal_size = 0;
4520 }
4521
4522 /*
4523  * ==========================================================================
4524  * Metaslab block operations
4525  * ==========================================================================
4526  */
4527
4528 static void
4529 metaslab_group_alloc_increment(spa_t *spa, uint64_t vdev, const void *tag,
4530     int flags, int allocator)
4531 {
4532         if (!(flags & METASLAB_ASYNC_ALLOC) ||
4533             (flags & METASLAB_DONT_THROTTLE))
4534                 return;
4535
4536         metaslab_group_t *mg = vdev_lookup_top(spa, vdev)->vdev_mg;
4537         if (!mg->mg_class->mc_alloc_throttle_enabled)
4538                 return;
4539
4540         metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[allocator];
4541         (void) zfs_refcount_add(&mga->mga_alloc_queue_depth, tag);
4542 }
4543
4544 static void
4545 metaslab_group_increment_qdepth(metaslab_group_t *mg, int allocator)
4546 {
4547         metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[allocator];
4548         metaslab_class_allocator_t *mca =
4549             &mg->mg_class->mc_allocator[allocator];
4550         uint64_t max = mg->mg_max_alloc_queue_depth;
4551         uint64_t cur = mga->mga_cur_max_alloc_queue_depth;
4552         while (cur < max) {
4553                 if (atomic_cas_64(&mga->mga_cur_max_alloc_queue_depth,
4554                     cur, cur + 1) == cur) {
4555                         atomic_inc_64(&mca->mca_alloc_max_slots);
4556                         return;
4557                 }
4558                 cur = mga->mga_cur_max_alloc_queue_depth;
4559         }
4560 }
4561
4562 void
4563 metaslab_group_alloc_decrement(spa_t *spa, uint64_t vdev, const void *tag,
4564     int flags, int allocator, boolean_t io_complete)
4565 {
4566         if (!(flags & METASLAB_ASYNC_ALLOC) ||
4567             (flags & METASLAB_DONT_THROTTLE))
4568                 return;
4569
4570         metaslab_group_t *mg = vdev_lookup_top(spa, vdev)->vdev_mg;
4571         if (!mg->mg_class->mc_alloc_throttle_enabled)
4572                 return;
4573
4574         metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[allocator];
4575         (void) zfs_refcount_remove(&mga->mga_alloc_queue_depth, tag);
4576         if (io_complete)
4577                 metaslab_group_increment_qdepth(mg, allocator);
4578 }
4579
4580 void
4581 metaslab_group_alloc_verify(spa_t *spa, const blkptr_t *bp, const void *tag,
4582     int allocator)
4583 {
4584 #ifdef ZFS_DEBUG
4585         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
4586         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
4587
4588         for (int d = 0; d < ndvas; d++) {
4589                 uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(&dva[d]);
4590                 metaslab_group_t *mg = vdev_lookup_top(spa, vdev)->vdev_mg;
4591                 metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[allocator];
4592                 VERIFY(zfs_refcount_not_held(&mga->mga_alloc_queue_depth, tag));
4593         }
4594 #endif
4595 }
4596
4597 static uint64_t
4598 metaslab_block_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size, uint64_t txg)
4599 {
4600         uint64_t start;
4601         range_tree_t *rt = msp->ms_allocatable;
4602         metaslab_class_t *mc = msp->ms_group->mg_class;
4603
4604         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
4605         VERIFY(!msp->ms_condensing);
4606         VERIFY0(msp->ms_disabled);
4607
4608         start = mc->mc_ops->msop_alloc(msp, size);
4609         if (start != -1ULL) {
4610                 metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
4611                 vdev_t *vd = mg->mg_vd;
4612
4613                 VERIFY0(P2PHASE(start, 1ULL << vd->vdev_ashift));
4614                 VERIFY0(P2PHASE(size, 1ULL << vd->vdev_ashift));
4615                 VERIFY3U(range_tree_space(rt) - size, <=, msp->ms_size);
4616                 range_tree_remove(rt, start, size);
4617                 range_tree_clear(msp->ms_trim, start, size);
4618
4619                 if (range_tree_is_empty(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK]))
4620                         vdev_dirty(mg->mg_vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
4621
4622                 range_tree_add(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK], start, size);
4623                 msp->ms_allocating_total += size;
4624
4625                 /* Track the last successful allocation */
4626                 msp->ms_alloc_txg = txg;
4627                 metaslab_verify_space(msp, txg);
4628         }
4629
4630         /*
4631          * Now that we've attempted the allocation we need to update the
4632          * metaslab's maximum block size since it may have changed.
4633          */
4634         msp->ms_max_size = metaslab_largest_allocatable(msp);
4635         return (start);
4636 }
4637
4638 /*
4639  * Find the metaslab with the highest weight that is less than what we've
4640  * already tried.  In the common case, this means that we will examine each
4641  * metaslab at most once. Note that concurrent callers could reorder metaslabs
4642  * by activation/passivation once we have dropped the mg_lock. If a metaslab is
4643  * activated by another thread, and we fail to allocate from the metaslab we
4644  * have selected, we may not try the newly-activated metaslab, and instead
4645  * activate another metaslab.  This is not optimal, but generally does not cause
4646  * any problems (a possible exception being if every metaslab is completely full
4647  * except for the newly-activated metaslab which we fail to examine).
4648  */
4649 static metaslab_t *
4650 find_valid_metaslab(metaslab_group_t *mg, uint64_t activation_weight,
4651     dva_t *dva, int d, boolean_t want_unique, uint64_t asize, int allocator,
4652     boolean_t try_hard, zio_alloc_list_t *zal, metaslab_t *search,
4653     boolean_t *was_active)
4654 {
4655         avl_index_t idx;
4656         avl_tree_t *t = &mg->mg_metaslab_tree;
4657         metaslab_t *msp = avl_find(t, search, &idx);
4658         if (msp == NULL)
4659                 msp = avl_nearest(t, idx, AVL_AFTER);
4660
4661         uint_t tries = 0;
4662         for (; msp != NULL; msp = AVL_NEXT(t, msp)) {
4663                 int i;
4664
4665                 if (!try_hard && tries > zfs_metaslab_find_max_tries) {
4666                         METASLABSTAT_BUMP(metaslabstat_too_many_tries);
4667                         return (NULL);
4668                 }
4669                 tries++;
4670
4671                 if (!metaslab_should_allocate(msp, asize, try_hard)) {
4672                         metaslab_trace_add(zal, mg, msp, asize, d,
4673                             TRACE_TOO_SMALL, allocator);
4674                         continue;
4675                 }
4676
4677                 /*
4678                  * If the selected metaslab is condensing or disabled,
4679                  * skip it.
4680                  */
4681                 if (msp->ms_condensing || msp->ms_disabled > 0)
4682                         continue;
4683
4684                 *was_active = msp->ms_allocator != -1;
4685                 /*
4686                  * If we're activating as primary, this is our first allocation
4687                  * from this disk, so we don't need to check how close we are.
4688                  * If the metaslab under consideration was already active,
4689                  * we're getting desperate enough to steal another allocator's
4690                  * metaslab, so we still don't care about distances.
4691                  */
4692                 if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY || *was_active)
4693                         break;
4694
4695                 for (i = 0; i < d; i++) {
4696                         if (want_unique &&
4697                             !metaslab_is_unique(msp, &dva[i]))
4698                                 break;  /* try another metaslab */
4699                 }
4700                 if (i == d)
4701                         break;
4702         }
4703
4704         if (msp != NULL) {
4705                 search->ms_weight = msp->ms_weight;
4706                 search->ms_start = msp->ms_start + 1;
4707                 search->ms_allocator = msp->ms_allocator;
4708                 search->ms_primary = msp->ms_primary;
4709         }
4710         return (msp);
4711 }
4712
4713 static void
4714 metaslab_active_mask_verify(metaslab_t *msp)
4715 {
4716         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
4717
4718         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_METASLAB_VERIFY) == 0)
4719                 return;
4720
4721         if ((msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) == 0)
4722                 return;
4723
4724         if (msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_PRIMARY) {
4725                 VERIFY0(msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_SECONDARY);
4726                 VERIFY0(msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_CLAIM);
4727                 VERIFY3S(msp->ms_allocator, !=, -1);
4728                 VERIFY(msp->ms_primary);
4729                 return;
4730         }
4731
4732         if (msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_SECONDARY) {
4733                 VERIFY0(msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_PRIMARY);
4734                 VERIFY0(msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_CLAIM);
4735                 VERIFY3S(msp->ms_allocator, !=, -1);
4736                 VERIFY(!msp->ms_primary);
4737                 return;
4738         }
4739
4740         if (msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_CLAIM) {
4741                 VERIFY0(msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_PRIMARY);
4742                 VERIFY0(msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_SECONDARY);
4743                 VERIFY3S(msp->ms_allocator, ==, -1);
4744                 return;
4745         }
4746 }
4747
4748 static uint64_t
4749 metaslab_group_alloc_normal(metaslab_group_t *mg, zio_alloc_list_t *zal,
4750     uint64_t asize, uint64_t txg, boolean_t want_unique, dva_t *dva, int d,
4751     int allocator, boolean_t try_hard)
4752 {
4753         metaslab_t *msp = NULL;
4754         uint64_t offset = -1ULL;
4755
4756         uint64_t activation_weight = METASLAB_WEIGHT_PRIMARY;
4757         for (int i = 0; i < d; i++) {
4758                 if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY &&
4759                     DVA_GET_VDEV(&dva[i]) == mg->mg_vd->vdev_id) {
4760                         activation_weight = METASLAB_WEIGHT_SECONDARY;
4761                 } else if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_SECONDARY &&
4762                     DVA_GET_VDEV(&dva[i]) == mg->mg_vd->vdev_id) {
4763                         activation_weight = METASLAB_WEIGHT_CLAIM;
4764                         break;
4765                 }
4766         }
4767
4768         /*
4769          * If we don't have enough metaslabs active to fill the entire array, we
4770          * just use the 0th slot.
4771          */
4772         if (mg->mg_ms_ready < mg->mg_allocators * 3)
4773                 allocator = 0;
4774         metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[allocator];
4775
4776         ASSERT3U(mg->mg_vd->vdev_ms_count, >=, 2);
4777
4778         metaslab_t *search = kmem_alloc(sizeof (*search), KM_SLEEP);
4779         search->ms_weight = UINT64_MAX;
4780         search->ms_start = 0;
4781         /*
4782          * At the end of the metaslab tree are the already-active metaslabs,
4783          * first the primaries, then the secondaries. When we resume searching
4784          * through the tree, we need to consider ms_allocator and ms_primary so
4785          * we start in the location right after where we left off, and don't
4786          * accidentally loop forever considering the same metaslabs.
4787          */
4788         search->ms_allocator = -1;
4789         search->ms_primary = B_TRUE;
4790         for (;;) {
4791                 boolean_t was_active = B_FALSE;
4792
4793                 mutex_enter(&mg->mg_lock);
4794
4795                 if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY &&
4796                     mga->mga_primary != NULL) {
4797                         msp = mga->mga_primary;
4798
4799                         /*
4800                          * Even though we don't hold the ms_lock for the
4801                          * primary metaslab, those fields should not
4802                          * change while we hold the mg_lock. Thus it is
4803                          * safe to make assertions on them.
4804                          */
4805                         ASSERT(msp->ms_primary);
4806                         ASSERT3S(msp->ms_allocator, ==, allocator);
4807                         ASSERT(msp->ms_loaded);
4808
4809                         was_active = B_TRUE;
4810                         ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
4811                 } else if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_SECONDARY &&
4812                     mga->mga_secondary != NULL) {
4813                         msp = mga->mga_secondary;
4814
4815                         /*
4816                          * See comment above about the similar assertions
4817                          * for the primary metaslab.
4818                          */
4819                         ASSERT(!msp->ms_primary);
4820                         ASSERT3S(msp->ms_allocator, ==, allocator);
4821                         ASSERT(msp->ms_loaded);
4822
4823                         was_active = B_TRUE;
4824                         ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
4825                 } else {
4826                         msp = find_valid_metaslab(mg, activation_weight, dva, d,
4827                             want_unique, asize, allocator, try_hard, zal,
4828                             search, &was_active);
4829                 }
4830
4831                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
4832                 if (msp == NULL) {
4833                         kmem_free(search, sizeof (*search));
4834                         return (-1ULL);
4835                 }
4836                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
4837
4838                 metaslab_active_mask_verify(msp);
4839
4840                 /*
4841                  * This code is disabled out because of issues with
4842                  * tracepoints in non-gpl kernel modules.
4843                  */
4844 #if 0
4845                 DTRACE_PROBE3(ms__activation__attempt,
4846                     metaslab_t *, msp, uint64_t, activation_weight,
4847                     boolean_t, was_active);
4848 #endif
4849
4850                 /*
4851                  * Ensure that the metaslab we have selected is still
4852                  * capable of handling our request. It's possible that
4853                  * another thread may have changed the weight while we
4854                  * were blocked on the metaslab lock. We check the
4855                  * active status first to see if we need to set_selected_txg
4856                  * a new metaslab.
4857                  */
4858                 if (was_active && !(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK)) {
4859                         ASSERT3S(msp->ms_allocator, ==, -1);
4860                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
4861                         continue;
4862                 }
4863
4864                 /*
4865                  * If the metaslab was activated for another allocator
4866                  * while we were waiting in the ms_lock above, or it's
4867                  * a primary and we're seeking a secondary (or vice versa),
4868                  * we go back and select a new metaslab.
4869                  */
4870                 if (!was_active && (msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) &&
4871                     (msp->ms_allocator != -1) &&
4872                     (msp->ms_allocator != allocator || ((activation_weight ==
4873                     METASLAB_WEIGHT_PRIMARY) != msp->ms_primary))) {
4874                         ASSERT(msp->ms_loaded);
4875                         ASSERT((msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_CLAIM) ||
4876                             msp->ms_allocator != -1);
4877                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
4878                         continue;
4879                 }
4880
4881                 /*
4882                  * This metaslab was used for claiming regions allocated
4883                  * by the ZIL during pool import. Once these regions are
4884                  * claimed we don't need to keep the CLAIM bit set
4885                  * anymore. Passivate this metaslab to zero its activation
4886                  * mask.
4887                  */
4888                 if (msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_CLAIM &&
4889                     activation_weight != METASLAB_WEIGHT_CLAIM) {
4890                         ASSERT(msp->ms_loaded);
4891                         ASSERT3S(msp->ms_allocator, ==, -1);
4892                         metaslab_passivate(msp, msp->ms_weight &
4893                             ~METASLAB_WEIGHT_CLAIM);
4894                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
4895                         continue;
4896                 }
4897
4898                 metaslab_set_selected_txg(msp, txg);
4899
4900                 int activation_error =
4901                     metaslab_activate(msp, allocator, activation_weight);
4902                 metaslab_active_mask_verify(msp);
4903
4904                 /*
4905                  * If the metaslab was activated by another thread for
4906                  * another allocator or activation_weight (EBUSY), or it
4907                  * failed because another metaslab was assigned as primary
4908                  * for this allocator (EEXIST) we continue using this
4909                  * metaslab for our allocation, rather than going on to a
4910                  * worse metaslab (we waited for that metaslab to be loaded
4911                  * after all).
4912                  *
4913                  * If the activation failed due to an I/O error or ENOSPC we
4914                  * skip to the next metaslab.
4915                  */
4916                 boolean_t activated;
4917                 if (activation_error == 0) {
4918                         activated = B_TRUE;
4919                 } else if (activation_error == EBUSY ||
4920                     activation_error == EEXIST) {
4921                         activated = B_FALSE;
4922                 } else {
4923                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
4924                         continue;
4925                 }
4926                 ASSERT(msp->ms_loaded);
4927
4928                 /*
4929                  * Now that we have the lock, recheck to see if we should
4930                  * continue to use this metaslab for this allocation. The
4931                  * the metaslab is now loaded so metaslab_should_allocate()
4932                  * can accurately determine if the allocation attempt should
4933                  * proceed.
4934                  */
4935                 if (!metaslab_should_allocate(msp, asize, try_hard)) {
4936                         /* Passivate this metaslab and select a new one. */
4937                         metaslab_trace_add(zal, mg, msp, asize, d,
4938                             TRACE_TOO_SMALL, allocator);
4939                         goto next;
4940                 }
4941
4942                 /*
4943                  * If this metaslab is currently condensing then pick again
4944                  * as we can't manipulate this metaslab until it's committed
4945                  * to disk. If this metaslab is being initialized, we shouldn't
4946                  * allocate from it since the allocated region might be
4947                  * overwritten after allocation.
4948                  */
4949                 if (msp->ms_condensing) {
4950                         metaslab_trace_add(zal, mg, msp, asize, d,
4951                             TRACE_CONDENSING, 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                 } else if (msp->ms_disabled > 0) {
4959                         metaslab_trace_add(zal, mg, msp, asize, d,
4960                             TRACE_DISABLED, allocator);
4961                         if (activated) {
4962                                 metaslab_passivate(msp, msp->ms_weight &
4963                                     ~METASLAB_ACTIVE_MASK);
4964                         }
4965                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
4966                         continue;
4967                 }
4968
4969                 offset = metaslab_block_alloc(msp, asize, txg);
4970                 metaslab_trace_add(zal, mg, msp, asize, d, offset, allocator);
4971
4972                 if (offset != -1ULL) {
4973                         /* Proactively passivate the metaslab, if needed */
4974                         if (activated)
4975                                 metaslab_segment_may_passivate(msp);
4976                         break;
4977                 }
4978 next:
4979                 ASSERT(msp->ms_loaded);
4980
4981                 /*
4982                  * This code is disabled out because of issues with
4983                  * tracepoints in non-gpl kernel modules.
4984                  */
4985 #if 0
4986                 DTRACE_PROBE2(ms__alloc__failure, metaslab_t *, msp,
4987                     uint64_t, asize);
4988 #endif
4989
4990                 /*
4991                  * We were unable to allocate from this metaslab so determine
4992                  * a new weight for this metaslab. Now that we have loaded
4993                  * the metaslab we can provide a better hint to the metaslab
4994                  * selector.
4995                  *
4996                  * For space-based metaslabs, we use the maximum block size.
4997                  * This information is only available when the metaslab
4998                  * is loaded and is more accurate than the generic free
4999                  * space weight that was calculated by metaslab_weight().
5000                  * This information allows us to quickly compare the maximum
5001                  * available allocation in the metaslab to the allocation
5002                  * size being requested.
5003                  *
5004                  * For segment-based metaslabs, determine the new weight
5005                  * based on the highest bucket in the range tree. We
5006                  * explicitly use the loaded segment weight (i.e. the range
5007                  * tree histogram) since it contains the space that is
5008                  * currently available for allocation and is accurate
5009                  * even within a sync pass.
5010                  */
5011                 uint64_t weight;
5012                 if (WEIGHT_IS_SPACEBASED(msp->ms_weight)) {
5013                         weight = metaslab_largest_allocatable(msp);
5014                         WEIGHT_SET_SPACEBASED(weight);
5015                 } else {
5016                         weight = metaslab_weight_from_range_tree(msp);
5017                 }
5018
5019                 if (activated) {
5020                         metaslab_passivate(msp, weight);
5021                 } else {
5022                         /*
5023                          * For the case where we use the metaslab that is
5024                          * active for another allocator we want to make
5025                          * sure that we retain the activation mask.
5026                          *
5027                          * Note that we could attempt to use something like
5028                          * metaslab_recalculate_weight_and_sort() that
5029                          * retains the activation mask here. That function
5030                          * uses metaslab_weight() to set the weight though
5031                          * which is not as accurate as the calculations
5032                          * above.
5033                          */
5034                         weight |= msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK;
5035                         metaslab_group_sort(mg, msp, weight);
5036                 }
5037                 metaslab_active_mask_verify(msp);
5038
5039                 /*
5040                  * We have just failed an allocation attempt, check
5041                  * that metaslab_should_allocate() agrees. Otherwise,
5042                  * we may end up in an infinite loop retrying the same
5043                  * metaslab.
5044                  */
5045                 ASSERT(!metaslab_should_allocate(msp, asize, try_hard));
5046
5047                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
5048         }
5049         mutex_exit(&msp->ms_lock);
5050         kmem_free(search, sizeof (*search));
5051         return (offset);
5052 }
5053
5054 static uint64_t
5055 metaslab_group_alloc(metaslab_group_t *mg, zio_alloc_list_t *zal,
5056     uint64_t asize, uint64_t txg, boolean_t want_unique, dva_t *dva, int d,
5057     int allocator, boolean_t try_hard)
5058 {
5059         uint64_t offset;
5060         ASSERT(mg->mg_initialized);
5061
5062         offset = metaslab_group_alloc_normal(mg, zal, asize, txg, want_unique,
5063             dva, d, allocator, try_hard);
5064
5065         mutex_enter(&mg->mg_lock);
5066         if (offset == -1ULL) {
5067                 mg->mg_failed_allocations++;
5068                 metaslab_trace_add(zal, mg, NULL, asize, d,
5069                     TRACE_GROUP_FAILURE, allocator);
5070                 if (asize == SPA_GANGBLOCKSIZE) {
5071                         /*
5072                          * This metaslab group was unable to allocate
5073                          * the minimum gang block size so it must be out of
5074                          * space. We must notify the allocation throttle
5075                          * to start skipping allocation attempts to this
5076                          * metaslab group until more space becomes available.
5077                          * Note: this failure cannot be caused by the
5078                          * allocation throttle since the allocation throttle
5079                          * is only responsible for skipping devices and
5080                          * not failing block allocations.
5081                          */
5082                         mg->mg_no_free_space = B_TRUE;
5083                 }
5084         }
5085         mg->mg_allocations++;
5086         mutex_exit(&mg->mg_lock);
5087         return (offset);
5088 }
5089
5090 /*
5091  * Allocate a block for the specified i/o.
5092  */
5093 int
5094 metaslab_alloc_dva(spa_t *spa, metaslab_class_t *mc, uint64_t psize,
5095     dva_t *dva, int d, dva_t *hintdva, uint64_t txg, int flags,
5096     zio_alloc_list_t *zal, int allocator)
5097 {
5098         metaslab_class_allocator_t *mca = &mc->mc_allocator[allocator];
5099         metaslab_group_t *mg, *fast_mg, *rotor;
5100         vdev_t *vd;
5101         boolean_t try_hard = B_FALSE;
5102
5103         ASSERT(!DVA_IS_VALID(&dva[d]));
5104
5105         /*
5106          * For testing, make some blocks above a certain size be gang blocks.
5107          * This will result in more split blocks when using device removal,
5108          * and a large number of split blocks coupled with ztest-induced
5109          * damage can result in extremely long reconstruction times.  This
5110          * will also test spilling from special to normal.
5111          */
5112         if (psize >= metaslab_force_ganging && (random_in_range(100) < 3)) {
5113                 metaslab_trace_add(zal, NULL, NULL, psize, d, TRACE_FORCE_GANG,
5114                     allocator);
5115                 return (SET_ERROR(ENOSPC));
5116         }
5117
5118         /*
5119          * Start at the rotor and loop through all mgs until we find something.
5120          * Note that there's no locking on mca_rotor or mca_aliquot because
5121          * nothing actually breaks if we miss a few updates -- we just won't
5122          * allocate quite as evenly.  It all balances out over time.
5123          *
5124          * If we are doing ditto or log blocks, try to spread them across
5125          * consecutive vdevs.  If we're forced to reuse a vdev before we've
5126          * allocated all of our ditto blocks, then try and spread them out on
5127          * that vdev as much as possible.  If it turns out to not be possible,
5128          * gradually lower our standards until anything becomes acceptable.
5129          * Also, allocating on consecutive vdevs (as opposed to random vdevs)
5130          * gives us hope of containing our fault domains to something we're
5131          * able to reason about.  Otherwise, any two top-level vdev failures
5132          * will guarantee the loss of data.  With consecutive allocation,
5133          * only two adjacent top-level vdev failures will result in data loss.
5134          *
5135          * If we are doing gang blocks (hintdva is non-NULL), try to keep
5136          * ourselves on the same vdev as our gang block header.  That
5137          * way, we can hope for locality in vdev_cache, plus it makes our
5138          * fault domains something tractable.
5139          */
5140         if (hintdva) {
5141                 vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&hintdva[d]));
5142
5143                 /*
5144                  * It's possible the vdev we're using as the hint no
5145                  * longer exists or its mg has been closed (e.g. by
5146                  * device removal).  Consult the rotor when
5147                  * all else fails.
5148                  */
5149                 if (vd != NULL && vd->vdev_mg != NULL) {
5150                         mg = vdev_get_mg(vd, mc);
5151
5152                         if (flags & METASLAB_HINTBP_AVOID)
5153                                 mg = mg->mg_next;
5154                 } else {
5155                         mg = mca->mca_rotor;
5156                 }
5157         } else if (d != 0) {
5158                 vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&dva[d - 1]));
5159                 mg = vd->vdev_mg->mg_next;
5160         } else if (flags & METASLAB_FASTWRITE) {
5161                 mg = fast_mg = mca->mca_rotor;
5162
5163                 do {
5164                         if (fast_mg->mg_vd->vdev_pending_fastwrite <
5165                             mg->mg_vd->vdev_pending_fastwrite)
5166                                 mg = fast_mg;
5167                 } while ((fast_mg = fast_mg->mg_next) != mca->mca_rotor);
5168
5169         } else {
5170                 ASSERT(mca->mca_rotor != NULL);
5171                 mg = mca->mca_rotor;
5172         }
5173
5174         /*
5175          * If the hint put us into the wrong metaslab class, or into a
5176          * metaslab group that has been passivated, just follow the rotor.
5177          */
5178         if (mg->mg_class != mc || mg->mg_activation_count <= 0)
5179                 mg = mca->mca_rotor;
5180
5181         rotor = mg;
5182 top:
5183         do {
5184                 boolean_t allocatable;
5185
5186                 ASSERT(mg->mg_activation_count == 1);
5187                 vd = mg->mg_vd;
5188
5189                 /*
5190                  * Don't allocate from faulted devices.
5191                  */
5192                 if (try_hard) {
5193                         spa_config_enter(spa, SCL_ZIO, FTAG, RW_READER);
5194                         allocatable = vdev_allocatable(vd);
5195                         spa_config_exit(spa, SCL_ZIO, FTAG);
5196                 } else {
5197                         allocatable = vdev_allocatable(vd);
5198                 }
5199
5200                 /*
5201                  * Determine if the selected metaslab group is eligible
5202                  * for allocations. If we're ganging then don't allow
5203                  * this metaslab group to skip allocations since that would
5204                  * inadvertently return ENOSPC and suspend the pool
5205                  * even though space is still available.
5206                  */
5207                 if (allocatable && !GANG_ALLOCATION(flags) && !try_hard) {
5208                         allocatable = metaslab_group_allocatable(mg, rotor,
5209                             flags, psize, allocator, d);
5210                 }
5211
5212                 if (!allocatable) {
5213                         metaslab_trace_add(zal, mg, NULL, psize, d,
5214                             TRACE_NOT_ALLOCATABLE, allocator);
5215                         goto next;
5216                 }
5217
5218                 ASSERT(mg->mg_initialized);
5219
5220                 /*
5221                  * Avoid writing single-copy data to an unhealthy,
5222                  * non-redundant vdev, unless we've already tried all
5223                  * other vdevs.
5224                  */
5225                 if (vd->vdev_state < VDEV_STATE_HEALTHY &&
5226                     d == 0 && !try_hard && vd->vdev_children == 0) {
5227                         metaslab_trace_add(zal, mg, NULL, psize, d,
5228                             TRACE_VDEV_ERROR, allocator);
5229                         goto next;
5230                 }
5231
5232                 ASSERT(mg->mg_class == mc);
5233
5234                 uint64_t asize = vdev_psize_to_asize(vd, psize);
5235                 ASSERT(P2PHASE(asize, 1ULL << vd->vdev_ashift) == 0);
5236
5237                 /*
5238                  * If we don't need to try hard, then require that the
5239                  * block be on a different metaslab from any other DVAs
5240                  * in this BP (unique=true).  If we are trying hard, then
5241                  * allow any metaslab to be used (unique=false).
5242                  */
5243                 uint64_t offset = metaslab_group_alloc(mg, zal, asize, txg,
5244                     !try_hard, dva, d, allocator, try_hard);
5245
5246                 if (offset != -1ULL) {
5247                         /*
5248                          * If we've just selected this metaslab group,
5249                          * figure out whether the corresponding vdev is
5250                          * over- or under-used relative to the pool,
5251                          * and set an allocation bias to even it out.
5252                          *
5253                          * Bias is also used to compensate for unequally
5254                          * sized vdevs so that space is allocated fairly.
5255                          */
5256                         if (mca->mca_aliquot == 0 && metaslab_bias_enabled) {
5257                                 vdev_stat_t *vs = &vd->vdev_stat;
5258                                 int64_t vs_free = vs->vs_space - vs->vs_alloc;
5259                                 int64_t mc_free = mc->mc_space - mc->mc_alloc;
5260                                 int64_t ratio;
5261
5262                                 /*
5263                                  * Calculate how much more or less we should
5264                                  * try to allocate from this device during
5265                                  * this iteration around the rotor.
5266                                  *
5267                                  * This basically introduces a zero-centered
5268                                  * bias towards the devices with the most
5269                                  * free space, while compensating for vdev
5270                                  * size differences.
5271                                  *
5272                                  * Examples:
5273                                  *  vdev V1 = 16M/128M
5274                                  *  vdev V2 = 16M/128M
5275                                  *  ratio(V1) = 100% ratio(V2) = 100%
5276                                  *
5277                                  *  vdev V1 = 16M/128M
5278                                  *  vdev V2 = 64M/128M
5279                                  *  ratio(V1) = 127% ratio(V2) =  72%
5280                                  *
5281                                  *  vdev V1 = 16M/128M
5282                                  *  vdev V2 = 64M/512M
5283                                  *  ratio(V1) =  40% ratio(V2) = 160%
5284                                  */
5285                                 ratio = (vs_free * mc->mc_alloc_groups * 100) /
5286                                     (mc_free + 1);
5287                                 mg->mg_bias = ((ratio - 100) *
5288                                     (int64_t)mg->mg_aliquot) / 100;
5289                         } else if (!metaslab_bias_enabled) {
5290                                 mg->mg_bias = 0;
5291                         }
5292
5293                         if ((flags & METASLAB_FASTWRITE) ||
5294                             atomic_add_64_nv(&mca->mca_aliquot, asize) >=
5295                             mg->mg_aliquot + mg->mg_bias) {
5296                                 mca->mca_rotor = mg->mg_next;
5297                                 mca->mca_aliquot = 0;
5298                         }
5299
5300                         DVA_SET_VDEV(&dva[d], vd->vdev_id);
5301                         DVA_SET_OFFSET(&dva[d], offset);
5302                         DVA_SET_GANG(&dva[d],
5303                             ((flags & METASLAB_GANG_HEADER) ? 1 : 0));
5304                         DVA_SET_ASIZE(&dva[d], asize);
5305
5306                         if (flags & METASLAB_FASTWRITE) {
5307                                 atomic_add_64(&vd->vdev_pending_fastwrite,
5308                                     psize);
5309                         }
5310
5311                         return (0);
5312                 }
5313 next:
5314                 mca->mca_rotor = mg->mg_next;
5315                 mca->mca_aliquot = 0;
5316         } while ((mg = mg->mg_next) != rotor);
5317
5318         /*
5319          * If we haven't tried hard, perhaps do so now.
5320          */
5321         if (!try_hard && (zfs_metaslab_try_hard_before_gang ||
5322             GANG_ALLOCATION(flags) || (flags & METASLAB_ZIL) != 0 ||
5323             psize <= 1 << spa->spa_min_ashift)) {
5324                 METASLABSTAT_BUMP(metaslabstat_try_hard);
5325                 try_hard = B_TRUE;
5326                 goto top;
5327         }
5328
5329         memset(&dva[d], 0, sizeof (dva_t));
5330
5331         metaslab_trace_add(zal, rotor, NULL, psize, d, TRACE_ENOSPC, allocator);
5332         return (SET_ERROR(ENOSPC));
5333 }
5334
5335 void
5336 metaslab_free_concrete(vdev_t *vd, uint64_t offset, uint64_t asize,
5337     boolean_t checkpoint)
5338 {
5339         metaslab_t *msp;
5340         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
5341
5342         ASSERT(vdev_is_concrete(vd));
5343         ASSERT3U(spa_config_held(spa, SCL_ALL, RW_READER), !=, 0);
5344         ASSERT3U(offset >> vd->vdev_ms_shift, <, vd->vdev_ms_count);
5345
5346         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
5347
5348         VERIFY(!msp->ms_condensing);
5349         VERIFY3U(offset, >=, msp->ms_start);
5350         VERIFY3U(offset + asize, <=, msp->ms_start + msp->ms_size);
5351         VERIFY0(P2PHASE(offset, 1ULL << vd->vdev_ashift));
5352         VERIFY0(P2PHASE(asize, 1ULL << vd->vdev_ashift));
5353
5354         metaslab_check_free_impl(vd, offset, asize);
5355
5356         mutex_enter(&msp->ms_lock);
5357         if (range_tree_is_empty(msp->ms_freeing) &&
5358             range_tree_is_empty(msp->ms_checkpointing)) {
5359                 vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, spa_syncing_txg(spa));
5360         }
5361
5362         if (checkpoint) {
5363                 ASSERT(spa_has_checkpoint(spa));
5364                 range_tree_add(msp->ms_checkpointing, offset, asize);
5365         } else {
5366                 range_tree_add(msp->ms_freeing, offset, asize);
5367         }
5368         mutex_exit(&msp->ms_lock);
5369 }
5370
5371 void
5372 metaslab_free_impl_cb(uint64_t inner_offset, vdev_t *vd, uint64_t offset,
5373     uint64_t size, void *arg)
5374 {
5375         (void) inner_offset;
5376         boolean_t *checkpoint = arg;
5377
5378         ASSERT3P(checkpoint, !=, NULL);
5379
5380         if (vd->vdev_ops->vdev_op_remap != NULL)
5381                 vdev_indirect_mark_obsolete(vd, offset, size);
5382         else
5383                 metaslab_free_impl(vd, offset, size, *checkpoint);
5384 }
5385
5386 static void
5387 metaslab_free_impl(vdev_t *vd, uint64_t offset, uint64_t size,
5388     boolean_t checkpoint)
5389 {
5390         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
5391
5392         ASSERT3U(spa_config_held(spa, SCL_ALL, RW_READER), !=, 0);
5393
5394         if (spa_syncing_txg(spa) > spa_freeze_txg(spa))
5395                 return;
5396
5397         if (spa->spa_vdev_removal != NULL &&
5398             spa->spa_vdev_removal->svr_vdev_id == vd->vdev_id &&
5399             vdev_is_concrete(vd)) {
5400                 /*
5401                  * Note: we check if the vdev is concrete because when
5402                  * we complete the removal, we first change the vdev to be
5403                  * an indirect vdev (in open context), and then (in syncing
5404                  * context) clear spa_vdev_removal.
5405                  */
5406                 free_from_removing_vdev(vd, offset, size);
5407         } else if (vd->vdev_ops->vdev_op_remap != NULL) {
5408                 vdev_indirect_mark_obsolete(vd, offset, size);
5409                 vd->vdev_ops->vdev_op_remap(vd, offset, size,
5410                     metaslab_free_impl_cb, &checkpoint);
5411         } else {
5412                 metaslab_free_concrete(vd, offset, size, checkpoint);
5413         }
5414 }
5415
5416 typedef struct remap_blkptr_cb_arg {
5417         blkptr_t *rbca_bp;
5418         spa_remap_cb_t rbca_cb;
5419         vdev_t *rbca_remap_vd;
5420         uint64_t rbca_remap_offset;
5421         void *rbca_cb_arg;
5422 } remap_blkptr_cb_arg_t;
5423
5424 static void
5425 remap_blkptr_cb(uint64_t inner_offset, vdev_t *vd, uint64_t offset,
5426     uint64_t size, void *arg)
5427 {
5428         remap_blkptr_cb_arg_t *rbca = arg;
5429         blkptr_t *bp = rbca->rbca_bp;
5430
5431         /* We can not remap split blocks. */
5432         if (size != DVA_GET_ASIZE(&bp->blk_dva[0]))
5433                 return;
5434         ASSERT0(inner_offset);
5435
5436         if (rbca->rbca_cb != NULL) {
5437                 /*
5438                  * At this point we know that we are not handling split
5439                  * blocks and we invoke the callback on the previous
5440                  * vdev which must be indirect.
5441                  */
5442                 ASSERT3P(rbca->rbca_remap_vd->vdev_ops, ==, &vdev_indirect_ops);
5443
5444                 rbca->rbca_cb(rbca->rbca_remap_vd->vdev_id,
5445                     rbca->rbca_remap_offset, size, rbca->rbca_cb_arg);
5446
5447                 /* set up remap_blkptr_cb_arg for the next call */
5448                 rbca->rbca_remap_vd = vd;
5449                 rbca->rbca_remap_offset = offset;
5450         }
5451
5452         /*
5453          * The phys birth time is that of dva[0].  This ensures that we know
5454          * when each dva was written, so that resilver can determine which
5455          * blocks need to be scrubbed (i.e. those written during the time
5456          * the vdev was offline).  It also ensures that the key used in
5457          * the ARC hash table is unique (i.e. dva[0] + phys_birth).  If
5458          * we didn't change the phys_birth, a lookup in the ARC for a
5459          * remapped BP could find the data that was previously stored at
5460          * this vdev + offset.
5461          */
5462         vdev_t *oldvd = vdev_lookup_top(vd->vdev_spa,
5463             DVA_GET_VDEV(&bp->blk_dva[0]));
5464         vdev_indirect_births_t *vib = oldvd->vdev_indirect_births;
5465         bp->blk_phys_birth = vdev_indirect_births_physbirth(vib,
5466             DVA_GET_OFFSET(&bp->blk_dva[0]), DVA_GET_ASIZE(&bp->blk_dva[0]));
5467
5468         DVA_SET_VDEV(&bp->blk_dva[0], vd->vdev_id);
5469         DVA_SET_OFFSET(&bp->blk_dva[0], offset);
5470 }
5471
5472 /*
5473  * If the block pointer contains any indirect DVAs, modify them to refer to
5474  * concrete DVAs.  Note that this will sometimes not be possible, leaving
5475  * the indirect DVA in place.  This happens if the indirect DVA spans multiple
5476  * segments in the mapping (i.e. it is a "split block").
5477  *
5478  * If the BP was remapped, calls the callback on the original dva (note the
5479  * callback can be called multiple times if the original indirect DVA refers
5480  * to another indirect DVA, etc).
5481  *
5482  * Returns TRUE if the BP was remapped.
5483  */
5484 boolean_t
5485 spa_remap_blkptr(spa_t *spa, blkptr_t *bp, spa_remap_cb_t callback, void *arg)
5486 {
5487         remap_blkptr_cb_arg_t rbca;
5488
5489         if (!zfs_remap_blkptr_enable)
5490                 return (B_FALSE);
5491
5492         if (!spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_OBSOLETE_COUNTS))
5493                 return (B_FALSE);
5494
5495         /*
5496          * Dedup BP's can not be remapped, because ddt_phys_select() depends
5497          * on DVA[0] being the same in the BP as in the DDT (dedup table).
5498          */
5499         if (BP_GET_DEDUP(bp))
5500                 return (B_FALSE);
5501
5502         /*
5503          * Gang blocks can not be remapped, because
5504          * zio_checksum_gang_verifier() depends on the DVA[0] that's in
5505          * the BP used to read the gang block header (GBH) being the same
5506          * as the DVA[0] that we allocated for the GBH.
5507          */
5508         if (BP_IS_GANG(bp))
5509                 return (B_FALSE);
5510
5511         /*
5512          * Embedded BP's have no DVA to remap.
5513          */
5514         if (BP_GET_NDVAS(bp) < 1)
5515                 return (B_FALSE);
5516
5517         /*
5518          * Note: we only remap dva[0].  If we remapped other dvas, we
5519          * would no longer know what their phys birth txg is.
5520          */
5521         dva_t *dva = &bp->blk_dva[0];
5522
5523         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
5524         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
5525         vdev_t *vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(dva));
5526
5527         if (vd->vdev_ops->vdev_op_remap == NULL)
5528                 return (B_FALSE);
5529
5530         rbca.rbca_bp = bp;
5531         rbca.rbca_cb = callback;
5532         rbca.rbca_remap_vd = vd;
5533         rbca.rbca_remap_offset = offset;
5534         rbca.rbca_cb_arg = arg;
5535
5536         /*
5537          * remap_blkptr_cb() will be called in order for each level of
5538          * indirection, until a concrete vdev is reached or a split block is
5539          * encountered. old_vd and old_offset are updated within the callback
5540          * as we go from the one indirect vdev to the next one (either concrete
5541          * or indirect again) in that order.
5542          */
5543         vd->vdev_ops->vdev_op_remap(vd, offset, size, remap_blkptr_cb, &rbca);
5544
5545         /* Check if the DVA wasn't remapped because it is a split block */
5546         if (DVA_GET_VDEV(&rbca.rbca_bp->blk_dva[0]) == vd->vdev_id)
5547                 return (B_FALSE);
5548
5549         return (B_TRUE);
5550 }
5551
5552 /*
5553  * Undo the allocation of a DVA which happened in the given transaction group.
5554  */
5555 void
5556 metaslab_unalloc_dva(spa_t *spa, const dva_t *dva, uint64_t txg)
5557 {
5558         metaslab_t *msp;
5559         vdev_t *vd;
5560         uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(dva);
5561         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
5562         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
5563
5564         ASSERT(DVA_IS_VALID(dva));
5565         ASSERT3U(spa_config_held(spa, SCL_ALL, RW_READER), !=, 0);
5566
5567         if (txg > spa_freeze_txg(spa))
5568                 return;
5569
5570         if ((vd = vdev_lookup_top(spa, vdev)) == NULL || !DVA_IS_VALID(dva) ||
5571             (offset >> vd->vdev_ms_shift) >= vd->vdev_ms_count) {
5572                 zfs_panic_recover("metaslab_free_dva(): bad DVA %llu:%llu:%llu",
5573                     (u_longlong_t)vdev, (u_longlong_t)offset,
5574                     (u_longlong_t)size);
5575                 return;
5576         }
5577
5578         ASSERT(!vd->vdev_removing);
5579         ASSERT(vdev_is_concrete(vd));
5580         ASSERT0(vd->vdev_indirect_config.vic_mapping_object);
5581         ASSERT3P(vd->vdev_indirect_mapping, ==, NULL);
5582
5583         if (DVA_GET_GANG(dva))
5584                 size = vdev_gang_header_asize(vd);
5585
5586         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
5587
5588         mutex_enter(&msp->ms_lock);
5589         range_tree_remove(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK],
5590             offset, size);
5591         msp->ms_allocating_total -= size;
5592
5593         VERIFY(!msp->ms_condensing);
5594         VERIFY3U(offset, >=, msp->ms_start);
5595         VERIFY3U(offset + size, <=, msp->ms_start + msp->ms_size);
5596         VERIFY3U(range_tree_space(msp->ms_allocatable) + size, <=,
5597             msp->ms_size);
5598         VERIFY0(P2PHASE(offset, 1ULL << vd->vdev_ashift));
5599         VERIFY0(P2PHASE(size, 1ULL << vd->vdev_ashift));
5600         range_tree_add(msp->ms_allocatable, offset, size);
5601         mutex_exit(&msp->ms_lock);
5602 }
5603
5604 /*
5605  * Free the block represented by the given DVA.
5606  */
5607 void
5608 metaslab_free_dva(spa_t *spa, const dva_t *dva, boolean_t checkpoint)
5609 {
5610         uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(dva);
5611         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
5612         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
5613         vdev_t *vd = vdev_lookup_top(spa, vdev);
5614
5615         ASSERT(DVA_IS_VALID(dva));
5616         ASSERT3U(spa_config_held(spa, SCL_ALL, RW_READER), !=, 0);
5617
5618         if (DVA_GET_GANG(dva)) {
5619                 size = vdev_gang_header_asize(vd);
5620         }
5621
5622         metaslab_free_impl(vd, offset, size, checkpoint);
5623 }
5624
5625 /*
5626  * Reserve some allocation slots. The reservation system must be called
5627  * before we call into the allocator. If there aren't any available slots
5628  * then the I/O will be throttled until an I/O completes and its slots are
5629  * freed up. The function returns true if it was successful in placing
5630  * the reservation.
5631  */
5632 boolean_t
5633 metaslab_class_throttle_reserve(metaslab_class_t *mc, int slots, int allocator,
5634     zio_t *zio, int flags)
5635 {
5636         metaslab_class_allocator_t *mca = &mc->mc_allocator[allocator];
5637         uint64_t max = mca->mca_alloc_max_slots;
5638
5639         ASSERT(mc->mc_alloc_throttle_enabled);
5640         if (GANG_ALLOCATION(flags) || (flags & METASLAB_MUST_RESERVE) ||
5641             zfs_refcount_count(&mca->mca_alloc_slots) + slots <= max) {
5642                 /*
5643                  * The potential race between _count() and _add() is covered
5644                  * by the allocator lock in most cases, or irrelevant due to
5645                  * GANG_ALLOCATION() or METASLAB_MUST_RESERVE set in others.
5646                  * But even if we assume some other non-existing scenario, the
5647                  * worst that can happen is few more I/Os get to allocation
5648                  * earlier, that is not a problem.
5649                  *
5650                  * We reserve the slots individually so that we can unreserve
5651                  * them individually when an I/O completes.
5652                  */
5653                 zfs_refcount_add_few(&mca->mca_alloc_slots, slots, zio);
5654                 zio->io_flags |= ZIO_FLAG_IO_ALLOCATING;
5655                 return (B_TRUE);
5656         }
5657         return (B_FALSE);
5658 }
5659
5660 void
5661 metaslab_class_throttle_unreserve(metaslab_class_t *mc, int slots,
5662     int allocator, zio_t *zio)
5663 {
5664         metaslab_class_allocator_t *mca = &mc->mc_allocator[allocator];
5665
5666         ASSERT(mc->mc_alloc_throttle_enabled);
5667         zfs_refcount_remove_few(&mca->mca_alloc_slots, slots, zio);
5668 }
5669
5670 static int
5671 metaslab_claim_concrete(vdev_t *vd, uint64_t offset, uint64_t size,
5672     uint64_t txg)
5673 {
5674         metaslab_t *msp;
5675         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
5676         int error = 0;
5677
5678         if (offset >> vd->vdev_ms_shift >= vd->vdev_ms_count)
5679                 return (SET_ERROR(ENXIO));
5680
5681         ASSERT3P(vd->vdev_ms, !=, NULL);
5682         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
5683
5684         mutex_enter(&msp->ms_lock);
5685
5686         if ((txg != 0 && spa_writeable(spa)) || !msp->ms_loaded) {
5687                 error = metaslab_activate(msp, 0, METASLAB_WEIGHT_CLAIM);
5688                 if (error == EBUSY) {
5689                         ASSERT(msp->ms_loaded);
5690                         ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
5691                         error = 0;
5692                 }
5693         }
5694
5695         if (error == 0 &&
5696             !range_tree_contains(msp->ms_allocatable, offset, size))
5697                 error = SET_ERROR(ENOENT);
5698
5699         if (error || txg == 0) {        /* txg == 0 indicates dry run */
5700                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
5701                 return (error);
5702         }
5703
5704         VERIFY(!msp->ms_condensing);
5705         VERIFY0(P2PHASE(offset, 1ULL << vd->vdev_ashift));
5706         VERIFY0(P2PHASE(size, 1ULL << vd->vdev_ashift));
5707         VERIFY3U(range_tree_space(msp->ms_allocatable) - size, <=,
5708             msp->ms_size);
5709         range_tree_remove(msp->ms_allocatable, offset, size);
5710         range_tree_clear(msp->ms_trim, offset, size);
5711
5712         if (spa_writeable(spa)) {       /* don't dirty if we're zdb(8) */
5713                 metaslab_class_t *mc = msp->ms_group->mg_class;
5714                 multilist_sublist_t *mls =
5715                     multilist_sublist_lock_obj(&mc->mc_metaslab_txg_list, msp);
5716                 if (!multilist_link_active(&msp->ms_class_txg_node)) {
5717                         msp->ms_selected_txg = txg;
5718                         multilist_sublist_insert_head(mls, msp);
5719                 }
5720                 multilist_sublist_unlock(mls);
5721
5722                 if (range_tree_is_empty(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK]))
5723                         vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
5724                 range_tree_add(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK],
5725                     offset, size);
5726                 msp->ms_allocating_total += size;
5727         }
5728
5729         mutex_exit(&msp->ms_lock);
5730
5731         return (0);
5732 }
5733
5734 typedef struct metaslab_claim_cb_arg_t {
5735         uint64_t        mcca_txg;
5736         int             mcca_error;
5737 } metaslab_claim_cb_arg_t;
5738
5739 static void
5740 metaslab_claim_impl_cb(uint64_t inner_offset, vdev_t *vd, uint64_t offset,
5741     uint64_t size, void *arg)
5742 {
5743         (void) inner_offset;
5744         metaslab_claim_cb_arg_t *mcca_arg = arg;
5745
5746         if (mcca_arg->mcca_error == 0) {
5747                 mcca_arg->mcca_error = metaslab_claim_concrete(vd, offset,
5748                     size, mcca_arg->mcca_txg);
5749         }
5750 }
5751
5752 int
5753 metaslab_claim_impl(vdev_t *vd, uint64_t offset, uint64_t size, uint64_t txg)
5754 {
5755         if (vd->vdev_ops->vdev_op_remap != NULL) {
5756                 metaslab_claim_cb_arg_t arg;
5757
5758                 /*
5759                  * Only zdb(8) can claim on indirect vdevs.  This is used
5760                  * to detect leaks of mapped space (that are not accounted
5761                  * for in the obsolete counts, spacemap, or bpobj).
5762                  */
5763                 ASSERT(!spa_writeable(vd->vdev_spa));
5764                 arg.mcca_error = 0;
5765                 arg.mcca_txg = txg;
5766
5767                 vd->vdev_ops->vdev_op_remap(vd, offset, size,
5768                     metaslab_claim_impl_cb, &arg);
5769
5770                 if (arg.mcca_error == 0) {
5771                         arg.mcca_error = metaslab_claim_concrete(vd,
5772                             offset, size, txg);
5773                 }
5774                 return (arg.mcca_error);
5775         } else {
5776                 return (metaslab_claim_concrete(vd, offset, size, txg));
5777         }
5778 }
5779
5780 /*
5781  * Intent log support: upon opening the pool after a crash, notify the SPA
5782  * of blocks that the intent log has allocated for immediate write, but
5783  * which are still considered free by the SPA because the last transaction
5784  * group didn't commit yet.
5785  */
5786 static int
5787 metaslab_claim_dva(spa_t *spa, const dva_t *dva, uint64_t txg)
5788 {
5789         uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(dva);
5790         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
5791         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
5792         vdev_t *vd;
5793
5794         if ((vd = vdev_lookup_top(spa, vdev)) == NULL) {
5795                 return (SET_ERROR(ENXIO));
5796         }
5797
5798         ASSERT(DVA_IS_VALID(dva));
5799
5800         if (DVA_GET_GANG(dva))
5801                 size = vdev_gang_header_asize(vd);
5802
5803         return (metaslab_claim_impl(vd, offset, size, txg));
5804 }
5805
5806 int
5807 metaslab_alloc(spa_t *spa, metaslab_class_t *mc, uint64_t psize, blkptr_t *bp,
5808     int ndvas, uint64_t txg, blkptr_t *hintbp, int flags,
5809     zio_alloc_list_t *zal, zio_t *zio, int allocator)
5810 {
5811         dva_t *dva = bp->blk_dva;
5812         dva_t *hintdva = (hintbp != NULL) ? hintbp->blk_dva : NULL;
5813         int error = 0;
5814
5815         ASSERT(bp->blk_birth == 0);
5816         ASSERT(BP_PHYSICAL_BIRTH(bp) == 0);
5817
5818         spa_config_enter(spa, SCL_ALLOC, FTAG, RW_READER);
5819
5820         if (mc->mc_allocator[allocator].mca_rotor == NULL) {
5821                 /* no vdevs in this class */
5822                 spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
5823                 return (SET_ERROR(ENOSPC));
5824         }
5825
5826         ASSERT(ndvas > 0 && ndvas <= spa_max_replication(spa));
5827         ASSERT(BP_GET_NDVAS(bp) == 0);
5828         ASSERT(hintbp == NULL || ndvas <= BP_GET_NDVAS(hintbp));
5829         ASSERT3P(zal, !=, NULL);
5830
5831         for (int d = 0; d < ndvas; d++) {
5832                 error = metaslab_alloc_dva(spa, mc, psize, dva, d, hintdva,
5833                     txg, flags, zal, allocator);
5834                 if (error != 0) {
5835                         for (d--; d >= 0; d--) {
5836                                 metaslab_unalloc_dva(spa, &dva[d], txg);
5837                                 metaslab_group_alloc_decrement(spa,
5838                                     DVA_GET_VDEV(&dva[d]), zio, flags,
5839                                     allocator, B_FALSE);
5840                                 memset(&dva[d], 0, sizeof (dva_t));
5841                         }
5842                         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
5843                         return (error);
5844                 } else {
5845                         /*
5846                          * Update the metaslab group's queue depth
5847                          * based on the newly allocated dva.
5848                          */
5849                         metaslab_group_alloc_increment(spa,
5850                             DVA_GET_VDEV(&dva[d]), zio, flags, allocator);
5851                 }
5852         }
5853         ASSERT(error == 0);
5854         ASSERT(BP_GET_NDVAS(bp) == ndvas);
5855
5856         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
5857
5858         BP_SET_BIRTH(bp, txg, 0);
5859
5860         return (0);
5861 }
5862
5863 void
5864 metaslab_free(spa_t *spa, const blkptr_t *bp, uint64_t txg, boolean_t now)
5865 {
5866         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
5867         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
5868
5869         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
5870         ASSERT(!now || bp->blk_birth >= spa_syncing_txg(spa));
5871
5872         /*
5873          * If we have a checkpoint for the pool we need to make sure that
5874          * the blocks that we free that are part of the checkpoint won't be
5875          * reused until the checkpoint is discarded or we revert to it.
5876          *
5877          * The checkpoint flag is passed down the metaslab_free code path
5878          * and is set whenever we want to add a block to the checkpoint's
5879          * accounting. That is, we "checkpoint" blocks that existed at the
5880          * time the checkpoint was created and are therefore referenced by
5881          * the checkpointed uberblock.
5882          *
5883          * Note that, we don't checkpoint any blocks if the current
5884          * syncing txg <= spa_checkpoint_txg. We want these frees to sync
5885          * normally as they will be referenced by the checkpointed uberblock.
5886          */
5887         boolean_t checkpoint = B_FALSE;
5888         if (bp->blk_birth <= spa->spa_checkpoint_txg &&
5889             spa_syncing_txg(spa) > spa->spa_checkpoint_txg) {
5890                 /*
5891                  * At this point, if the block is part of the checkpoint
5892                  * there is no way it was created in the current txg.
5893                  */
5894                 ASSERT(!now);
5895                 ASSERT3U(spa_syncing_txg(spa), ==, txg);
5896                 checkpoint = B_TRUE;
5897         }
5898
5899         spa_config_enter(spa, SCL_FREE, FTAG, RW_READER);
5900
5901         for (int d = 0; d < ndvas; d++) {
5902                 if (now) {
5903                         metaslab_unalloc_dva(spa, &dva[d], txg);
5904                 } else {
5905                         ASSERT3U(txg, ==, spa_syncing_txg(spa));
5906                         metaslab_free_dva(spa, &dva[d], checkpoint);
5907                 }
5908         }
5909
5910         spa_config_exit(spa, SCL_FREE, FTAG);
5911 }
5912
5913 int
5914 metaslab_claim(spa_t *spa, const blkptr_t *bp, uint64_t txg)
5915 {
5916         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
5917         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
5918         int error = 0;
5919
5920         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
5921
5922         if (txg != 0) {
5923                 /*
5924                  * First do a dry run to make sure all DVAs are claimable,
5925                  * so we don't have to unwind from partial failures below.
5926                  */
5927                 if ((error = metaslab_claim(spa, bp, 0)) != 0)
5928                         return (error);
5929         }
5930
5931         spa_config_enter(spa, SCL_ALLOC, FTAG, RW_READER);
5932
5933         for (int d = 0; d < ndvas; d++) {
5934                 error = metaslab_claim_dva(spa, &dva[d], txg);
5935                 if (error != 0)
5936                         break;
5937         }
5938
5939         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
5940
5941         ASSERT(error == 0 || txg == 0);
5942
5943         return (error);
5944 }
5945
5946 void
5947 metaslab_fastwrite_mark(spa_t *spa, const blkptr_t *bp)
5948 {
5949         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
5950         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
5951         uint64_t psize = BP_GET_PSIZE(bp);
5952         int d;
5953         vdev_t *vd;
5954
5955         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
5956         ASSERT(!BP_IS_EMBEDDED(bp));
5957         ASSERT(psize > 0);
5958
5959         spa_config_enter(spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
5960
5961         for (d = 0; d < ndvas; d++) {
5962                 if ((vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&dva[d]))) == NULL)
5963                         continue;
5964                 atomic_add_64(&vd->vdev_pending_fastwrite, psize);
5965         }
5966
5967         spa_config_exit(spa, SCL_VDEV, FTAG);
5968 }
5969
5970 void
5971 metaslab_fastwrite_unmark(spa_t *spa, const blkptr_t *bp)
5972 {
5973         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
5974         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
5975         uint64_t psize = BP_GET_PSIZE(bp);
5976         int d;
5977         vdev_t *vd;
5978
5979         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
5980         ASSERT(!BP_IS_EMBEDDED(bp));
5981         ASSERT(psize > 0);
5982
5983         spa_config_enter(spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
5984
5985         for (d = 0; d < ndvas; d++) {
5986                 if ((vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&dva[d]))) == NULL)
5987                         continue;
5988                 ASSERT3U(vd->vdev_pending_fastwrite, >=, psize);
5989                 atomic_sub_64(&vd->vdev_pending_fastwrite, psize);
5990         }
5991
5992         spa_config_exit(spa, SCL_VDEV, FTAG);
5993 }
5994
5995 static void
5996 metaslab_check_free_impl_cb(uint64_t inner, vdev_t *vd, uint64_t offset,
5997     uint64_t size, void *arg)
5998 {
5999         (void) inner, (void) arg;
6000
6001         if (vd->vdev_ops == &vdev_indirect_ops)
6002                 return;
6003
6004         metaslab_check_free_impl(vd, offset, size);
6005 }
6006
6007 static void
6008 metaslab_check_free_impl(vdev_t *vd, uint64_t offset, uint64_t size)
6009 {
6010         metaslab_t *msp;
6011         spa_t *spa __maybe_unused = vd->vdev_spa;
6012
6013         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_ZIO_FREE) == 0)
6014                 return;
6015
6016         if (vd->vdev_ops->vdev_op_remap != NULL) {
6017                 vd->vdev_ops->vdev_op_remap(vd, offset, size,
6018                     metaslab_check_free_impl_cb, NULL);
6019                 return;
6020         }
6021
6022         ASSERT(vdev_is_concrete(vd));
6023         ASSERT3U(offset >> vd->vdev_ms_shift, <, vd->vdev_ms_count);
6024         ASSERT3U(spa_config_held(spa, SCL_ALL, RW_READER), !=, 0);
6025
6026         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
6027
6028         mutex_enter(&msp->ms_lock);
6029         if (msp->ms_loaded) {
6030                 range_tree_verify_not_present(msp->ms_allocatable,
6031                     offset, size);
6032         }
6033
6034         /*
6035          * Check all segments that currently exist in the freeing pipeline.
6036          *
6037          * It would intuitively make sense to also check the current allocating
6038          * tree since metaslab_unalloc_dva() exists for extents that are
6039          * allocated and freed in the same sync pass within the same txg.
6040          * Unfortunately there are places (e.g. the ZIL) where we allocate a
6041          * segment but then we free part of it within the same txg
6042          * [see zil_sync()]. Thus, we don't call range_tree_verify() in the
6043          * current allocating tree.
6044          */
6045         range_tree_verify_not_present(msp->ms_freeing, offset, size);
6046         range_tree_verify_not_present(msp->ms_checkpointing, offset, size);
6047         range_tree_verify_not_present(msp->ms_freed, offset, size);
6048         for (int j = 0; j < TXG_DEFER_SIZE; j++)
6049                 range_tree_verify_not_present(msp->ms_defer[j], offset, size);
6050         range_tree_verify_not_present(msp->ms_trim, offset, size);
6051         mutex_exit(&msp->ms_lock);
6052 }
6053
6054 void
6055 metaslab_check_free(spa_t *spa, const blkptr_t *bp)
6056 {
6057         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_ZIO_FREE) == 0)
6058                 return;
6059
6060         spa_config_enter(spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
6061         for (int i = 0; i < BP_GET_NDVAS(bp); i++) {
6062                 uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(&bp->blk_dva[i]);
6063                 vdev_t *vd = vdev_lookup_top(spa, vdev);
6064                 uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(&bp->blk_dva[i]);
6065                 uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(&bp->blk_dva[i]);
6066
6067                 if (DVA_GET_GANG(&bp->blk_dva[i]))
6068                         size = vdev_gang_header_asize(vd);
6069
6070                 ASSERT3P(vd, !=, NULL);
6071
6072                 metaslab_check_free_impl(vd, offset, size);
6073         }
6074         spa_config_exit(spa, SCL_VDEV, FTAG);
6075 }
6076
6077 static void
6078 metaslab_group_disable_wait(metaslab_group_t *mg)
6079 {
6080         ASSERT(MUTEX_HELD(&mg->mg_ms_disabled_lock));
6081         while (mg->mg_disabled_updating) {
6082                 cv_wait(&mg->mg_ms_disabled_cv, &mg->mg_ms_disabled_lock);
6083         }
6084 }
6085
6086 static void
6087 metaslab_group_disabled_increment(metaslab_group_t *mg)
6088 {
6089         ASSERT(MUTEX_HELD(&mg->mg_ms_disabled_lock));
6090         ASSERT(mg->mg_disabled_updating);
6091
6092         while (mg->mg_ms_disabled >= max_disabled_ms) {
6093                 cv_wait(&mg->mg_ms_disabled_cv, &mg->mg_ms_disabled_lock);
6094         }
6095         mg->mg_ms_disabled++;
6096         ASSERT3U(mg->mg_ms_disabled, <=, max_disabled_ms);
6097 }
6098
6099 /*
6100  * Mark the metaslab as disabled to prevent any allocations on this metaslab.
6101  * We must also track how many metaslabs are currently disabled within a
6102  * metaslab group and limit them to prevent allocation failures from
6103  * occurring because all metaslabs are disabled.
6104  */
6105 void
6106 metaslab_disable(metaslab_t *msp)
6107 {
6108         ASSERT(!MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
6109         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
6110
6111         mutex_enter(&mg->mg_ms_disabled_lock);
6112
6113         /*
6114          * To keep an accurate count of how many threads have disabled
6115          * a specific metaslab group, we only allow one thread to mark
6116          * the metaslab group at a time. This ensures that the value of
6117          * ms_disabled will be accurate when we decide to mark a metaslab
6118          * group as disabled. To do this we force all other threads
6119          * to wait till the metaslab's mg_disabled_updating flag is no
6120          * longer set.
6121          */
6122         metaslab_group_disable_wait(mg);
6123         mg->mg_disabled_updating = B_TRUE;
6124         if (msp->ms_disabled == 0) {
6125                 metaslab_group_disabled_increment(mg);
6126         }
6127         mutex_enter(&msp->ms_lock);
6128         msp->ms_disabled++;
6129         mutex_exit(&msp->ms_lock);
6130
6131         mg->mg_disabled_updating = B_FALSE;
6132         cv_broadcast(&mg->mg_ms_disabled_cv);
6133         mutex_exit(&mg->mg_ms_disabled_lock);
6134 }
6135
6136 void
6137 metaslab_enable(metaslab_t *msp, boolean_t sync, boolean_t unload)
6138 {
6139         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
6140         spa_t *spa = mg->mg_vd->vdev_spa;
6141
6142         /*
6143          * Wait for the outstanding IO to be synced to prevent newly
6144          * allocated blocks from being overwritten.  This used by
6145          * initialize and TRIM which are modifying unallocated space.
6146          */
6147         if (sync)
6148                 txg_wait_synced(spa_get_dsl(spa), 0);
6149
6150         mutex_enter(&mg->mg_ms_disabled_lock);
6151         mutex_enter(&msp->ms_lock);
6152         if (--msp->ms_disabled == 0) {
6153                 mg->mg_ms_disabled--;
6154                 cv_broadcast(&mg->mg_ms_disabled_cv);
6155                 if (unload)
6156                         metaslab_unload(msp);
6157         }
6158         mutex_exit(&msp->ms_lock);
6159         mutex_exit(&mg->mg_ms_disabled_lock);
6160 }
6161
6162 void
6163 metaslab_set_unflushed_dirty(metaslab_t *ms, boolean_t dirty)
6164 {
6165         ms->ms_unflushed_dirty = dirty;
6166 }
6167
6168 static void
6169 metaslab_update_ondisk_flush_data(metaslab_t *ms, dmu_tx_t *tx)
6170 {
6171         vdev_t *vd = ms->ms_group->mg_vd;
6172         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
6173         objset_t *mos = spa_meta_objset(spa);
6174
6175         ASSERT(spa_feature_is_active(spa, SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP));
6176
6177         metaslab_unflushed_phys_t entry = {
6178                 .msp_unflushed_txg = metaslab_unflushed_txg(ms),
6179         };
6180         uint64_t entry_size = sizeof (entry);
6181         uint64_t entry_offset = ms->ms_id * entry_size;
6182
6183         uint64_t object = 0;
6184         int err = zap_lookup(mos, vd->vdev_top_zap,
6185             VDEV_TOP_ZAP_MS_UNFLUSHED_PHYS_TXGS, sizeof (uint64_t), 1,
6186             &object);
6187         if (err == ENOENT) {
6188                 object = dmu_object_alloc(mos, DMU_OTN_UINT64_METADATA,
6189                     SPA_OLD_MAXBLOCKSIZE, DMU_OT_NONE, 0, tx);
6190                 VERIFY0(zap_add(mos, vd->vdev_top_zap,
6191                     VDEV_TOP_ZAP_MS_UNFLUSHED_PHYS_TXGS, sizeof (uint64_t), 1,
6192                     &object, tx));
6193         } else {
6194                 VERIFY0(err);
6195         }
6196
6197         dmu_write(spa_meta_objset(spa), object, entry_offset, entry_size,
6198             &entry, tx);
6199 }
6200
6201 void
6202 metaslab_set_unflushed_txg(metaslab_t *ms, uint64_t txg, dmu_tx_t *tx)
6203 {
6204         ms->ms_unflushed_txg = txg;
6205         metaslab_update_ondisk_flush_data(ms, tx);
6206 }
6207
6208 boolean_t
6209 metaslab_unflushed_dirty(metaslab_t *ms)
6210 {
6211         return (ms->ms_unflushed_dirty);
6212 }
6213
6214 uint64_t
6215 metaslab_unflushed_txg(metaslab_t *ms)
6216 {
6217         return (ms->ms_unflushed_txg);
6218 }
6219
6220 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, aliquot, U64, ZMOD_RW,
6221         "Allocation granularity (a.k.a. stripe size)");
6222
6223 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, debug_load, INT, ZMOD_RW,
6224         "Load all metaslabs when pool is first opened");
6225
6226 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, debug_unload, INT, ZMOD_RW,
6227         "Prevent metaslabs from being unloaded");
6228
6229 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, preload_enabled, INT, ZMOD_RW,
6230         "Preload potential metaslabs during reassessment");
6231
6232 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, unload_delay, UINT, ZMOD_RW,
6233         "Delay in txgs after metaslab was last used before unloading");
6234
6235 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, unload_delay_ms, UINT, ZMOD_RW,
6236         "Delay in milliseconds after metaslab was last used before unloading");
6237
6238 /* BEGIN CSTYLED */
6239 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_mg, zfs_mg_, noalloc_threshold, UINT, ZMOD_RW,
6240         "Percentage of metaslab group size that should be free to make it "
6241         "eligible for allocation");
6242
6243 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_mg, zfs_mg_, fragmentation_threshold, UINT, ZMOD_RW,
6244         "Percentage of metaslab group size that should be considered eligible "
6245         "for allocations unless all metaslab groups within the metaslab class "
6246         "have also crossed this threshold");
6247
6248 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, fragmentation_factor_enabled, INT,
6249         ZMOD_RW,
6250         "Use the fragmentation metric to prefer less fragmented metaslabs");
6251 /* END CSTYLED */
6252
6253 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, zfs_metaslab_, fragmentation_threshold, UINT,
6254         ZMOD_RW, "Fragmentation for metaslab to allow allocation");
6255
6256 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, lba_weighting_enabled, INT, ZMOD_RW,
6257         "Prefer metaslabs with lower LBAs");
6258
6259 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, bias_enabled, INT, ZMOD_RW,
6260         "Enable metaslab group biasing");
6261
6262 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, zfs_metaslab_, segment_weight_enabled, INT,
6263         ZMOD_RW, "Enable segment-based metaslab selection");
6264
6265 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, zfs_metaslab_, switch_threshold, INT, ZMOD_RW,
6266         "Segment-based metaslab selection maximum buckets before switching");
6267
6268 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, force_ganging, U64, ZMOD_RW,
6269         "Blocks larger than this size are forced to be gang blocks");
6270
6271 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, df_max_search, UINT, ZMOD_RW,
6272         "Max distance (bytes) to search forward before using size tree");
6273
6274 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, df_use_largest_segment, INT, ZMOD_RW,
6275         "When looking in size tree, use largest segment instead of exact fit");
6276
6277 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, zfs_metaslab_, max_size_cache_sec, U64,
6278         ZMOD_RW, "How long to trust the cached max chunk size of a metaslab");
6279
6280 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, zfs_metaslab_, mem_limit, UINT, ZMOD_RW,
6281         "Percentage of memory that can be used to store metaslab range trees");
6282
6283 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, zfs_metaslab_, try_hard_before_gang, INT,
6284         ZMOD_RW, "Try hard to allocate before ganging");
6285
6286 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, zfs_metaslab_, find_max_tries, UINT, ZMOD_RW,
6287         "Normally only consider this many of the best metaslabs in each vdev");