]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - sys/contrib/openzfs/module/zfs/metaslab.c
zfs: merge openzfs/zfs@043c6ee3b
[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 GANG_ALLOCATION(flags) \
44         ((flags) & (METASLAB_GANG_CHILD | METASLAB_GANG_HEADER))
45
46 /*
47  * Metaslab granularity, in bytes. This is roughly similar to what would be
48  * referred to as the "stripe size" in traditional RAID arrays. In normal
49  * operation, we will try to write this amount of data to each disk before
50  * moving on to the next top-level vdev.
51  */
52 static uint64_t metaslab_aliquot = 1024 * 1024;
53
54 /*
55  * For testing, make some blocks above a certain size be gang blocks.
56  */
57 uint64_t metaslab_force_ganging = SPA_MAXBLOCKSIZE + 1;
58
59 /*
60  * Of blocks of size >= metaslab_force_ganging, actually gang them this often.
61  */
62 uint_t metaslab_force_ganging_pct = 3;
63
64 /*
65  * In pools where the log space map feature is not enabled we touch
66  * multiple metaslabs (and their respective space maps) with each
67  * transaction group. Thus, we benefit from having a small space map
68  * block size since it allows us to issue more I/O operations scattered
69  * around the disk. So a sane default for the space map block size
70  * is 8~16K.
71  */
72 int zfs_metaslab_sm_blksz_no_log = (1 << 14);
73
74 /*
75  * When the log space map feature is enabled, we accumulate a lot of
76  * changes per metaslab that are flushed once in a while so we benefit
77  * from a bigger block size like 128K for the metaslab space maps.
78  */
79 int zfs_metaslab_sm_blksz_with_log = (1 << 17);
80
81 /*
82  * The in-core space map representation is more compact than its on-disk form.
83  * The zfs_condense_pct determines how much more compact the in-core
84  * space map representation must be before we compact it on-disk.
85  * Values should be greater than or equal to 100.
86  */
87 uint_t zfs_condense_pct = 200;
88
89 /*
90  * Condensing a metaslab is not guaranteed to actually reduce the amount of
91  * space used on disk. In particular, a space map uses data in increments of
92  * MAX(1 << ashift, space_map_blksz), so a metaslab might use the
93  * same number of blocks after condensing. Since the goal of condensing is to
94  * reduce the number of IOPs required to read the space map, we only want to
95  * condense when we can be sure we will reduce the number of blocks used by the
96  * space map. Unfortunately, we cannot precisely compute whether or not this is
97  * the case in metaslab_should_condense since we are holding ms_lock. Instead,
98  * we apply the following heuristic: do not condense a spacemap unless the
99  * uncondensed size consumes greater than zfs_metaslab_condense_block_threshold
100  * blocks.
101  */
102 static const int zfs_metaslab_condense_block_threshold = 4;
103
104 /*
105  * The zfs_mg_noalloc_threshold defines which metaslab groups should
106  * be eligible for allocation. The value is defined as a percentage of
107  * free space. Metaslab groups that have more free space than
108  * zfs_mg_noalloc_threshold are always eligible for allocations. Once
109  * a metaslab group's free space is less than or equal to the
110  * zfs_mg_noalloc_threshold the allocator will avoid allocating to that
111  * group unless all groups in the pool have reached zfs_mg_noalloc_threshold.
112  * Once all groups in the pool reach zfs_mg_noalloc_threshold then all
113  * groups are allowed to accept allocations. Gang blocks are always
114  * eligible to allocate on any metaslab group. The default value of 0 means
115  * no metaslab group will be excluded based on this criterion.
116  */
117 static uint_t zfs_mg_noalloc_threshold = 0;
118
119 /*
120  * Metaslab groups are considered eligible for allocations if their
121  * fragmentation metric (measured as a percentage) is less than or
122  * equal to zfs_mg_fragmentation_threshold. If a metaslab group
123  * exceeds this threshold then it will be skipped unless all metaslab
124  * groups within the metaslab class have also crossed this threshold.
125  *
126  * This tunable was introduced to avoid edge cases where we continue
127  * allocating from very fragmented disks in our pool while other, less
128  * fragmented disks, exists. On the other hand, if all disks in the
129  * pool are uniformly approaching the threshold, the threshold can
130  * be a speed bump in performance, where we keep switching the disks
131  * that we allocate from (e.g. we allocate some segments from disk A
132  * making it bypassing the threshold while freeing segments from disk
133  * B getting its fragmentation below the threshold).
134  *
135  * Empirically, we've seen that our vdev selection for allocations is
136  * good enough that fragmentation increases uniformly across all vdevs
137  * the majority of the time. Thus we set the threshold percentage high
138  * enough to avoid hitting the speed bump on pools that are being pushed
139  * to the edge.
140  */
141 static uint_t zfs_mg_fragmentation_threshold = 95;
142
143 /*
144  * Allow metaslabs to keep their active state as long as their fragmentation
145  * percentage is less than or equal to zfs_metaslab_fragmentation_threshold. An
146  * active metaslab that exceeds this threshold will no longer keep its active
147  * status allowing better metaslabs to be selected.
148  */
149 static uint_t zfs_metaslab_fragmentation_threshold = 70;
150
151 /*
152  * When set will load all metaslabs when pool is first opened.
153  */
154 int metaslab_debug_load = B_FALSE;
155
156 /*
157  * When set will prevent metaslabs from being unloaded.
158  */
159 static int metaslab_debug_unload = B_FALSE;
160
161 /*
162  * Minimum size which forces the dynamic allocator to change
163  * it's allocation strategy.  Once the space map cannot satisfy
164  * an allocation of this size then it switches to using more
165  * aggressive strategy (i.e search by size rather than offset).
166  */
167 uint64_t metaslab_df_alloc_threshold = SPA_OLD_MAXBLOCKSIZE;
168
169 /*
170  * The minimum free space, in percent, which must be available
171  * in a space map to continue allocations in a first-fit fashion.
172  * Once the space map's free space drops below this level we dynamically
173  * switch to using best-fit allocations.
174  */
175 uint_t metaslab_df_free_pct = 4;
176
177 /*
178  * Maximum distance to search forward from the last offset. Without this
179  * limit, fragmented pools can see >100,000 iterations and
180  * metaslab_block_picker() becomes the performance limiting factor on
181  * high-performance storage.
182  *
183  * With the default setting of 16MB, we typically see less than 500
184  * iterations, even with very fragmented, ashift=9 pools. The maximum number
185  * of iterations possible is:
186  *     metaslab_df_max_search / (2 * (1<<ashift))
187  * With the default setting of 16MB this is 16*1024 (with ashift=9) or
188  * 2048 (with ashift=12).
189  */
190 static uint_t metaslab_df_max_search = 16 * 1024 * 1024;
191
192 /*
193  * Forces the metaslab_block_picker function to search for at least this many
194  * segments forwards until giving up on finding a segment that the allocation
195  * will fit into.
196  */
197 static const uint32_t metaslab_min_search_count = 100;
198
199 /*
200  * If we are not searching forward (due to metaslab_df_max_search,
201  * metaslab_df_free_pct, or metaslab_df_alloc_threshold), this tunable
202  * controls what segment is used.  If it is set, we will use the largest free
203  * segment.  If it is not set, we will use a segment of exactly the requested
204  * size (or larger).
205  */
206 static int metaslab_df_use_largest_segment = B_FALSE;
207
208 /*
209  * These tunables control how long a metaslab will remain loaded after the
210  * last allocation from it.  A metaslab can't be unloaded until at least
211  * metaslab_unload_delay TXG's and metaslab_unload_delay_ms milliseconds
212  * have elapsed.  However, zfs_metaslab_mem_limit may cause it to be
213  * unloaded sooner.  These settings are intended to be generous -- to keep
214  * metaslabs loaded for a long time, reducing the rate of metaslab loading.
215  */
216 static uint_t metaslab_unload_delay = 32;
217 static uint_t metaslab_unload_delay_ms = 10 * 60 * 1000; /* ten minutes */
218
219 /*
220  * Max number of metaslabs per group to preload.
221  */
222 uint_t metaslab_preload_limit = 10;
223
224 /*
225  * Enable/disable preloading of metaslab.
226  */
227 static int metaslab_preload_enabled = B_TRUE;
228
229 /*
230  * Enable/disable fragmentation weighting on metaslabs.
231  */
232 static int metaslab_fragmentation_factor_enabled = B_TRUE;
233
234 /*
235  * Enable/disable lba weighting (i.e. outer tracks are given preference).
236  */
237 static int metaslab_lba_weighting_enabled = B_TRUE;
238
239 /*
240  * Enable/disable metaslab group biasing.
241  */
242 static int metaslab_bias_enabled = B_TRUE;
243
244 /*
245  * Enable/disable remapping of indirect DVAs to their concrete vdevs.
246  */
247 static const boolean_t zfs_remap_blkptr_enable = B_TRUE;
248
249 /*
250  * Enable/disable segment-based metaslab selection.
251  */
252 static int zfs_metaslab_segment_weight_enabled = B_TRUE;
253
254 /*
255  * When using segment-based metaslab selection, we will continue
256  * allocating from the active metaslab until we have exhausted
257  * zfs_metaslab_switch_threshold of its buckets.
258  */
259 static int zfs_metaslab_switch_threshold = 2;
260
261 /*
262  * Internal switch to enable/disable the metaslab allocation tracing
263  * facility.
264  */
265 static const boolean_t metaslab_trace_enabled = B_FALSE;
266
267 /*
268  * Maximum entries that the metaslab allocation tracing facility will keep
269  * in a given list when running in non-debug mode. We limit the number
270  * of entries in non-debug mode to prevent us from using up too much memory.
271  * The limit should be sufficiently large that we don't expect any allocation
272  * to every exceed this value. In debug mode, the system will panic if this
273  * limit is ever reached allowing for further investigation.
274  */
275 static const uint64_t metaslab_trace_max_entries = 5000;
276
277 /*
278  * Maximum number of metaslabs per group that can be disabled
279  * simultaneously.
280  */
281 static const int max_disabled_ms = 3;
282
283 /*
284  * Time (in seconds) to respect ms_max_size when the metaslab is not loaded.
285  * To avoid 64-bit overflow, don't set above UINT32_MAX.
286  */
287 static uint64_t zfs_metaslab_max_size_cache_sec = 1 * 60 * 60; /* 1 hour */
288
289 /*
290  * Maximum percentage of memory to use on storing loaded metaslabs. If loading
291  * a metaslab would take it over this percentage, the oldest selected metaslab
292  * is automatically unloaded.
293  */
294 static uint_t zfs_metaslab_mem_limit = 25;
295
296 /*
297  * Force the per-metaslab range trees to use 64-bit integers to store
298  * segments. Used for debugging purposes.
299  */
300 static const boolean_t zfs_metaslab_force_large_segs = B_FALSE;
301
302 /*
303  * By default we only store segments over a certain size in the size-sorted
304  * metaslab trees (ms_allocatable_by_size and
305  * ms_unflushed_frees_by_size). This dramatically reduces memory usage and
306  * improves load and unload times at the cost of causing us to use slightly
307  * larger segments than we would otherwise in some cases.
308  */
309 static const uint32_t metaslab_by_size_min_shift = 14;
310
311 /*
312  * If not set, we will first try normal allocation.  If that fails then
313  * we will do a gang allocation.  If that fails then we will do a "try hard"
314  * gang allocation.  If that fails then we will have a multi-layer gang
315  * block.
316  *
317  * If set, we will first try normal allocation.  If that fails then
318  * we will do a "try hard" allocation.  If that fails we will do a gang
319  * allocation.  If that fails we will do a "try hard" gang allocation.  If
320  * that fails then we will have a multi-layer gang block.
321  */
322 static int zfs_metaslab_try_hard_before_gang = B_FALSE;
323
324 /*
325  * When not trying hard, we only consider the best zfs_metaslab_find_max_tries
326  * metaslabs.  This improves performance, especially when there are many
327  * metaslabs per vdev and the allocation can't actually be satisfied (so we
328  * would otherwise iterate all the metaslabs).  If there is a metaslab with a
329  * worse weight but it can actually satisfy the allocation, we won't find it
330  * until trying hard.  This may happen if the worse metaslab is not loaded
331  * (and the true weight is better than we have calculated), or due to weight
332  * bucketization.  E.g. we are looking for a 60K segment, and the best
333  * metaslabs all have free segments in the 32-63K bucket, but the best
334  * zfs_metaslab_find_max_tries metaslabs have ms_max_size <60KB, and a
335  * subsequent metaslab has ms_max_size >60KB (but fewer segments in this
336  * bucket, and therefore a lower weight).
337  */
338 static uint_t zfs_metaslab_find_max_tries = 100;
339
340 static uint64_t metaslab_weight(metaslab_t *, boolean_t);
341 static void metaslab_set_fragmentation(metaslab_t *, boolean_t);
342 static void metaslab_free_impl(vdev_t *, uint64_t, uint64_t, boolean_t);
343 static void metaslab_check_free_impl(vdev_t *, uint64_t, uint64_t);
344
345 static void metaslab_passivate(metaslab_t *msp, uint64_t weight);
346 static uint64_t metaslab_weight_from_range_tree(metaslab_t *msp);
347 static void metaslab_flush_update(metaslab_t *, dmu_tx_t *);
348 static unsigned int metaslab_idx_func(multilist_t *, void *);
349 static void metaslab_evict(metaslab_t *, uint64_t);
350 static void metaslab_rt_add(range_tree_t *rt, range_seg_t *rs, void *arg);
351 kmem_cache_t *metaslab_alloc_trace_cache;
352
353 typedef struct metaslab_stats {
354         kstat_named_t metaslabstat_trace_over_limit;
355         kstat_named_t metaslabstat_reload_tree;
356         kstat_named_t metaslabstat_too_many_tries;
357         kstat_named_t metaslabstat_try_hard;
358 } metaslab_stats_t;
359
360 static metaslab_stats_t metaslab_stats = {
361         { "trace_over_limit",           KSTAT_DATA_UINT64 },
362         { "reload_tree",                KSTAT_DATA_UINT64 },
363         { "too_many_tries",             KSTAT_DATA_UINT64 },
364         { "try_hard",                   KSTAT_DATA_UINT64 },
365 };
366
367 #define METASLABSTAT_BUMP(stat) \
368         atomic_inc_64(&metaslab_stats.stat.value.ui64);
369
370
371 static kstat_t *metaslab_ksp;
372
373 void
374 metaslab_stat_init(void)
375 {
376         ASSERT(metaslab_alloc_trace_cache == NULL);
377         metaslab_alloc_trace_cache = kmem_cache_create(
378             "metaslab_alloc_trace_cache", sizeof (metaslab_alloc_trace_t),
379             0, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, 0);
380         metaslab_ksp = kstat_create("zfs", 0, "metaslab_stats",
381             "misc", KSTAT_TYPE_NAMED, sizeof (metaslab_stats) /
382             sizeof (kstat_named_t), KSTAT_FLAG_VIRTUAL);
383         if (metaslab_ksp != NULL) {
384                 metaslab_ksp->ks_data = &metaslab_stats;
385                 kstat_install(metaslab_ksp);
386         }
387 }
388
389 void
390 metaslab_stat_fini(void)
391 {
392         if (metaslab_ksp != NULL) {
393                 kstat_delete(metaslab_ksp);
394                 metaslab_ksp = NULL;
395         }
396
397         kmem_cache_destroy(metaslab_alloc_trace_cache);
398         metaslab_alloc_trace_cache = NULL;
399 }
400
401 /*
402  * ==========================================================================
403  * Metaslab classes
404  * ==========================================================================
405  */
406 metaslab_class_t *
407 metaslab_class_create(spa_t *spa, const metaslab_ops_t *ops)
408 {
409         metaslab_class_t *mc;
410
411         mc = kmem_zalloc(offsetof(metaslab_class_t,
412             mc_allocator[spa->spa_alloc_count]), KM_SLEEP);
413
414         mc->mc_spa = spa;
415         mc->mc_ops = ops;
416         mutex_init(&mc->mc_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
417         multilist_create(&mc->mc_metaslab_txg_list, sizeof (metaslab_t),
418             offsetof(metaslab_t, ms_class_txg_node), metaslab_idx_func);
419         for (int i = 0; i < spa->spa_alloc_count; i++) {
420                 metaslab_class_allocator_t *mca = &mc->mc_allocator[i];
421                 mca->mca_rotor = NULL;
422                 zfs_refcount_create_tracked(&mca->mca_alloc_slots);
423         }
424
425         return (mc);
426 }
427
428 void
429 metaslab_class_destroy(metaslab_class_t *mc)
430 {
431         spa_t *spa = mc->mc_spa;
432
433         ASSERT(mc->mc_alloc == 0);
434         ASSERT(mc->mc_deferred == 0);
435         ASSERT(mc->mc_space == 0);
436         ASSERT(mc->mc_dspace == 0);
437
438         for (int i = 0; i < spa->spa_alloc_count; i++) {
439                 metaslab_class_allocator_t *mca = &mc->mc_allocator[i];
440                 ASSERT(mca->mca_rotor == NULL);
441                 zfs_refcount_destroy(&mca->mca_alloc_slots);
442         }
443         mutex_destroy(&mc->mc_lock);
444         multilist_destroy(&mc->mc_metaslab_txg_list);
445         kmem_free(mc, offsetof(metaslab_class_t,
446             mc_allocator[spa->spa_alloc_count]));
447 }
448
449 int
450 metaslab_class_validate(metaslab_class_t *mc)
451 {
452         metaslab_group_t *mg;
453         vdev_t *vd;
454
455         /*
456          * Must hold one of the spa_config locks.
457          */
458         ASSERT(spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALL, RW_READER) ||
459             spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALL, RW_WRITER));
460
461         if ((mg = mc->mc_allocator[0].mca_rotor) == NULL)
462                 return (0);
463
464         do {
465                 vd = mg->mg_vd;
466                 ASSERT(vd->vdev_mg != NULL);
467                 ASSERT3P(vd->vdev_top, ==, vd);
468                 ASSERT3P(mg->mg_class, ==, mc);
469                 ASSERT3P(vd->vdev_ops, !=, &vdev_hole_ops);
470         } while ((mg = mg->mg_next) != mc->mc_allocator[0].mca_rotor);
471
472         return (0);
473 }
474
475 static void
476 metaslab_class_space_update(metaslab_class_t *mc, int64_t alloc_delta,
477     int64_t defer_delta, int64_t space_delta, int64_t dspace_delta)
478 {
479         atomic_add_64(&mc->mc_alloc, alloc_delta);
480         atomic_add_64(&mc->mc_deferred, defer_delta);
481         atomic_add_64(&mc->mc_space, space_delta);
482         atomic_add_64(&mc->mc_dspace, dspace_delta);
483 }
484
485 uint64_t
486 metaslab_class_get_alloc(metaslab_class_t *mc)
487 {
488         return (mc->mc_alloc);
489 }
490
491 uint64_t
492 metaslab_class_get_deferred(metaslab_class_t *mc)
493 {
494         return (mc->mc_deferred);
495 }
496
497 uint64_t
498 metaslab_class_get_space(metaslab_class_t *mc)
499 {
500         return (mc->mc_space);
501 }
502
503 uint64_t
504 metaslab_class_get_dspace(metaslab_class_t *mc)
505 {
506         return (spa_deflate(mc->mc_spa) ? mc->mc_dspace : mc->mc_space);
507 }
508
509 void
510 metaslab_class_histogram_verify(metaslab_class_t *mc)
511 {
512         spa_t *spa = mc->mc_spa;
513         vdev_t *rvd = spa->spa_root_vdev;
514         uint64_t *mc_hist;
515         int i;
516
517         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_HISTOGRAM_VERIFY) == 0)
518                 return;
519
520         mc_hist = kmem_zalloc(sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE,
521             KM_SLEEP);
522
523         mutex_enter(&mc->mc_lock);
524         for (int c = 0; c < rvd->vdev_children; c++) {
525                 vdev_t *tvd = rvd->vdev_child[c];
526                 metaslab_group_t *mg = vdev_get_mg(tvd, mc);
527
528                 /*
529                  * Skip any holes, uninitialized top-levels, or
530                  * vdevs that are not in this metalab class.
531                  */
532                 if (!vdev_is_concrete(tvd) || tvd->vdev_ms_shift == 0 ||
533                     mg->mg_class != mc) {
534                         continue;
535                 }
536
537                 IMPLY(mg == mg->mg_vd->vdev_log_mg,
538                     mc == spa_embedded_log_class(mg->mg_vd->vdev_spa));
539
540                 for (i = 0; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i++)
541                         mc_hist[i] += mg->mg_histogram[i];
542         }
543
544         for (i = 0; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
545                 VERIFY3U(mc_hist[i], ==, mc->mc_histogram[i]);
546         }
547
548         mutex_exit(&mc->mc_lock);
549         kmem_free(mc_hist, sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE);
550 }
551
552 /*
553  * Calculate the metaslab class's fragmentation metric. The metric
554  * is weighted based on the space contribution of each metaslab group.
555  * The return value will be a number between 0 and 100 (inclusive), or
556  * ZFS_FRAG_INVALID if the metric has not been set. See comment above the
557  * zfs_frag_table for more information about the metric.
558  */
559 uint64_t
560 metaslab_class_fragmentation(metaslab_class_t *mc)
561 {
562         vdev_t *rvd = mc->mc_spa->spa_root_vdev;
563         uint64_t fragmentation = 0;
564
565         spa_config_enter(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
566
567         for (int c = 0; c < rvd->vdev_children; c++) {
568                 vdev_t *tvd = rvd->vdev_child[c];
569                 metaslab_group_t *mg = tvd->vdev_mg;
570
571                 /*
572                  * Skip any holes, uninitialized top-levels,
573                  * or vdevs that are not in this metalab class.
574                  */
575                 if (!vdev_is_concrete(tvd) || tvd->vdev_ms_shift == 0 ||
576                     mg->mg_class != mc) {
577                         continue;
578                 }
579
580                 /*
581                  * If a metaslab group does not contain a fragmentation
582                  * metric then just bail out.
583                  */
584                 if (mg->mg_fragmentation == ZFS_FRAG_INVALID) {
585                         spa_config_exit(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG);
586                         return (ZFS_FRAG_INVALID);
587                 }
588
589                 /*
590                  * Determine how much this metaslab_group is contributing
591                  * to the overall pool fragmentation metric.
592                  */
593                 fragmentation += mg->mg_fragmentation *
594                     metaslab_group_get_space(mg);
595         }
596         fragmentation /= metaslab_class_get_space(mc);
597
598         ASSERT3U(fragmentation, <=, 100);
599         spa_config_exit(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG);
600         return (fragmentation);
601 }
602
603 /*
604  * Calculate the amount of expandable space that is available in
605  * this metaslab class. If a device is expanded then its expandable
606  * space will be the amount of allocatable space that is currently not
607  * part of this metaslab class.
608  */
609 uint64_t
610 metaslab_class_expandable_space(metaslab_class_t *mc)
611 {
612         vdev_t *rvd = mc->mc_spa->spa_root_vdev;
613         uint64_t space = 0;
614
615         spa_config_enter(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
616         for (int c = 0; c < rvd->vdev_children; c++) {
617                 vdev_t *tvd = rvd->vdev_child[c];
618                 metaslab_group_t *mg = tvd->vdev_mg;
619
620                 if (!vdev_is_concrete(tvd) || tvd->vdev_ms_shift == 0 ||
621                     mg->mg_class != mc) {
622                         continue;
623                 }
624
625                 /*
626                  * Calculate if we have enough space to add additional
627                  * metaslabs. We report the expandable space in terms
628                  * of the metaslab size since that's the unit of expansion.
629                  */
630                 space += P2ALIGN(tvd->vdev_max_asize - tvd->vdev_asize,
631                     1ULL << tvd->vdev_ms_shift);
632         }
633         spa_config_exit(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG);
634         return (space);
635 }
636
637 void
638 metaslab_class_evict_old(metaslab_class_t *mc, uint64_t txg)
639 {
640         multilist_t *ml = &mc->mc_metaslab_txg_list;
641         for (int i = 0; i < multilist_get_num_sublists(ml); i++) {
642                 multilist_sublist_t *mls = multilist_sublist_lock(ml, i);
643                 metaslab_t *msp = multilist_sublist_head(mls);
644                 multilist_sublist_unlock(mls);
645                 while (msp != NULL) {
646                         mutex_enter(&msp->ms_lock);
647
648                         /*
649                          * If the metaslab has been removed from the list
650                          * (which could happen if we were at the memory limit
651                          * and it was evicted during this loop), then we can't
652                          * proceed and we should restart the sublist.
653                          */
654                         if (!multilist_link_active(&msp->ms_class_txg_node)) {
655                                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
656                                 i--;
657                                 break;
658                         }
659                         mls = multilist_sublist_lock(ml, i);
660                         metaslab_t *next_msp = multilist_sublist_next(mls, msp);
661                         multilist_sublist_unlock(mls);
662                         if (txg >
663                             msp->ms_selected_txg + metaslab_unload_delay &&
664                             gethrtime() > msp->ms_selected_time +
665                             (uint64_t)MSEC2NSEC(metaslab_unload_delay_ms)) {
666                                 metaslab_evict(msp, txg);
667                         } else {
668                                 /*
669                                  * Once we've hit a metaslab selected too
670                                  * recently to evict, we're done evicting for
671                                  * now.
672                                  */
673                                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
674                                 break;
675                         }
676                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
677                         msp = next_msp;
678                 }
679         }
680 }
681
682 static int
683 metaslab_compare(const void *x1, const void *x2)
684 {
685         const metaslab_t *m1 = (const metaslab_t *)x1;
686         const metaslab_t *m2 = (const metaslab_t *)x2;
687
688         int sort1 = 0;
689         int sort2 = 0;
690         if (m1->ms_allocator != -1 && m1->ms_primary)
691                 sort1 = 1;
692         else if (m1->ms_allocator != -1 && !m1->ms_primary)
693                 sort1 = 2;
694         if (m2->ms_allocator != -1 && m2->ms_primary)
695                 sort2 = 1;
696         else if (m2->ms_allocator != -1 && !m2->ms_primary)
697                 sort2 = 2;
698
699         /*
700          * Sort inactive metaslabs first, then primaries, then secondaries. When
701          * selecting a metaslab to allocate from, an allocator first tries its
702          * primary, then secondary active metaslab. If it doesn't have active
703          * metaslabs, or can't allocate from them, it searches for an inactive
704          * metaslab to activate. If it can't find a suitable one, it will steal
705          * a primary or secondary metaslab from another allocator.
706          */
707         if (sort1 < sort2)
708                 return (-1);
709         if (sort1 > sort2)
710                 return (1);
711
712         int cmp = TREE_CMP(m2->ms_weight, m1->ms_weight);
713         if (likely(cmp))
714                 return (cmp);
715
716         IMPLY(TREE_CMP(m1->ms_start, m2->ms_start) == 0, m1 == m2);
717
718         return (TREE_CMP(m1->ms_start, m2->ms_start));
719 }
720
721 /*
722  * ==========================================================================
723  * Metaslab groups
724  * ==========================================================================
725  */
726 /*
727  * Update the allocatable flag and the metaslab group's capacity.
728  * The allocatable flag is set to true if the capacity is below
729  * the zfs_mg_noalloc_threshold or has a fragmentation value that is
730  * greater than zfs_mg_fragmentation_threshold. If a metaslab group
731  * transitions from allocatable to non-allocatable or vice versa then the
732  * metaslab group's class is updated to reflect the transition.
733  */
734 static void
735 metaslab_group_alloc_update(metaslab_group_t *mg)
736 {
737         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
738         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
739         vdev_stat_t *vs = &vd->vdev_stat;
740         boolean_t was_allocatable;
741         boolean_t was_initialized;
742
743         ASSERT(vd == vd->vdev_top);
744         ASSERT3U(spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALLOC, RW_READER), ==,
745             SCL_ALLOC);
746
747         mutex_enter(&mg->mg_lock);
748         was_allocatable = mg->mg_allocatable;
749         was_initialized = mg->mg_initialized;
750
751         mg->mg_free_capacity = ((vs->vs_space - vs->vs_alloc) * 100) /
752             (vs->vs_space + 1);
753
754         mutex_enter(&mc->mc_lock);
755
756         /*
757          * If the metaslab group was just added then it won't
758          * have any space until we finish syncing out this txg.
759          * At that point we will consider it initialized and available
760          * for allocations.  We also don't consider non-activated
761          * metaslab groups (e.g. vdevs that are in the middle of being removed)
762          * to be initialized, because they can't be used for allocation.
763          */
764         mg->mg_initialized = metaslab_group_initialized(mg);
765         if (!was_initialized && mg->mg_initialized) {
766                 mc->mc_groups++;
767         } else if (was_initialized && !mg->mg_initialized) {
768                 ASSERT3U(mc->mc_groups, >, 0);
769                 mc->mc_groups--;
770         }
771         if (mg->mg_initialized)
772                 mg->mg_no_free_space = B_FALSE;
773
774         /*
775          * A metaslab group is considered allocatable if it has plenty
776          * of free space or is not heavily fragmented. We only take
777          * fragmentation into account if the metaslab group has a valid
778          * fragmentation metric (i.e. a value between 0 and 100).
779          */
780         mg->mg_allocatable = (mg->mg_activation_count > 0 &&
781             mg->mg_free_capacity > zfs_mg_noalloc_threshold &&
782             (mg->mg_fragmentation == ZFS_FRAG_INVALID ||
783             mg->mg_fragmentation <= zfs_mg_fragmentation_threshold));
784
785         /*
786          * The mc_alloc_groups maintains a count of the number of
787          * groups in this metaslab class that are still above the
788          * zfs_mg_noalloc_threshold. This is used by the allocating
789          * threads to determine if they should avoid allocations to
790          * a given group. The allocator will avoid allocations to a group
791          * if that group has reached or is below the zfs_mg_noalloc_threshold
792          * and there are still other groups that are above the threshold.
793          * When a group transitions from allocatable to non-allocatable or
794          * vice versa we update the metaslab class to reflect that change.
795          * When the mc_alloc_groups value drops to 0 that means that all
796          * groups have reached the zfs_mg_noalloc_threshold making all groups
797          * eligible for allocations. This effectively means that all devices
798          * are balanced again.
799          */
800         if (was_allocatable && !mg->mg_allocatable)
801                 mc->mc_alloc_groups--;
802         else if (!was_allocatable && mg->mg_allocatable)
803                 mc->mc_alloc_groups++;
804         mutex_exit(&mc->mc_lock);
805
806         mutex_exit(&mg->mg_lock);
807 }
808
809 int
810 metaslab_sort_by_flushed(const void *va, const void *vb)
811 {
812         const metaslab_t *a = va;
813         const metaslab_t *b = vb;
814
815         int cmp = TREE_CMP(a->ms_unflushed_txg, b->ms_unflushed_txg);
816         if (likely(cmp))
817                 return (cmp);
818
819         uint64_t a_vdev_id = a->ms_group->mg_vd->vdev_id;
820         uint64_t b_vdev_id = b->ms_group->mg_vd->vdev_id;
821         cmp = TREE_CMP(a_vdev_id, b_vdev_id);
822         if (cmp)
823                 return (cmp);
824
825         return (TREE_CMP(a->ms_id, b->ms_id));
826 }
827
828 metaslab_group_t *
829 metaslab_group_create(metaslab_class_t *mc, vdev_t *vd, int allocators)
830 {
831         metaslab_group_t *mg;
832
833         mg = kmem_zalloc(offsetof(metaslab_group_t,
834             mg_allocator[allocators]), KM_SLEEP);
835         mutex_init(&mg->mg_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
836         mutex_init(&mg->mg_ms_disabled_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
837         cv_init(&mg->mg_ms_disabled_cv, NULL, CV_DEFAULT, NULL);
838         avl_create(&mg->mg_metaslab_tree, metaslab_compare,
839             sizeof (metaslab_t), offsetof(metaslab_t, ms_group_node));
840         mg->mg_vd = vd;
841         mg->mg_class = mc;
842         mg->mg_activation_count = 0;
843         mg->mg_initialized = B_FALSE;
844         mg->mg_no_free_space = B_TRUE;
845         mg->mg_allocators = allocators;
846
847         for (int i = 0; i < allocators; i++) {
848                 metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[i];
849                 zfs_refcount_create_tracked(&mga->mga_alloc_queue_depth);
850         }
851
852         return (mg);
853 }
854
855 void
856 metaslab_group_destroy(metaslab_group_t *mg)
857 {
858         ASSERT(mg->mg_prev == NULL);
859         ASSERT(mg->mg_next == NULL);
860         /*
861          * We may have gone below zero with the activation count
862          * either because we never activated in the first place or
863          * because we're done, and possibly removing the vdev.
864          */
865         ASSERT(mg->mg_activation_count <= 0);
866
867         avl_destroy(&mg->mg_metaslab_tree);
868         mutex_destroy(&mg->mg_lock);
869         mutex_destroy(&mg->mg_ms_disabled_lock);
870         cv_destroy(&mg->mg_ms_disabled_cv);
871
872         for (int i = 0; i < mg->mg_allocators; i++) {
873                 metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[i];
874                 zfs_refcount_destroy(&mga->mga_alloc_queue_depth);
875         }
876         kmem_free(mg, offsetof(metaslab_group_t,
877             mg_allocator[mg->mg_allocators]));
878 }
879
880 void
881 metaslab_group_activate(metaslab_group_t *mg)
882 {
883         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
884         spa_t *spa = mc->mc_spa;
885         metaslab_group_t *mgprev, *mgnext;
886
887         ASSERT3U(spa_config_held(spa, SCL_ALLOC, RW_WRITER), !=, 0);
888
889         ASSERT(mg->mg_prev == NULL);
890         ASSERT(mg->mg_next == NULL);
891         ASSERT(mg->mg_activation_count <= 0);
892
893         if (++mg->mg_activation_count <= 0)
894                 return;
895
896         mg->mg_aliquot = metaslab_aliquot * MAX(1,
897             vdev_get_ndisks(mg->mg_vd) - vdev_get_nparity(mg->mg_vd));
898         metaslab_group_alloc_update(mg);
899
900         if ((mgprev = mc->mc_allocator[0].mca_rotor) == NULL) {
901                 mg->mg_prev = mg;
902                 mg->mg_next = mg;
903         } else {
904                 mgnext = mgprev->mg_next;
905                 mg->mg_prev = mgprev;
906                 mg->mg_next = mgnext;
907                 mgprev->mg_next = mg;
908                 mgnext->mg_prev = mg;
909         }
910         for (int i = 0; i < spa->spa_alloc_count; i++) {
911                 mc->mc_allocator[i].mca_rotor = mg;
912                 mg = mg->mg_next;
913         }
914 }
915
916 /*
917  * Passivate a metaslab group and remove it from the allocation rotor.
918  * Callers must hold both the SCL_ALLOC and SCL_ZIO lock prior to passivating
919  * a metaslab group. This function will momentarily drop spa_config_locks
920  * that are lower than the SCL_ALLOC lock (see comment below).
921  */
922 void
923 metaslab_group_passivate(metaslab_group_t *mg)
924 {
925         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
926         spa_t *spa = mc->mc_spa;
927         metaslab_group_t *mgprev, *mgnext;
928         int locks = spa_config_held(spa, SCL_ALL, RW_WRITER);
929
930         ASSERT3U(spa_config_held(spa, SCL_ALLOC | SCL_ZIO, RW_WRITER), ==,
931             (SCL_ALLOC | SCL_ZIO));
932
933         if (--mg->mg_activation_count != 0) {
934                 for (int i = 0; i < spa->spa_alloc_count; i++)
935                         ASSERT(mc->mc_allocator[i].mca_rotor != mg);
936                 ASSERT(mg->mg_prev == NULL);
937                 ASSERT(mg->mg_next == NULL);
938                 ASSERT(mg->mg_activation_count < 0);
939                 return;
940         }
941
942         /*
943          * The spa_config_lock is an array of rwlocks, ordered as
944          * follows (from highest to lowest):
945          *      SCL_CONFIG > SCL_STATE > SCL_L2ARC > SCL_ALLOC >
946          *      SCL_ZIO > SCL_FREE > SCL_VDEV
947          * (For more information about the spa_config_lock see spa_misc.c)
948          * The higher the lock, the broader its coverage. When we passivate
949          * a metaslab group, we must hold both the SCL_ALLOC and the SCL_ZIO
950          * config locks. However, the metaslab group's taskq might be trying
951          * to preload metaslabs so we must drop the SCL_ZIO lock and any
952          * lower locks to allow the I/O to complete. At a minimum,
953          * we continue to hold the SCL_ALLOC lock, which prevents any future
954          * allocations from taking place and any changes to the vdev tree.
955          */
956         spa_config_exit(spa, locks & ~(SCL_ZIO - 1), spa);
957         taskq_wait_outstanding(spa->spa_metaslab_taskq, 0);
958         spa_config_enter(spa, locks & ~(SCL_ZIO - 1), spa, RW_WRITER);
959         metaslab_group_alloc_update(mg);
960         for (int i = 0; i < mg->mg_allocators; i++) {
961                 metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[i];
962                 metaslab_t *msp = mga->mga_primary;
963                 if (msp != NULL) {
964                         mutex_enter(&msp->ms_lock);
965                         metaslab_passivate(msp,
966                             metaslab_weight_from_range_tree(msp));
967                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
968                 }
969                 msp = mga->mga_secondary;
970                 if (msp != NULL) {
971                         mutex_enter(&msp->ms_lock);
972                         metaslab_passivate(msp,
973                             metaslab_weight_from_range_tree(msp));
974                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
975                 }
976         }
977
978         mgprev = mg->mg_prev;
979         mgnext = mg->mg_next;
980
981         if (mg == mgnext) {
982                 mgnext = NULL;
983         } else {
984                 mgprev->mg_next = mgnext;
985                 mgnext->mg_prev = mgprev;
986         }
987         for (int i = 0; i < spa->spa_alloc_count; i++) {
988                 if (mc->mc_allocator[i].mca_rotor == mg)
989                         mc->mc_allocator[i].mca_rotor = mgnext;
990         }
991
992         mg->mg_prev = NULL;
993         mg->mg_next = NULL;
994 }
995
996 boolean_t
997 metaslab_group_initialized(metaslab_group_t *mg)
998 {
999         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
1000         vdev_stat_t *vs = &vd->vdev_stat;
1001
1002         return (vs->vs_space != 0 && mg->mg_activation_count > 0);
1003 }
1004
1005 uint64_t
1006 metaslab_group_get_space(metaslab_group_t *mg)
1007 {
1008         /*
1009          * Note that the number of nodes in mg_metaslab_tree may be one less
1010          * than vdev_ms_count, due to the embedded log metaslab.
1011          */
1012         mutex_enter(&mg->mg_lock);
1013         uint64_t ms_count = avl_numnodes(&mg->mg_metaslab_tree);
1014         mutex_exit(&mg->mg_lock);
1015         return ((1ULL << mg->mg_vd->vdev_ms_shift) * ms_count);
1016 }
1017
1018 void
1019 metaslab_group_histogram_verify(metaslab_group_t *mg)
1020 {
1021         uint64_t *mg_hist;
1022         avl_tree_t *t = &mg->mg_metaslab_tree;
1023         uint64_t ashift = mg->mg_vd->vdev_ashift;
1024
1025         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_HISTOGRAM_VERIFY) == 0)
1026                 return;
1027
1028         mg_hist = kmem_zalloc(sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE,
1029             KM_SLEEP);
1030
1031         ASSERT3U(RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE, >=,
1032             SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE + ashift);
1033
1034         mutex_enter(&mg->mg_lock);
1035         for (metaslab_t *msp = avl_first(t);
1036             msp != NULL; msp = AVL_NEXT(t, msp)) {
1037                 VERIFY3P(msp->ms_group, ==, mg);
1038                 /* skip if not active */
1039                 if (msp->ms_sm == NULL)
1040                         continue;
1041
1042                 for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
1043                         mg_hist[i + ashift] +=
1044                             msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
1045                 }
1046         }
1047
1048         for (int i = 0; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i ++)
1049                 VERIFY3U(mg_hist[i], ==, mg->mg_histogram[i]);
1050
1051         mutex_exit(&mg->mg_lock);
1052
1053         kmem_free(mg_hist, sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE);
1054 }
1055
1056 static void
1057 metaslab_group_histogram_add(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
1058 {
1059         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
1060         uint64_t ashift = mg->mg_vd->vdev_ashift;
1061
1062         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1063         if (msp->ms_sm == NULL)
1064                 return;
1065
1066         mutex_enter(&mg->mg_lock);
1067         mutex_enter(&mc->mc_lock);
1068         for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
1069                 IMPLY(mg == mg->mg_vd->vdev_log_mg,
1070                     mc == spa_embedded_log_class(mg->mg_vd->vdev_spa));
1071                 mg->mg_histogram[i + ashift] +=
1072                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
1073                 mc->mc_histogram[i + ashift] +=
1074                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
1075         }
1076         mutex_exit(&mc->mc_lock);
1077         mutex_exit(&mg->mg_lock);
1078 }
1079
1080 void
1081 metaslab_group_histogram_remove(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
1082 {
1083         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
1084         uint64_t ashift = mg->mg_vd->vdev_ashift;
1085
1086         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1087         if (msp->ms_sm == NULL)
1088                 return;
1089
1090         mutex_enter(&mg->mg_lock);
1091         mutex_enter(&mc->mc_lock);
1092         for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
1093                 ASSERT3U(mg->mg_histogram[i + ashift], >=,
1094                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i]);
1095                 ASSERT3U(mc->mc_histogram[i + ashift], >=,
1096                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i]);
1097                 IMPLY(mg == mg->mg_vd->vdev_log_mg,
1098                     mc == spa_embedded_log_class(mg->mg_vd->vdev_spa));
1099
1100                 mg->mg_histogram[i + ashift] -=
1101                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
1102                 mc->mc_histogram[i + ashift] -=
1103                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
1104         }
1105         mutex_exit(&mc->mc_lock);
1106         mutex_exit(&mg->mg_lock);
1107 }
1108
1109 static void
1110 metaslab_group_add(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
1111 {
1112         ASSERT(msp->ms_group == NULL);
1113         mutex_enter(&mg->mg_lock);
1114         msp->ms_group = mg;
1115         msp->ms_weight = 0;
1116         avl_add(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
1117         mutex_exit(&mg->mg_lock);
1118
1119         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1120         metaslab_group_histogram_add(mg, msp);
1121         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1122 }
1123
1124 static void
1125 metaslab_group_remove(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
1126 {
1127         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1128         metaslab_group_histogram_remove(mg, msp);
1129         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1130
1131         mutex_enter(&mg->mg_lock);
1132         ASSERT(msp->ms_group == mg);
1133         avl_remove(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
1134
1135         metaslab_class_t *mc = msp->ms_group->mg_class;
1136         multilist_sublist_t *mls =
1137             multilist_sublist_lock_obj(&mc->mc_metaslab_txg_list, msp);
1138         if (multilist_link_active(&msp->ms_class_txg_node))
1139                 multilist_sublist_remove(mls, msp);
1140         multilist_sublist_unlock(mls);
1141
1142         msp->ms_group = NULL;
1143         mutex_exit(&mg->mg_lock);
1144 }
1145
1146 static void
1147 metaslab_group_sort_impl(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp, uint64_t weight)
1148 {
1149         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1150         ASSERT(MUTEX_HELD(&mg->mg_lock));
1151         ASSERT(msp->ms_group == mg);
1152
1153         avl_remove(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
1154         msp->ms_weight = weight;
1155         avl_add(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
1156
1157 }
1158
1159 static void
1160 metaslab_group_sort(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp, uint64_t weight)
1161 {
1162         /*
1163          * Although in principle the weight can be any value, in
1164          * practice we do not use values in the range [1, 511].
1165          */
1166         ASSERT(weight >= SPA_MINBLOCKSIZE || weight == 0);
1167         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1168
1169         mutex_enter(&mg->mg_lock);
1170         metaslab_group_sort_impl(mg, msp, weight);
1171         mutex_exit(&mg->mg_lock);
1172 }
1173
1174 /*
1175  * Calculate the fragmentation for a given metaslab group. We can use
1176  * a simple average here since all metaslabs within the group must have
1177  * the same size. The return value will be a value between 0 and 100
1178  * (inclusive), or ZFS_FRAG_INVALID if less than half of the metaslab in this
1179  * group have a fragmentation metric.
1180  */
1181 uint64_t
1182 metaslab_group_fragmentation(metaslab_group_t *mg)
1183 {
1184         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
1185         uint64_t fragmentation = 0;
1186         uint64_t valid_ms = 0;
1187
1188         for (int m = 0; m < vd->vdev_ms_count; m++) {
1189                 metaslab_t *msp = vd->vdev_ms[m];
1190
1191                 if (msp->ms_fragmentation == ZFS_FRAG_INVALID)
1192                         continue;
1193                 if (msp->ms_group != mg)
1194                         continue;
1195
1196                 valid_ms++;
1197                 fragmentation += msp->ms_fragmentation;
1198         }
1199
1200         if (valid_ms <= mg->mg_vd->vdev_ms_count / 2)
1201                 return (ZFS_FRAG_INVALID);
1202
1203         fragmentation /= valid_ms;
1204         ASSERT3U(fragmentation, <=, 100);
1205         return (fragmentation);
1206 }
1207
1208 /*
1209  * Determine if a given metaslab group should skip allocations. A metaslab
1210  * group should avoid allocations if its free capacity is less than the
1211  * zfs_mg_noalloc_threshold or its fragmentation metric is greater than
1212  * zfs_mg_fragmentation_threshold and there is at least one metaslab group
1213  * that can still handle allocations. If the allocation throttle is enabled
1214  * then we skip allocations to devices that have reached their maximum
1215  * allocation queue depth unless the selected metaslab group is the only
1216  * eligible group remaining.
1217  */
1218 static boolean_t
1219 metaslab_group_allocatable(metaslab_group_t *mg, metaslab_group_t *rotor,
1220     int flags, uint64_t psize, int allocator, int d)
1221 {
1222         spa_t *spa = mg->mg_vd->vdev_spa;
1223         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
1224
1225         /*
1226          * We can only consider skipping this metaslab group if it's
1227          * in the normal metaslab class and there are other metaslab
1228          * groups to select from. Otherwise, we always consider it eligible
1229          * for allocations.
1230          */
1231         if ((mc != spa_normal_class(spa) &&
1232             mc != spa_special_class(spa) &&
1233             mc != spa_dedup_class(spa)) ||
1234             mc->mc_groups <= 1)
1235                 return (B_TRUE);
1236
1237         /*
1238          * If the metaslab group's mg_allocatable flag is set (see comments
1239          * in metaslab_group_alloc_update() for more information) and
1240          * the allocation throttle is disabled then allow allocations to this
1241          * device. However, if the allocation throttle is enabled then
1242          * check if we have reached our allocation limit (mga_alloc_queue_depth)
1243          * to determine if we should allow allocations to this metaslab group.
1244          * If all metaslab groups are no longer considered allocatable
1245          * (mc_alloc_groups == 0) or we're trying to allocate the smallest
1246          * gang block size then we allow allocations on this metaslab group
1247          * regardless of the mg_allocatable or throttle settings.
1248          */
1249         if (mg->mg_allocatable) {
1250                 metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[allocator];
1251                 int64_t qdepth;
1252                 uint64_t qmax = mga->mga_cur_max_alloc_queue_depth;
1253
1254                 if (!mc->mc_alloc_throttle_enabled)
1255                         return (B_TRUE);
1256
1257                 /*
1258                  * If this metaslab group does not have any free space, then
1259                  * there is no point in looking further.
1260                  */
1261                 if (mg->mg_no_free_space)
1262                         return (B_FALSE);
1263
1264                 /*
1265                  * Some allocations (e.g., those coming from device removal
1266                  * where the * allocations are not even counted in the
1267                  * metaslab * allocation queues) are allowed to bypass
1268                  * the throttle.
1269                  */
1270                 if (flags & METASLAB_DONT_THROTTLE)
1271                         return (B_TRUE);
1272
1273                 /*
1274                  * Relax allocation throttling for ditto blocks.  Due to
1275                  * random imbalances in allocation it tends to push copies
1276                  * to one vdev, that looks a bit better at the moment.
1277                  */
1278                 qmax = qmax * (4 + d) / 4;
1279
1280                 qdepth = zfs_refcount_count(&mga->mga_alloc_queue_depth);
1281
1282                 /*
1283                  * If this metaslab group is below its qmax or it's
1284                  * the only allocatable metaslab group, then attempt
1285                  * to allocate from it.
1286                  */
1287                 if (qdepth < qmax || mc->mc_alloc_groups == 1)
1288                         return (B_TRUE);
1289                 ASSERT3U(mc->mc_alloc_groups, >, 1);
1290
1291                 /*
1292                  * Since this metaslab group is at or over its qmax, we
1293                  * need to determine if there are metaslab groups after this
1294                  * one that might be able to handle this allocation. This is
1295                  * racy since we can't hold the locks for all metaslab
1296                  * groups at the same time when we make this check.
1297                  */
1298                 for (metaslab_group_t *mgp = mg->mg_next;
1299                     mgp != rotor; mgp = mgp->mg_next) {
1300                         metaslab_group_allocator_t *mgap =
1301                             &mgp->mg_allocator[allocator];
1302                         qmax = mgap->mga_cur_max_alloc_queue_depth;
1303                         qmax = qmax * (4 + d) / 4;
1304                         qdepth =
1305                             zfs_refcount_count(&mgap->mga_alloc_queue_depth);
1306
1307                         /*
1308                          * If there is another metaslab group that
1309                          * might be able to handle the allocation, then
1310                          * we return false so that we skip this group.
1311                          */
1312                         if (qdepth < qmax && !mgp->mg_no_free_space)
1313                                 return (B_FALSE);
1314                 }
1315
1316                 /*
1317                  * We didn't find another group to handle the allocation
1318                  * so we can't skip this metaslab group even though
1319                  * we are at or over our qmax.
1320                  */
1321                 return (B_TRUE);
1322
1323         } else if (mc->mc_alloc_groups == 0 || psize == SPA_MINBLOCKSIZE) {
1324                 return (B_TRUE);
1325         }
1326         return (B_FALSE);
1327 }
1328
1329 /*
1330  * ==========================================================================
1331  * Range tree callbacks
1332  * ==========================================================================
1333  */
1334
1335 /*
1336  * Comparison function for the private size-ordered tree using 32-bit
1337  * ranges. Tree is sorted by size, larger sizes at the end of the tree.
1338  */
1339 __attribute__((always_inline)) inline
1340 static int
1341 metaslab_rangesize32_compare(const void *x1, const void *x2)
1342 {
1343         const range_seg32_t *r1 = x1;
1344         const range_seg32_t *r2 = x2;
1345
1346         uint64_t rs_size1 = r1->rs_end - r1->rs_start;
1347         uint64_t rs_size2 = r2->rs_end - r2->rs_start;
1348
1349         int cmp = TREE_CMP(rs_size1, rs_size2);
1350
1351         return (cmp + !cmp * TREE_CMP(r1->rs_start, r2->rs_start));
1352 }
1353
1354 /*
1355  * Comparison function for the private size-ordered tree using 64-bit
1356  * ranges. Tree is sorted by size, larger sizes at the end of the tree.
1357  */
1358 __attribute__((always_inline)) inline
1359 static int
1360 metaslab_rangesize64_compare(const void *x1, const void *x2)
1361 {
1362         const range_seg64_t *r1 = x1;
1363         const range_seg64_t *r2 = x2;
1364
1365         uint64_t rs_size1 = r1->rs_end - r1->rs_start;
1366         uint64_t rs_size2 = r2->rs_end - r2->rs_start;
1367
1368         int cmp = TREE_CMP(rs_size1, rs_size2);
1369
1370         return (cmp + !cmp * TREE_CMP(r1->rs_start, r2->rs_start));
1371 }
1372
1373 typedef struct metaslab_rt_arg {
1374         zfs_btree_t *mra_bt;
1375         uint32_t mra_floor_shift;
1376 } metaslab_rt_arg_t;
1377
1378 struct mssa_arg {
1379         range_tree_t *rt;
1380         metaslab_rt_arg_t *mra;
1381 };
1382
1383 static void
1384 metaslab_size_sorted_add(void *arg, uint64_t start, uint64_t size)
1385 {
1386         struct mssa_arg *mssap = arg;
1387         range_tree_t *rt = mssap->rt;
1388         metaslab_rt_arg_t *mrap = mssap->mra;
1389         range_seg_max_t seg = {0};
1390         rs_set_start(&seg, rt, start);
1391         rs_set_end(&seg, rt, start + size);
1392         metaslab_rt_add(rt, &seg, mrap);
1393 }
1394
1395 static void
1396 metaslab_size_tree_full_load(range_tree_t *rt)
1397 {
1398         metaslab_rt_arg_t *mrap = rt->rt_arg;
1399         METASLABSTAT_BUMP(metaslabstat_reload_tree);
1400         ASSERT0(zfs_btree_numnodes(mrap->mra_bt));
1401         mrap->mra_floor_shift = 0;
1402         struct mssa_arg arg = {0};
1403         arg.rt = rt;
1404         arg.mra = mrap;
1405         range_tree_walk(rt, metaslab_size_sorted_add, &arg);
1406 }
1407
1408
1409 ZFS_BTREE_FIND_IN_BUF_FUNC(metaslab_rt_find_rangesize32_in_buf,
1410     range_seg32_t, metaslab_rangesize32_compare)
1411
1412 ZFS_BTREE_FIND_IN_BUF_FUNC(metaslab_rt_find_rangesize64_in_buf,
1413     range_seg64_t, metaslab_rangesize64_compare)
1414
1415 /*
1416  * Create any block allocator specific components. The current allocators
1417  * rely on using both a size-ordered range_tree_t and an array of uint64_t's.
1418  */
1419 static void
1420 metaslab_rt_create(range_tree_t *rt, void *arg)
1421 {
1422         metaslab_rt_arg_t *mrap = arg;
1423         zfs_btree_t *size_tree = mrap->mra_bt;
1424
1425         size_t size;
1426         int (*compare) (const void *, const void *);
1427         bt_find_in_buf_f bt_find;
1428         switch (rt->rt_type) {
1429         case RANGE_SEG32:
1430                 size = sizeof (range_seg32_t);
1431                 compare = metaslab_rangesize32_compare;
1432                 bt_find = metaslab_rt_find_rangesize32_in_buf;
1433                 break;
1434         case RANGE_SEG64:
1435                 size = sizeof (range_seg64_t);
1436                 compare = metaslab_rangesize64_compare;
1437                 bt_find = metaslab_rt_find_rangesize64_in_buf;
1438                 break;
1439         default:
1440                 panic("Invalid range seg type %d", rt->rt_type);
1441         }
1442         zfs_btree_create(size_tree, compare, bt_find, size);
1443         mrap->mra_floor_shift = metaslab_by_size_min_shift;
1444 }
1445
1446 static void
1447 metaslab_rt_destroy(range_tree_t *rt, void *arg)
1448 {
1449         (void) rt;
1450         metaslab_rt_arg_t *mrap = arg;
1451         zfs_btree_t *size_tree = mrap->mra_bt;
1452
1453         zfs_btree_destroy(size_tree);
1454         kmem_free(mrap, sizeof (*mrap));
1455 }
1456
1457 static void
1458 metaslab_rt_add(range_tree_t *rt, range_seg_t *rs, void *arg)
1459 {
1460         metaslab_rt_arg_t *mrap = arg;
1461         zfs_btree_t *size_tree = mrap->mra_bt;
1462
1463         if (rs_get_end(rs, rt) - rs_get_start(rs, rt) <
1464             (1ULL << mrap->mra_floor_shift))
1465                 return;
1466
1467         zfs_btree_add(size_tree, rs);
1468 }
1469
1470 static void
1471 metaslab_rt_remove(range_tree_t *rt, range_seg_t *rs, void *arg)
1472 {
1473         metaslab_rt_arg_t *mrap = arg;
1474         zfs_btree_t *size_tree = mrap->mra_bt;
1475
1476         if (rs_get_end(rs, rt) - rs_get_start(rs, rt) < (1ULL <<
1477             mrap->mra_floor_shift))
1478                 return;
1479
1480         zfs_btree_remove(size_tree, rs);
1481 }
1482
1483 static void
1484 metaslab_rt_vacate(range_tree_t *rt, void *arg)
1485 {
1486         metaslab_rt_arg_t *mrap = arg;
1487         zfs_btree_t *size_tree = mrap->mra_bt;
1488         zfs_btree_clear(size_tree);
1489         zfs_btree_destroy(size_tree);
1490
1491         metaslab_rt_create(rt, arg);
1492 }
1493
1494 static const range_tree_ops_t metaslab_rt_ops = {
1495         .rtop_create = metaslab_rt_create,
1496         .rtop_destroy = metaslab_rt_destroy,
1497         .rtop_add = metaslab_rt_add,
1498         .rtop_remove = metaslab_rt_remove,
1499         .rtop_vacate = metaslab_rt_vacate
1500 };
1501
1502 /*
1503  * ==========================================================================
1504  * Common allocator routines
1505  * ==========================================================================
1506  */
1507
1508 /*
1509  * Return the maximum contiguous segment within the metaslab.
1510  */
1511 uint64_t
1512 metaslab_largest_allocatable(metaslab_t *msp)
1513 {
1514         zfs_btree_t *t = &msp->ms_allocatable_by_size;
1515         range_seg_t *rs;
1516
1517         if (t == NULL)
1518                 return (0);
1519         if (zfs_btree_numnodes(t) == 0)
1520                 metaslab_size_tree_full_load(msp->ms_allocatable);
1521
1522         rs = zfs_btree_last(t, NULL);
1523         if (rs == NULL)
1524                 return (0);
1525
1526         return (rs_get_end(rs, msp->ms_allocatable) - rs_get_start(rs,
1527             msp->ms_allocatable));
1528 }
1529
1530 /*
1531  * Return the maximum contiguous segment within the unflushed frees of this
1532  * metaslab.
1533  */
1534 static uint64_t
1535 metaslab_largest_unflushed_free(metaslab_t *msp)
1536 {
1537         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1538
1539         if (msp->ms_unflushed_frees == NULL)
1540                 return (0);
1541
1542         if (zfs_btree_numnodes(&msp->ms_unflushed_frees_by_size) == 0)
1543                 metaslab_size_tree_full_load(msp->ms_unflushed_frees);
1544         range_seg_t *rs = zfs_btree_last(&msp->ms_unflushed_frees_by_size,
1545             NULL);
1546         if (rs == NULL)
1547                 return (0);
1548
1549         /*
1550          * When a range is freed from the metaslab, that range is added to
1551          * both the unflushed frees and the deferred frees. While the block
1552          * will eventually be usable, if the metaslab were loaded the range
1553          * would not be added to the ms_allocatable tree until TXG_DEFER_SIZE
1554          * txgs had passed.  As a result, when attempting to estimate an upper
1555          * bound for the largest currently-usable free segment in the
1556          * metaslab, we need to not consider any ranges currently in the defer
1557          * trees. This algorithm approximates the largest available chunk in
1558          * the largest range in the unflushed_frees tree by taking the first
1559          * chunk.  While this may be a poor estimate, it should only remain so
1560          * briefly and should eventually self-correct as frees are no longer
1561          * deferred. Similar logic applies to the ms_freed tree. See
1562          * metaslab_load() for more details.
1563          *
1564          * There are two primary sources of inaccuracy in this estimate. Both
1565          * are tolerated for performance reasons. The first source is that we
1566          * only check the largest segment for overlaps. Smaller segments may
1567          * have more favorable overlaps with the other trees, resulting in
1568          * larger usable chunks.  Second, we only look at the first chunk in
1569          * the largest segment; there may be other usable chunks in the
1570          * largest segment, but we ignore them.
1571          */
1572         uint64_t rstart = rs_get_start(rs, msp->ms_unflushed_frees);
1573         uint64_t rsize = rs_get_end(rs, msp->ms_unflushed_frees) - rstart;
1574         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
1575                 uint64_t start = 0;
1576                 uint64_t size = 0;
1577                 boolean_t found = range_tree_find_in(msp->ms_defer[t], rstart,
1578                     rsize, &start, &size);
1579                 if (found) {
1580                         if (rstart == start)
1581                                 return (0);
1582                         rsize = start - rstart;
1583                 }
1584         }
1585
1586         uint64_t start = 0;
1587         uint64_t size = 0;
1588         boolean_t found = range_tree_find_in(msp->ms_freed, rstart,
1589             rsize, &start, &size);
1590         if (found)
1591                 rsize = start - rstart;
1592
1593         return (rsize);
1594 }
1595
1596 static range_seg_t *
1597 metaslab_block_find(zfs_btree_t *t, range_tree_t *rt, uint64_t start,
1598     uint64_t size, zfs_btree_index_t *where)
1599 {
1600         range_seg_t *rs;
1601         range_seg_max_t rsearch;
1602
1603         rs_set_start(&rsearch, rt, start);
1604         rs_set_end(&rsearch, rt, start + size);
1605
1606         rs = zfs_btree_find(t, &rsearch, where);
1607         if (rs == NULL) {
1608                 rs = zfs_btree_next(t, where, where);
1609         }
1610
1611         return (rs);
1612 }
1613
1614 /*
1615  * This is a helper function that can be used by the allocator to find a
1616  * suitable block to allocate. This will search the specified B-tree looking
1617  * for a block that matches the specified criteria.
1618  */
1619 static uint64_t
1620 metaslab_block_picker(range_tree_t *rt, uint64_t *cursor, uint64_t size,
1621     uint64_t max_search)
1622 {
1623         if (*cursor == 0)
1624                 *cursor = rt->rt_start;
1625         zfs_btree_t *bt = &rt->rt_root;
1626         zfs_btree_index_t where;
1627         range_seg_t *rs = metaslab_block_find(bt, rt, *cursor, size, &where);
1628         uint64_t first_found;
1629         int count_searched = 0;
1630
1631         if (rs != NULL)
1632                 first_found = rs_get_start(rs, rt);
1633
1634         while (rs != NULL && (rs_get_start(rs, rt) - first_found <=
1635             max_search || count_searched < metaslab_min_search_count)) {
1636                 uint64_t offset = rs_get_start(rs, rt);
1637                 if (offset + size <= rs_get_end(rs, rt)) {
1638                         *cursor = offset + size;
1639                         return (offset);
1640                 }
1641                 rs = zfs_btree_next(bt, &where, &where);
1642                 count_searched++;
1643         }
1644
1645         *cursor = 0;
1646         return (-1ULL);
1647 }
1648
1649 static uint64_t metaslab_df_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size);
1650 static uint64_t metaslab_cf_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size);
1651 static uint64_t metaslab_ndf_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size);
1652 metaslab_ops_t *metaslab_allocator(spa_t *spa);
1653
1654 static metaslab_ops_t metaslab_allocators[] = {
1655         { "dynamic", metaslab_df_alloc },
1656         { "cursor", metaslab_cf_alloc },
1657         { "new-dynamic", metaslab_ndf_alloc },
1658 };
1659
1660 static int
1661 spa_find_allocator_byname(const char *val)
1662 {
1663         int a = ARRAY_SIZE(metaslab_allocators) - 1;
1664         if (strcmp("new-dynamic", val) == 0)
1665                 return (-1); /* remove when ndf is working */
1666         for (; a >= 0; a--) {
1667                 if (strcmp(val, metaslab_allocators[a].msop_name) == 0)
1668                         return (a);
1669         }
1670         return (-1);
1671 }
1672
1673 void
1674 spa_set_allocator(spa_t *spa, const char *allocator)
1675 {
1676         int a = spa_find_allocator_byname(allocator);
1677         if (a < 0) a = 0;
1678         spa->spa_active_allocator = a;
1679         zfs_dbgmsg("spa allocator: %s\n", metaslab_allocators[a].msop_name);
1680 }
1681
1682 int
1683 spa_get_allocator(spa_t *spa)
1684 {
1685         return (spa->spa_active_allocator);
1686 }
1687
1688 #if defined(_KERNEL)
1689 int
1690 param_set_active_allocator_common(const char *val)
1691 {
1692         char *p;
1693
1694         if (val == NULL)
1695                 return (SET_ERROR(EINVAL));
1696
1697         if ((p = strchr(val, '\n')) != NULL)
1698                 *p = '\0';
1699
1700         int a = spa_find_allocator_byname(val);
1701         if (a < 0)
1702                 return (SET_ERROR(EINVAL));
1703
1704         zfs_active_allocator = metaslab_allocators[a].msop_name;
1705         return (0);
1706 }
1707 #endif
1708
1709 metaslab_ops_t *
1710 metaslab_allocator(spa_t *spa)
1711 {
1712         int allocator = spa_get_allocator(spa);
1713         return (&metaslab_allocators[allocator]);
1714 }
1715
1716 /*
1717  * ==========================================================================
1718  * Dynamic Fit (df) block allocator
1719  *
1720  * Search for a free chunk of at least this size, starting from the last
1721  * offset (for this alignment of block) looking for up to
1722  * metaslab_df_max_search bytes (16MB).  If a large enough free chunk is not
1723  * found within 16MB, then return a free chunk of exactly the requested size (or
1724  * larger).
1725  *
1726  * If it seems like searching from the last offset will be unproductive, skip
1727  * that and just return a free chunk of exactly the requested size (or larger).
1728  * This is based on metaslab_df_alloc_threshold and metaslab_df_free_pct.  This
1729  * mechanism is probably not very useful and may be removed in the future.
1730  *
1731  * The behavior when not searching can be changed to return the largest free
1732  * chunk, instead of a free chunk of exactly the requested size, by setting
1733  * metaslab_df_use_largest_segment.
1734  * ==========================================================================
1735  */
1736 static uint64_t
1737 metaslab_df_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1738 {
1739         /*
1740          * Find the largest power of 2 block size that evenly divides the
1741          * requested size. This is used to try to allocate blocks with similar
1742          * alignment from the same area of the metaslab (i.e. same cursor
1743          * bucket) but it does not guarantee that other allocations sizes
1744          * may exist in the same region.
1745          */
1746         uint64_t align = size & -size;
1747         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[highbit64(align) - 1];
1748         range_tree_t *rt = msp->ms_allocatable;
1749         uint_t free_pct = range_tree_space(rt) * 100 / msp->ms_size;
1750         uint64_t offset;
1751
1752         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1753
1754         /*
1755          * If we're running low on space, find a segment based on size,
1756          * rather than iterating based on offset.
1757          */
1758         if (metaslab_largest_allocatable(msp) < metaslab_df_alloc_threshold ||
1759             free_pct < metaslab_df_free_pct) {
1760                 offset = -1;
1761         } else {
1762                 offset = metaslab_block_picker(rt,
1763                     cursor, size, metaslab_df_max_search);
1764         }
1765
1766         if (offset == -1) {
1767                 range_seg_t *rs;
1768                 if (zfs_btree_numnodes(&msp->ms_allocatable_by_size) == 0)
1769                         metaslab_size_tree_full_load(msp->ms_allocatable);
1770
1771                 if (metaslab_df_use_largest_segment) {
1772                         /* use largest free segment */
1773                         rs = zfs_btree_last(&msp->ms_allocatable_by_size, NULL);
1774                 } else {
1775                         zfs_btree_index_t where;
1776                         /* use segment of this size, or next largest */
1777                         rs = metaslab_block_find(&msp->ms_allocatable_by_size,
1778                             rt, msp->ms_start, size, &where);
1779                 }
1780                 if (rs != NULL && rs_get_start(rs, rt) + size <= rs_get_end(rs,
1781                     rt)) {
1782                         offset = rs_get_start(rs, rt);
1783                         *cursor = offset + size;
1784                 }
1785         }
1786
1787         return (offset);
1788 }
1789
1790 /*
1791  * ==========================================================================
1792  * Cursor fit block allocator -
1793  * Select the largest region in the metaslab, set the cursor to the beginning
1794  * of the range and the cursor_end to the end of the range. As allocations
1795  * are made advance the cursor. Continue allocating from the cursor until
1796  * the range is exhausted and then find a new range.
1797  * ==========================================================================
1798  */
1799 static uint64_t
1800 metaslab_cf_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1801 {
1802         range_tree_t *rt = msp->ms_allocatable;
1803         zfs_btree_t *t = &msp->ms_allocatable_by_size;
1804         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[0];
1805         uint64_t *cursor_end = &msp->ms_lbas[1];
1806         uint64_t offset = 0;
1807
1808         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1809
1810         ASSERT3U(*cursor_end, >=, *cursor);
1811
1812         if ((*cursor + size) > *cursor_end) {
1813                 range_seg_t *rs;
1814
1815                 if (zfs_btree_numnodes(t) == 0)
1816                         metaslab_size_tree_full_load(msp->ms_allocatable);
1817                 rs = zfs_btree_last(t, NULL);
1818                 if (rs == NULL || (rs_get_end(rs, rt) - rs_get_start(rs, rt)) <
1819                     size)
1820                         return (-1ULL);
1821
1822                 *cursor = rs_get_start(rs, rt);
1823                 *cursor_end = rs_get_end(rs, rt);
1824         }
1825
1826         offset = *cursor;
1827         *cursor += size;
1828
1829         return (offset);
1830 }
1831
1832 /*
1833  * ==========================================================================
1834  * New dynamic fit allocator -
1835  * Select a region that is large enough to allocate 2^metaslab_ndf_clump_shift
1836  * contiguous blocks. If no region is found then just use the largest segment
1837  * that remains.
1838  * ==========================================================================
1839  */
1840
1841 /*
1842  * Determines desired number of contiguous blocks (2^metaslab_ndf_clump_shift)
1843  * to request from the allocator.
1844  */
1845 uint64_t metaslab_ndf_clump_shift = 4;
1846
1847 static uint64_t
1848 metaslab_ndf_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1849 {
1850         zfs_btree_t *t = &msp->ms_allocatable->rt_root;
1851         range_tree_t *rt = msp->ms_allocatable;
1852         zfs_btree_index_t where;
1853         range_seg_t *rs;
1854         range_seg_max_t rsearch;
1855         uint64_t hbit = highbit64(size);
1856         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[hbit - 1];
1857         uint64_t max_size = metaslab_largest_allocatable(msp);
1858
1859         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1860
1861         if (max_size < size)
1862                 return (-1ULL);
1863
1864         rs_set_start(&rsearch, rt, *cursor);
1865         rs_set_end(&rsearch, rt, *cursor + size);
1866
1867         rs = zfs_btree_find(t, &rsearch, &where);
1868         if (rs == NULL || (rs_get_end(rs, rt) - rs_get_start(rs, rt)) < size) {
1869                 t = &msp->ms_allocatable_by_size;
1870
1871                 rs_set_start(&rsearch, rt, 0);
1872                 rs_set_end(&rsearch, rt, MIN(max_size, 1ULL << (hbit +
1873                     metaslab_ndf_clump_shift)));
1874
1875                 rs = zfs_btree_find(t, &rsearch, &where);
1876                 if (rs == NULL)
1877                         rs = zfs_btree_next(t, &where, &where);
1878                 ASSERT(rs != NULL);
1879         }
1880
1881         if ((rs_get_end(rs, rt) - rs_get_start(rs, rt)) >= size) {
1882                 *cursor = rs_get_start(rs, rt) + size;
1883                 return (rs_get_start(rs, rt));
1884         }
1885         return (-1ULL);
1886 }
1887
1888 /*
1889  * ==========================================================================
1890  * Metaslabs
1891  * ==========================================================================
1892  */
1893
1894 /*
1895  * Wait for any in-progress metaslab loads to complete.
1896  */
1897 static void
1898 metaslab_load_wait(metaslab_t *msp)
1899 {
1900         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1901
1902         while (msp->ms_loading) {
1903                 ASSERT(!msp->ms_loaded);
1904                 cv_wait(&msp->ms_load_cv, &msp->ms_lock);
1905         }
1906 }
1907
1908 /*
1909  * Wait for any in-progress flushing to complete.
1910  */
1911 static void
1912 metaslab_flush_wait(metaslab_t *msp)
1913 {
1914         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1915
1916         while (msp->ms_flushing)
1917                 cv_wait(&msp->ms_flush_cv, &msp->ms_lock);
1918 }
1919
1920 static unsigned int
1921 metaslab_idx_func(multilist_t *ml, void *arg)
1922 {
1923         metaslab_t *msp = arg;
1924
1925         /*
1926          * ms_id values are allocated sequentially, so full 64bit
1927          * division would be a waste of time, so limit it to 32 bits.
1928          */
1929         return ((unsigned int)msp->ms_id % multilist_get_num_sublists(ml));
1930 }
1931
1932 uint64_t
1933 metaslab_allocated_space(metaslab_t *msp)
1934 {
1935         return (msp->ms_allocated_space);
1936 }
1937
1938 /*
1939  * Verify that the space accounting on disk matches the in-core range_trees.
1940  */
1941 static void
1942 metaslab_verify_space(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
1943 {
1944         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
1945         uint64_t allocating = 0;
1946         uint64_t sm_free_space, msp_free_space;
1947
1948         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1949         ASSERT(!msp->ms_condensing);
1950
1951         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_METASLAB_VERIFY) == 0)
1952                 return;
1953
1954         /*
1955          * We can only verify the metaslab space when we're called
1956          * from syncing context with a loaded metaslab that has an
1957          * allocated space map. Calling this in non-syncing context
1958          * does not provide a consistent view of the metaslab since
1959          * we're performing allocations in the future.
1960          */
1961         if (txg != spa_syncing_txg(spa) || msp->ms_sm == NULL ||
1962             !msp->ms_loaded)
1963                 return;
1964
1965         /*
1966          * Even though the smp_alloc field can get negative,
1967          * when it comes to a metaslab's space map, that should
1968          * never be the case.
1969          */
1970         ASSERT3S(space_map_allocated(msp->ms_sm), >=, 0);
1971
1972         ASSERT3U(space_map_allocated(msp->ms_sm), >=,
1973             range_tree_space(msp->ms_unflushed_frees));
1974
1975         ASSERT3U(metaslab_allocated_space(msp), ==,
1976             space_map_allocated(msp->ms_sm) +
1977             range_tree_space(msp->ms_unflushed_allocs) -
1978             range_tree_space(msp->ms_unflushed_frees));
1979
1980         sm_free_space = msp->ms_size - metaslab_allocated_space(msp);
1981
1982         /*
1983          * Account for future allocations since we would have
1984          * already deducted that space from the ms_allocatable.
1985          */
1986         for (int t = 0; t < TXG_CONCURRENT_STATES; t++) {
1987                 allocating +=
1988                     range_tree_space(msp->ms_allocating[(txg + t) & TXG_MASK]);
1989         }
1990         ASSERT3U(allocating + msp->ms_allocated_this_txg, ==,
1991             msp->ms_allocating_total);
1992
1993         ASSERT3U(msp->ms_deferspace, ==,
1994             range_tree_space(msp->ms_defer[0]) +
1995             range_tree_space(msp->ms_defer[1]));
1996
1997         msp_free_space = range_tree_space(msp->ms_allocatable) + allocating +
1998             msp->ms_deferspace + range_tree_space(msp->ms_freed);
1999
2000         VERIFY3U(sm_free_space, ==, msp_free_space);
2001 }
2002
2003 static void
2004 metaslab_aux_histograms_clear(metaslab_t *msp)
2005 {
2006         /*
2007          * Auxiliary histograms are only cleared when resetting them,
2008          * which can only happen while the metaslab is loaded.
2009          */
2010         ASSERT(msp->ms_loaded);
2011
2012         memset(msp->ms_synchist, 0, sizeof (msp->ms_synchist));
2013         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++)
2014                 memset(msp->ms_deferhist[t], 0, sizeof (msp->ms_deferhist[t]));
2015 }
2016
2017 static void
2018 metaslab_aux_histogram_add(uint64_t *histogram, uint64_t shift,
2019     range_tree_t *rt)
2020 {
2021         /*
2022          * This is modeled after space_map_histogram_add(), so refer to that
2023          * function for implementation details. We want this to work like
2024          * the space map histogram, and not the range tree histogram, as we
2025          * are essentially constructing a delta that will be later subtracted
2026          * from the space map histogram.
2027          */
2028         int idx = 0;
2029         for (int i = shift; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
2030                 ASSERT3U(i, >=, idx + shift);
2031                 histogram[idx] += rt->rt_histogram[i] << (i - idx - shift);
2032
2033                 if (idx < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE - 1) {
2034                         ASSERT3U(idx + shift, ==, i);
2035                         idx++;
2036                         ASSERT3U(idx, <, SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE);
2037                 }
2038         }
2039 }
2040
2041 /*
2042  * Called at every sync pass that the metaslab gets synced.
2043  *
2044  * The reason is that we want our auxiliary histograms to be updated
2045  * wherever the metaslab's space map histogram is updated. This way
2046  * we stay consistent on which parts of the metaslab space map's
2047  * histogram are currently not available for allocations (e.g because
2048  * they are in the defer, freed, and freeing trees).
2049  */
2050 static void
2051 metaslab_aux_histograms_update(metaslab_t *msp)
2052 {
2053         space_map_t *sm = msp->ms_sm;
2054         ASSERT(sm != NULL);
2055
2056         /*
2057          * This is similar to the metaslab's space map histogram updates
2058          * that take place in metaslab_sync(). The only difference is that
2059          * we only care about segments that haven't made it into the
2060          * ms_allocatable tree yet.
2061          */
2062         if (msp->ms_loaded) {
2063                 metaslab_aux_histograms_clear(msp);
2064
2065                 metaslab_aux_histogram_add(msp->ms_synchist,
2066                     sm->sm_shift, msp->ms_freed);
2067
2068                 for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
2069                         metaslab_aux_histogram_add(msp->ms_deferhist[t],
2070                             sm->sm_shift, msp->ms_defer[t]);
2071                 }
2072         }
2073
2074         metaslab_aux_histogram_add(msp->ms_synchist,
2075             sm->sm_shift, msp->ms_freeing);
2076 }
2077
2078 /*
2079  * Called every time we are done syncing (writing to) the metaslab,
2080  * i.e. at the end of each sync pass.
2081  * [see the comment in metaslab_impl.h for ms_synchist, ms_deferhist]
2082  */
2083 static void
2084 metaslab_aux_histograms_update_done(metaslab_t *msp, boolean_t defer_allowed)
2085 {
2086         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
2087         space_map_t *sm = msp->ms_sm;
2088
2089         if (sm == NULL) {
2090                 /*
2091                  * We came here from metaslab_init() when creating/opening a
2092                  * pool, looking at a metaslab that hasn't had any allocations
2093                  * yet.
2094                  */
2095                 return;
2096         }
2097
2098         /*
2099          * This is similar to the actions that we take for the ms_freed
2100          * and ms_defer trees in metaslab_sync_done().
2101          */
2102         uint64_t hist_index = spa_syncing_txg(spa) % TXG_DEFER_SIZE;
2103         if (defer_allowed) {
2104                 memcpy(msp->ms_deferhist[hist_index], msp->ms_synchist,
2105                     sizeof (msp->ms_synchist));
2106         } else {
2107                 memset(msp->ms_deferhist[hist_index], 0,
2108                     sizeof (msp->ms_deferhist[hist_index]));
2109         }
2110         memset(msp->ms_synchist, 0, sizeof (msp->ms_synchist));
2111 }
2112
2113 /*
2114  * Ensure that the metaslab's weight and fragmentation are consistent
2115  * with the contents of the histogram (either the range tree's histogram
2116  * or the space map's depending whether the metaslab is loaded).
2117  */
2118 static void
2119 metaslab_verify_weight_and_frag(metaslab_t *msp)
2120 {
2121         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2122
2123         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_METASLAB_VERIFY) == 0)
2124                 return;
2125
2126         /*
2127          * We can end up here from vdev_remove_complete(), in which case we
2128          * cannot do these assertions because we hold spa config locks and
2129          * thus we are not allowed to read from the DMU.
2130          *
2131          * We check if the metaslab group has been removed and if that's
2132          * the case we return immediately as that would mean that we are
2133          * here from the aforementioned code path.
2134          */
2135         if (msp->ms_group == NULL)
2136                 return;
2137
2138         /*
2139          * Devices being removed always return a weight of 0 and leave
2140          * fragmentation and ms_max_size as is - there is nothing for
2141          * us to verify here.
2142          */
2143         vdev_t *vd = msp->ms_group->mg_vd;
2144         if (vd->vdev_removing)
2145                 return;
2146
2147         /*
2148          * If the metaslab is dirty it probably means that we've done
2149          * some allocations or frees that have changed our histograms
2150          * and thus the weight.
2151          */
2152         for (int t = 0; t < TXG_SIZE; t++) {
2153                 if (txg_list_member(&vd->vdev_ms_list, msp, t))
2154                         return;
2155         }
2156
2157         /*
2158          * This verification checks that our in-memory state is consistent
2159          * with what's on disk. If the pool is read-only then there aren't
2160          * any changes and we just have the initially-loaded state.
2161          */
2162         if (!spa_writeable(msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa))
2163                 return;
2164
2165         /* some extra verification for in-core tree if you can */
2166         if (msp->ms_loaded) {
2167                 range_tree_stat_verify(msp->ms_allocatable);
2168                 VERIFY(space_map_histogram_verify(msp->ms_sm,
2169                     msp->ms_allocatable));
2170         }
2171
2172         uint64_t weight = msp->ms_weight;
2173         uint64_t was_active = msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK;
2174         boolean_t space_based = WEIGHT_IS_SPACEBASED(msp->ms_weight);
2175         uint64_t frag = msp->ms_fragmentation;
2176         uint64_t max_segsize = msp->ms_max_size;
2177
2178         msp->ms_weight = 0;
2179         msp->ms_fragmentation = 0;
2180
2181         /*
2182          * This function is used for verification purposes and thus should
2183          * not introduce any side-effects/mutations on the system's state.
2184          *
2185          * Regardless of whether metaslab_weight() thinks this metaslab
2186          * should be active or not, we want to ensure that the actual weight
2187          * (and therefore the value of ms_weight) would be the same if it
2188          * was to be recalculated at this point.
2189          *
2190          * In addition we set the nodirty flag so metaslab_weight() does
2191          * not dirty the metaslab for future TXGs (e.g. when trying to
2192          * force condensing to upgrade the metaslab spacemaps).
2193          */
2194         msp->ms_weight = metaslab_weight(msp, B_TRUE) | was_active;
2195
2196         VERIFY3U(max_segsize, ==, msp->ms_max_size);
2197
2198         /*
2199          * If the weight type changed then there is no point in doing
2200          * verification. Revert fields to their original values.
2201          */
2202         if ((space_based && !WEIGHT_IS_SPACEBASED(msp->ms_weight)) ||
2203             (!space_based && WEIGHT_IS_SPACEBASED(msp->ms_weight))) {
2204                 msp->ms_fragmentation = frag;
2205                 msp->ms_weight = weight;
2206                 return;
2207         }
2208
2209         VERIFY3U(msp->ms_fragmentation, ==, frag);
2210         VERIFY3U(msp->ms_weight, ==, weight);
2211 }
2212
2213 /*
2214  * If we're over the zfs_metaslab_mem_limit, select the loaded metaslab from
2215  * this class that was used longest ago, and attempt to unload it.  We don't
2216  * want to spend too much time in this loop to prevent performance
2217  * degradation, and we expect that most of the time this operation will
2218  * succeed. Between that and the normal unloading processing during txg sync,
2219  * we expect this to keep the metaslab memory usage under control.
2220  */
2221 static void
2222 metaslab_potentially_evict(metaslab_class_t *mc)
2223 {
2224 #ifdef _KERNEL
2225         uint64_t allmem = arc_all_memory();
2226         uint64_t inuse = spl_kmem_cache_inuse(zfs_btree_leaf_cache);
2227         uint64_t size = spl_kmem_cache_entry_size(zfs_btree_leaf_cache);
2228         uint_t tries = 0;
2229         for (; allmem * zfs_metaslab_mem_limit / 100 < inuse * size &&
2230             tries < multilist_get_num_sublists(&mc->mc_metaslab_txg_list) * 2;
2231             tries++) {
2232                 unsigned int idx = multilist_get_random_index(
2233                     &mc->mc_metaslab_txg_list);
2234                 multilist_sublist_t *mls =
2235                     multilist_sublist_lock(&mc->mc_metaslab_txg_list, idx);
2236                 metaslab_t *msp = multilist_sublist_head(mls);
2237                 multilist_sublist_unlock(mls);
2238                 while (msp != NULL && allmem * zfs_metaslab_mem_limit / 100 <
2239                     inuse * size) {
2240                         VERIFY3P(mls, ==, multilist_sublist_lock(
2241                             &mc->mc_metaslab_txg_list, idx));
2242                         ASSERT3U(idx, ==,
2243                             metaslab_idx_func(&mc->mc_metaslab_txg_list, msp));
2244
2245                         if (!multilist_link_active(&msp->ms_class_txg_node)) {
2246                                 multilist_sublist_unlock(mls);
2247                                 break;
2248                         }
2249                         metaslab_t *next_msp = multilist_sublist_next(mls, msp);
2250                         multilist_sublist_unlock(mls);
2251                         /*
2252                          * If the metaslab is currently loading there are two
2253                          * cases. If it's the metaslab we're evicting, we
2254                          * can't continue on or we'll panic when we attempt to
2255                          * recursively lock the mutex. If it's another
2256                          * metaslab that's loading, it can be safely skipped,
2257                          * since we know it's very new and therefore not a
2258                          * good eviction candidate. We check later once the
2259                          * lock is held that the metaslab is fully loaded
2260                          * before actually unloading it.
2261                          */
2262                         if (msp->ms_loading) {
2263                                 msp = next_msp;
2264                                 inuse =
2265                                     spl_kmem_cache_inuse(zfs_btree_leaf_cache);
2266                                 continue;
2267                         }
2268                         /*
2269                          * We can't unload metaslabs with no spacemap because
2270                          * they're not ready to be unloaded yet. We can't
2271                          * unload metaslabs with outstanding allocations
2272                          * because doing so could cause the metaslab's weight
2273                          * to decrease while it's unloaded, which violates an
2274                          * invariant that we use to prevent unnecessary
2275                          * loading. We also don't unload metaslabs that are
2276                          * currently active because they are high-weight
2277                          * metaslabs that are likely to be used in the near
2278                          * future.
2279                          */
2280                         mutex_enter(&msp->ms_lock);
2281                         if (msp->ms_allocator == -1 && msp->ms_sm != NULL &&
2282                             msp->ms_allocating_total == 0) {
2283                                 metaslab_unload(msp);
2284                         }
2285                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2286                         msp = next_msp;
2287                         inuse = spl_kmem_cache_inuse(zfs_btree_leaf_cache);
2288                 }
2289         }
2290 #else
2291         (void) mc, (void) zfs_metaslab_mem_limit;
2292 #endif
2293 }
2294
2295 static int
2296 metaslab_load_impl(metaslab_t *msp)
2297 {
2298         int error = 0;
2299
2300         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2301         ASSERT(msp->ms_loading);
2302         ASSERT(!msp->ms_condensing);
2303
2304         /*
2305          * We temporarily drop the lock to unblock other operations while we
2306          * are reading the space map. Therefore, metaslab_sync() and
2307          * metaslab_sync_done() can run at the same time as we do.
2308          *
2309          * If we are using the log space maps, metaslab_sync() can't write to
2310          * the metaslab's space map while we are loading as we only write to
2311          * it when we are flushing the metaslab, and that can't happen while
2312          * we are loading it.
2313          *
2314          * If we are not using log space maps though, metaslab_sync() can
2315          * append to the space map while we are loading. Therefore we load
2316          * only entries that existed when we started the load. Additionally,
2317          * metaslab_sync_done() has to wait for the load to complete because
2318          * there are potential races like metaslab_load() loading parts of the
2319          * space map that are currently being appended by metaslab_sync(). If
2320          * we didn't, the ms_allocatable would have entries that
2321          * metaslab_sync_done() would try to re-add later.
2322          *
2323          * That's why before dropping the lock we remember the synced length
2324          * of the metaslab and read up to that point of the space map,
2325          * ignoring entries appended by metaslab_sync() that happen after we
2326          * drop the lock.
2327          */
2328         uint64_t length = msp->ms_synced_length;
2329         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2330
2331         hrtime_t load_start = gethrtime();
2332         metaslab_rt_arg_t *mrap;
2333         if (msp->ms_allocatable->rt_arg == NULL) {
2334                 mrap = kmem_zalloc(sizeof (*mrap), KM_SLEEP);
2335         } else {
2336                 mrap = msp->ms_allocatable->rt_arg;
2337                 msp->ms_allocatable->rt_ops = NULL;
2338                 msp->ms_allocatable->rt_arg = NULL;
2339         }
2340         mrap->mra_bt = &msp->ms_allocatable_by_size;
2341         mrap->mra_floor_shift = metaslab_by_size_min_shift;
2342
2343         if (msp->ms_sm != NULL) {
2344                 error = space_map_load_length(msp->ms_sm, msp->ms_allocatable,
2345                     SM_FREE, length);
2346
2347                 /* Now, populate the size-sorted tree. */
2348                 metaslab_rt_create(msp->ms_allocatable, mrap);
2349                 msp->ms_allocatable->rt_ops = &metaslab_rt_ops;
2350                 msp->ms_allocatable->rt_arg = mrap;
2351
2352                 struct mssa_arg arg = {0};
2353                 arg.rt = msp->ms_allocatable;
2354                 arg.mra = mrap;
2355                 range_tree_walk(msp->ms_allocatable, metaslab_size_sorted_add,
2356                     &arg);
2357         } else {
2358                 /*
2359                  * Add the size-sorted tree first, since we don't need to load
2360                  * the metaslab from the spacemap.
2361                  */
2362                 metaslab_rt_create(msp->ms_allocatable, mrap);
2363                 msp->ms_allocatable->rt_ops = &metaslab_rt_ops;
2364                 msp->ms_allocatable->rt_arg = mrap;
2365                 /*
2366                  * The space map has not been allocated yet, so treat
2367                  * all the space in the metaslab as free and add it to the
2368                  * ms_allocatable tree.
2369                  */
2370                 range_tree_add(msp->ms_allocatable,
2371                     msp->ms_start, msp->ms_size);
2372
2373                 if (msp->ms_new) {
2374                         /*
2375                          * If the ms_sm doesn't exist, this means that this
2376                          * metaslab hasn't gone through metaslab_sync() and
2377                          * thus has never been dirtied. So we shouldn't
2378                          * expect any unflushed allocs or frees from previous
2379                          * TXGs.
2380                          */
2381                         ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_unflushed_allocs));
2382                         ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_unflushed_frees));
2383                 }
2384         }
2385
2386         /*
2387          * We need to grab the ms_sync_lock to prevent metaslab_sync() from
2388          * changing the ms_sm (or log_sm) and the metaslab's range trees
2389          * while we are about to use them and populate the ms_allocatable.
2390          * The ms_lock is insufficient for this because metaslab_sync() doesn't
2391          * hold the ms_lock while writing the ms_checkpointing tree to disk.
2392          */
2393         mutex_enter(&msp->ms_sync_lock);
2394         mutex_enter(&msp->ms_lock);
2395
2396         ASSERT(!msp->ms_condensing);
2397         ASSERT(!msp->ms_flushing);
2398
2399         if (error != 0) {
2400                 mutex_exit(&msp->ms_sync_lock);
2401                 return (error);
2402         }
2403
2404         ASSERT3P(msp->ms_group, !=, NULL);
2405         msp->ms_loaded = B_TRUE;
2406
2407         /*
2408          * Apply all the unflushed changes to ms_allocatable right
2409          * away so any manipulations we do below have a clear view
2410          * of what is allocated and what is free.
2411          */
2412         range_tree_walk(msp->ms_unflushed_allocs,
2413             range_tree_remove, msp->ms_allocatable);
2414         range_tree_walk(msp->ms_unflushed_frees,
2415             range_tree_add, msp->ms_allocatable);
2416
2417         ASSERT3P(msp->ms_group, !=, NULL);
2418         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
2419         if (spa_syncing_log_sm(spa) != NULL) {
2420                 ASSERT(spa_feature_is_enabled(spa,
2421                     SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP));
2422
2423                 /*
2424                  * If we use a log space map we add all the segments
2425                  * that are in ms_unflushed_frees so they are available
2426                  * for allocation.
2427                  *
2428                  * ms_allocatable needs to contain all free segments
2429                  * that are ready for allocations (thus not segments
2430                  * from ms_freeing, ms_freed, and the ms_defer trees).
2431                  * But if we grab the lock in this code path at a sync
2432                  * pass later that 1, then it also contains the
2433                  * segments of ms_freed (they were added to it earlier
2434                  * in this path through ms_unflushed_frees). So we
2435                  * need to remove all the segments that exist in
2436                  * ms_freed from ms_allocatable as they will be added
2437                  * later in metaslab_sync_done().
2438                  *
2439                  * When there's no log space map, the ms_allocatable
2440                  * correctly doesn't contain any segments that exist
2441                  * in ms_freed [see ms_synced_length].
2442                  */
2443                 range_tree_walk(msp->ms_freed,
2444                     range_tree_remove, msp->ms_allocatable);
2445         }
2446
2447         /*
2448          * If we are not using the log space map, ms_allocatable
2449          * contains the segments that exist in the ms_defer trees
2450          * [see ms_synced_length]. Thus we need to remove them
2451          * from ms_allocatable as they will be added again in
2452          * metaslab_sync_done().
2453          *
2454          * If we are using the log space map, ms_allocatable still
2455          * contains the segments that exist in the ms_defer trees.
2456          * Not because it read them through the ms_sm though. But
2457          * because these segments are part of ms_unflushed_frees
2458          * whose segments we add to ms_allocatable earlier in this
2459          * code path.
2460          */
2461         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
2462                 range_tree_walk(msp->ms_defer[t],
2463                     range_tree_remove, msp->ms_allocatable);
2464         }
2465
2466         /*
2467          * Call metaslab_recalculate_weight_and_sort() now that the
2468          * metaslab is loaded so we get the metaslab's real weight.
2469          *
2470          * Unless this metaslab was created with older software and
2471          * has not yet been converted to use segment-based weight, we
2472          * expect the new weight to be better or equal to the weight
2473          * that the metaslab had while it was not loaded. This is
2474          * because the old weight does not take into account the
2475          * consolidation of adjacent segments between TXGs. [see
2476          * comment for ms_synchist and ms_deferhist[] for more info]
2477          */
2478         uint64_t weight = msp->ms_weight;
2479         uint64_t max_size = msp->ms_max_size;
2480         metaslab_recalculate_weight_and_sort(msp);
2481         if (!WEIGHT_IS_SPACEBASED(weight))
2482                 ASSERT3U(weight, <=, msp->ms_weight);
2483         msp->ms_max_size = metaslab_largest_allocatable(msp);
2484         ASSERT3U(max_size, <=, msp->ms_max_size);
2485         hrtime_t load_end = gethrtime();
2486         msp->ms_load_time = load_end;
2487         zfs_dbgmsg("metaslab_load: txg %llu, spa %s, vdev_id %llu, "
2488             "ms_id %llu, smp_length %llu, "
2489             "unflushed_allocs %llu, unflushed_frees %llu, "
2490             "freed %llu, defer %llu + %llu, unloaded time %llu ms, "
2491             "loading_time %lld ms, ms_max_size %llu, "
2492             "max size error %lld, "
2493             "old_weight %llx, new_weight %llx",
2494             (u_longlong_t)spa_syncing_txg(spa), spa_name(spa),
2495             (u_longlong_t)msp->ms_group->mg_vd->vdev_id,
2496             (u_longlong_t)msp->ms_id,
2497             (u_longlong_t)space_map_length(msp->ms_sm),
2498             (u_longlong_t)range_tree_space(msp->ms_unflushed_allocs),
2499             (u_longlong_t)range_tree_space(msp->ms_unflushed_frees),
2500             (u_longlong_t)range_tree_space(msp->ms_freed),
2501             (u_longlong_t)range_tree_space(msp->ms_defer[0]),
2502             (u_longlong_t)range_tree_space(msp->ms_defer[1]),
2503             (longlong_t)((load_start - msp->ms_unload_time) / 1000000),
2504             (longlong_t)((load_end - load_start) / 1000000),
2505             (u_longlong_t)msp->ms_max_size,
2506             (u_longlong_t)msp->ms_max_size - max_size,
2507             (u_longlong_t)weight, (u_longlong_t)msp->ms_weight);
2508
2509         metaslab_verify_space(msp, spa_syncing_txg(spa));
2510         mutex_exit(&msp->ms_sync_lock);
2511         return (0);
2512 }
2513
2514 int
2515 metaslab_load(metaslab_t *msp)
2516 {
2517         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2518
2519         /*
2520          * There may be another thread loading the same metaslab, if that's
2521          * the case just wait until the other thread is done and return.
2522          */
2523         metaslab_load_wait(msp);
2524         if (msp->ms_loaded)
2525                 return (0);
2526         VERIFY(!msp->ms_loading);
2527         ASSERT(!msp->ms_condensing);
2528
2529         /*
2530          * We set the loading flag BEFORE potentially dropping the lock to
2531          * wait for an ongoing flush (see ms_flushing below). This way other
2532          * threads know that there is already a thread that is loading this
2533          * metaslab.
2534          */
2535         msp->ms_loading = B_TRUE;
2536
2537         /*
2538          * Wait for any in-progress flushing to finish as we drop the ms_lock
2539          * both here (during space_map_load()) and in metaslab_flush() (when
2540          * we flush our changes to the ms_sm).
2541          */
2542         if (msp->ms_flushing)
2543                 metaslab_flush_wait(msp);
2544
2545         /*
2546          * In the possibility that we were waiting for the metaslab to be
2547          * flushed (where we temporarily dropped the ms_lock), ensure that
2548          * no one else loaded the metaslab somehow.
2549          */
2550         ASSERT(!msp->ms_loaded);
2551
2552         /*
2553          * If we're loading a metaslab in the normal class, consider evicting
2554          * another one to keep our memory usage under the limit defined by the
2555          * zfs_metaslab_mem_limit tunable.
2556          */
2557         if (spa_normal_class(msp->ms_group->mg_class->mc_spa) ==
2558             msp->ms_group->mg_class) {
2559                 metaslab_potentially_evict(msp->ms_group->mg_class);
2560         }
2561
2562         int error = metaslab_load_impl(msp);
2563
2564         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2565         msp->ms_loading = B_FALSE;
2566         cv_broadcast(&msp->ms_load_cv);
2567
2568         return (error);
2569 }
2570
2571 void
2572 metaslab_unload(metaslab_t *msp)
2573 {
2574         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2575
2576         /*
2577          * This can happen if a metaslab is selected for eviction (in
2578          * metaslab_potentially_evict) and then unloaded during spa_sync (via
2579          * metaslab_class_evict_old).
2580          */
2581         if (!msp->ms_loaded)
2582                 return;
2583
2584         range_tree_vacate(msp->ms_allocatable, NULL, NULL);
2585         msp->ms_loaded = B_FALSE;
2586         msp->ms_unload_time = gethrtime();
2587
2588         msp->ms_activation_weight = 0;
2589         msp->ms_weight &= ~METASLAB_ACTIVE_MASK;
2590
2591         if (msp->ms_group != NULL) {
2592                 metaslab_class_t *mc = msp->ms_group->mg_class;
2593                 multilist_sublist_t *mls =
2594                     multilist_sublist_lock_obj(&mc->mc_metaslab_txg_list, msp);
2595                 if (multilist_link_active(&msp->ms_class_txg_node))
2596                         multilist_sublist_remove(mls, msp);
2597                 multilist_sublist_unlock(mls);
2598
2599                 spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
2600                 zfs_dbgmsg("metaslab_unload: txg %llu, spa %s, vdev_id %llu, "
2601                     "ms_id %llu, weight %llx, "
2602                     "selected txg %llu (%llu ms ago), alloc_txg %llu, "
2603                     "loaded %llu ms ago, max_size %llu",
2604                     (u_longlong_t)spa_syncing_txg(spa), spa_name(spa),
2605                     (u_longlong_t)msp->ms_group->mg_vd->vdev_id,
2606                     (u_longlong_t)msp->ms_id,
2607                     (u_longlong_t)msp->ms_weight,
2608                     (u_longlong_t)msp->ms_selected_txg,
2609                     (u_longlong_t)(msp->ms_unload_time -
2610                     msp->ms_selected_time) / 1000 / 1000,
2611                     (u_longlong_t)msp->ms_alloc_txg,
2612                     (u_longlong_t)(msp->ms_unload_time -
2613                     msp->ms_load_time) / 1000 / 1000,
2614                     (u_longlong_t)msp->ms_max_size);
2615         }
2616
2617         /*
2618          * We explicitly recalculate the metaslab's weight based on its space
2619          * map (as it is now not loaded). We want unload metaslabs to always
2620          * have their weights calculated from the space map histograms, while
2621          * loaded ones have it calculated from their in-core range tree
2622          * [see metaslab_load()]. This way, the weight reflects the information
2623          * available in-core, whether it is loaded or not.
2624          *
2625          * If ms_group == NULL means that we came here from metaslab_fini(),
2626          * at which point it doesn't make sense for us to do the recalculation
2627          * and the sorting.
2628          */
2629         if (msp->ms_group != NULL)
2630                 metaslab_recalculate_weight_and_sort(msp);
2631 }
2632
2633 /*
2634  * We want to optimize the memory use of the per-metaslab range
2635  * trees. To do this, we store the segments in the range trees in
2636  * units of sectors, zero-indexing from the start of the metaslab. If
2637  * the vdev_ms_shift - the vdev_ashift is less than 32, we can store
2638  * the ranges using two uint32_ts, rather than two uint64_ts.
2639  */
2640 range_seg_type_t
2641 metaslab_calculate_range_tree_type(vdev_t *vdev, metaslab_t *msp,
2642     uint64_t *start, uint64_t *shift)
2643 {
2644         if (vdev->vdev_ms_shift - vdev->vdev_ashift < 32 &&
2645             !zfs_metaslab_force_large_segs) {
2646                 *shift = vdev->vdev_ashift;
2647                 *start = msp->ms_start;
2648                 return (RANGE_SEG32);
2649         } else {
2650                 *shift = 0;
2651                 *start = 0;
2652                 return (RANGE_SEG64);
2653         }
2654 }
2655
2656 void
2657 metaslab_set_selected_txg(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
2658 {
2659         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
2660         metaslab_class_t *mc = msp->ms_group->mg_class;
2661         multilist_sublist_t *mls =
2662             multilist_sublist_lock_obj(&mc->mc_metaslab_txg_list, msp);
2663         if (multilist_link_active(&msp->ms_class_txg_node))
2664                 multilist_sublist_remove(mls, msp);
2665         msp->ms_selected_txg = txg;
2666         msp->ms_selected_time = gethrtime();
2667         multilist_sublist_insert_tail(mls, msp);
2668         multilist_sublist_unlock(mls);
2669 }
2670
2671 void
2672 metaslab_space_update(vdev_t *vd, metaslab_class_t *mc, int64_t alloc_delta,
2673     int64_t defer_delta, int64_t space_delta)
2674 {
2675         vdev_space_update(vd, alloc_delta, defer_delta, space_delta);
2676
2677         ASSERT3P(vd->vdev_spa->spa_root_vdev, ==, vd->vdev_parent);
2678         ASSERT(vd->vdev_ms_count != 0);
2679
2680         metaslab_class_space_update(mc, alloc_delta, defer_delta, space_delta,
2681             vdev_deflated_space(vd, space_delta));
2682 }
2683
2684 int
2685 metaslab_init(metaslab_group_t *mg, uint64_t id, uint64_t object,
2686     uint64_t txg, metaslab_t **msp)
2687 {
2688         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
2689         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
2690         objset_t *mos = spa->spa_meta_objset;
2691         metaslab_t *ms;
2692         int error;
2693
2694         ms = kmem_zalloc(sizeof (metaslab_t), KM_SLEEP);
2695         mutex_init(&ms->ms_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
2696         mutex_init(&ms->ms_sync_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
2697         cv_init(&ms->ms_load_cv, NULL, CV_DEFAULT, NULL);
2698         cv_init(&ms->ms_flush_cv, NULL, CV_DEFAULT, NULL);
2699         multilist_link_init(&ms->ms_class_txg_node);
2700
2701         ms->ms_id = id;
2702         ms->ms_start = id << vd->vdev_ms_shift;
2703         ms->ms_size = 1ULL << vd->vdev_ms_shift;
2704         ms->ms_allocator = -1;
2705         ms->ms_new = B_TRUE;
2706
2707         vdev_ops_t *ops = vd->vdev_ops;
2708         if (ops->vdev_op_metaslab_init != NULL)
2709                 ops->vdev_op_metaslab_init(vd, &ms->ms_start, &ms->ms_size);
2710
2711         /*
2712          * We only open space map objects that already exist. All others
2713          * will be opened when we finally allocate an object for it. For
2714          * readonly pools there is no need to open the space map object.
2715          *
2716          * Note:
2717          * When called from vdev_expand(), we can't call into the DMU as
2718          * we are holding the spa_config_lock as a writer and we would
2719          * deadlock [see relevant comment in vdev_metaslab_init()]. in
2720          * that case, the object parameter is zero though, so we won't
2721          * call into the DMU.
2722          */
2723         if (object != 0 && !(spa->spa_mode == SPA_MODE_READ &&
2724             !spa->spa_read_spacemaps)) {
2725                 error = space_map_open(&ms->ms_sm, mos, object, ms->ms_start,
2726                     ms->ms_size, vd->vdev_ashift);
2727
2728                 if (error != 0) {
2729                         kmem_free(ms, sizeof (metaslab_t));
2730                         return (error);
2731                 }
2732
2733                 ASSERT(ms->ms_sm != NULL);
2734                 ms->ms_allocated_space = space_map_allocated(ms->ms_sm);
2735         }
2736
2737         uint64_t shift, start;
2738         range_seg_type_t type =
2739             metaslab_calculate_range_tree_type(vd, ms, &start, &shift);
2740
2741         ms->ms_allocatable = range_tree_create(NULL, type, NULL, start, shift);
2742         for (int t = 0; t < TXG_SIZE; t++) {
2743                 ms->ms_allocating[t] = range_tree_create(NULL, type,
2744                     NULL, start, shift);
2745         }
2746         ms->ms_freeing = range_tree_create(NULL, type, NULL, start, shift);
2747         ms->ms_freed = range_tree_create(NULL, type, NULL, start, shift);
2748         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
2749                 ms->ms_defer[t] = range_tree_create(NULL, type, NULL,
2750                     start, shift);
2751         }
2752         ms->ms_checkpointing =
2753             range_tree_create(NULL, type, NULL, start, shift);
2754         ms->ms_unflushed_allocs =
2755             range_tree_create(NULL, type, NULL, start, shift);
2756
2757         metaslab_rt_arg_t *mrap = kmem_zalloc(sizeof (*mrap), KM_SLEEP);
2758         mrap->mra_bt = &ms->ms_unflushed_frees_by_size;
2759         mrap->mra_floor_shift = metaslab_by_size_min_shift;
2760         ms->ms_unflushed_frees = range_tree_create(&metaslab_rt_ops,
2761             type, mrap, start, shift);
2762
2763         ms->ms_trim = range_tree_create(NULL, type, NULL, start, shift);
2764
2765         metaslab_group_add(mg, ms);
2766         metaslab_set_fragmentation(ms, B_FALSE);
2767
2768         /*
2769          * If we're opening an existing pool (txg == 0) or creating
2770          * a new one (txg == TXG_INITIAL), all space is available now.
2771          * If we're adding space to an existing pool, the new space
2772          * does not become available until after this txg has synced.
2773          * The metaslab's weight will also be initialized when we sync
2774          * out this txg. This ensures that we don't attempt to allocate
2775          * from it before we have initialized it completely.
2776          */
2777         if (txg <= TXG_INITIAL) {
2778                 metaslab_sync_done(ms, 0);
2779                 metaslab_space_update(vd, mg->mg_class,
2780                     metaslab_allocated_space(ms), 0, 0);
2781         }
2782
2783         if (txg != 0) {
2784                 vdev_dirty(vd, 0, NULL, txg);
2785                 vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, ms, txg);
2786         }
2787
2788         *msp = ms;
2789
2790         return (0);
2791 }
2792
2793 static void
2794 metaslab_fini_flush_data(metaslab_t *msp)
2795 {
2796         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
2797
2798         if (metaslab_unflushed_txg(msp) == 0) {
2799                 ASSERT3P(avl_find(&spa->spa_metaslabs_by_flushed, msp, NULL),
2800                     ==, NULL);
2801                 return;
2802         }
2803         ASSERT(spa_feature_is_active(spa, SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP));
2804
2805         mutex_enter(&spa->spa_flushed_ms_lock);
2806         avl_remove(&spa->spa_metaslabs_by_flushed, msp);
2807         mutex_exit(&spa->spa_flushed_ms_lock);
2808
2809         spa_log_sm_decrement_mscount(spa, metaslab_unflushed_txg(msp));
2810         spa_log_summary_decrement_mscount(spa, metaslab_unflushed_txg(msp),
2811             metaslab_unflushed_dirty(msp));
2812 }
2813
2814 uint64_t
2815 metaslab_unflushed_changes_memused(metaslab_t *ms)
2816 {
2817         return ((range_tree_numsegs(ms->ms_unflushed_allocs) +
2818             range_tree_numsegs(ms->ms_unflushed_frees)) *
2819             ms->ms_unflushed_allocs->rt_root.bt_elem_size);
2820 }
2821
2822 void
2823 metaslab_fini(metaslab_t *msp)
2824 {
2825         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
2826         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
2827         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
2828
2829         metaslab_fini_flush_data(msp);
2830
2831         metaslab_group_remove(mg, msp);
2832
2833         mutex_enter(&msp->ms_lock);
2834         VERIFY(msp->ms_group == NULL);
2835
2836         /*
2837          * If this metaslab hasn't been through metaslab_sync_done() yet its
2838          * space hasn't been accounted for in its vdev and doesn't need to be
2839          * subtracted.
2840          */
2841         if (!msp->ms_new) {
2842                 metaslab_space_update(vd, mg->mg_class,
2843                     -metaslab_allocated_space(msp), 0, -msp->ms_size);
2844
2845         }
2846         space_map_close(msp->ms_sm);
2847         msp->ms_sm = NULL;
2848
2849         metaslab_unload(msp);
2850
2851         range_tree_destroy(msp->ms_allocatable);
2852         range_tree_destroy(msp->ms_freeing);
2853         range_tree_destroy(msp->ms_freed);
2854
2855         ASSERT3U(spa->spa_unflushed_stats.sus_memused, >=,
2856             metaslab_unflushed_changes_memused(msp));
2857         spa->spa_unflushed_stats.sus_memused -=
2858             metaslab_unflushed_changes_memused(msp);
2859         range_tree_vacate(msp->ms_unflushed_allocs, NULL, NULL);
2860         range_tree_destroy(msp->ms_unflushed_allocs);
2861         range_tree_destroy(msp->ms_checkpointing);
2862         range_tree_vacate(msp->ms_unflushed_frees, NULL, NULL);
2863         range_tree_destroy(msp->ms_unflushed_frees);
2864
2865         for (int t = 0; t < TXG_SIZE; t++) {
2866                 range_tree_destroy(msp->ms_allocating[t]);
2867         }
2868         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
2869                 range_tree_destroy(msp->ms_defer[t]);
2870         }
2871         ASSERT0(msp->ms_deferspace);
2872
2873         for (int t = 0; t < TXG_SIZE; t++)
2874                 ASSERT(!txg_list_member(&vd->vdev_ms_list, msp, t));
2875
2876         range_tree_vacate(msp->ms_trim, NULL, NULL);
2877         range_tree_destroy(msp->ms_trim);
2878
2879         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2880         cv_destroy(&msp->ms_load_cv);
2881         cv_destroy(&msp->ms_flush_cv);
2882         mutex_destroy(&msp->ms_lock);
2883         mutex_destroy(&msp->ms_sync_lock);
2884         ASSERT3U(msp->ms_allocator, ==, -1);
2885
2886         kmem_free(msp, sizeof (metaslab_t));
2887 }
2888
2889 #define FRAGMENTATION_TABLE_SIZE        17
2890
2891 /*
2892  * This table defines a segment size based fragmentation metric that will
2893  * allow each metaslab to derive its own fragmentation value. This is done
2894  * by calculating the space in each bucket of the spacemap histogram and
2895  * multiplying that by the fragmentation metric in this table. Doing
2896  * this for all buckets and dividing it by the total amount of free
2897  * space in this metaslab (i.e. the total free space in all buckets) gives
2898  * us the fragmentation metric. This means that a high fragmentation metric
2899  * equates to most of the free space being comprised of small segments.
2900  * Conversely, if the metric is low, then most of the free space is in
2901  * large segments. A 10% change in fragmentation equates to approximately
2902  * double the number of segments.
2903  *
2904  * This table defines 0% fragmented space using 16MB segments. Testing has
2905  * shown that segments that are greater than or equal to 16MB do not suffer
2906  * from drastic performance problems. Using this value, we derive the rest
2907  * of the table. Since the fragmentation value is never stored on disk, it
2908  * is possible to change these calculations in the future.
2909  */
2910 static const int zfs_frag_table[FRAGMENTATION_TABLE_SIZE] = {
2911         100,    /* 512B */
2912         100,    /* 1K   */
2913         98,     /* 2K   */
2914         95,     /* 4K   */
2915         90,     /* 8K   */
2916         80,     /* 16K  */
2917         70,     /* 32K  */
2918         60,     /* 64K  */
2919         50,     /* 128K */
2920         40,     /* 256K */
2921         30,     /* 512K */
2922         20,     /* 1M   */
2923         15,     /* 2M   */
2924         10,     /* 4M   */
2925         5,      /* 8M   */
2926         0       /* 16M  */
2927 };
2928
2929 /*
2930  * Calculate the metaslab's fragmentation metric and set ms_fragmentation.
2931  * Setting this value to ZFS_FRAG_INVALID means that the metaslab has not
2932  * been upgraded and does not support this metric. Otherwise, the return
2933  * value should be in the range [0, 100].
2934  */
2935 static void
2936 metaslab_set_fragmentation(metaslab_t *msp, boolean_t nodirty)
2937 {
2938         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
2939         uint64_t fragmentation = 0;
2940         uint64_t total = 0;
2941         boolean_t feature_enabled = spa_feature_is_enabled(spa,
2942             SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM);
2943
2944         if (!feature_enabled) {
2945                 msp->ms_fragmentation = ZFS_FRAG_INVALID;
2946                 return;
2947         }
2948
2949         /*
2950          * A null space map means that the entire metaslab is free
2951          * and thus is not fragmented.
2952          */
2953         if (msp->ms_sm == NULL) {
2954                 msp->ms_fragmentation = 0;
2955                 return;
2956         }
2957
2958         /*
2959          * If this metaslab's space map has not been upgraded, flag it
2960          * so that we upgrade next time we encounter it.
2961          */
2962         if (msp->ms_sm->sm_dbuf->db_size != sizeof (space_map_phys_t)) {
2963                 uint64_t txg = spa_syncing_txg(spa);
2964                 vdev_t *vd = msp->ms_group->mg_vd;
2965
2966                 /*
2967                  * If we've reached the final dirty txg, then we must
2968                  * be shutting down the pool. We don't want to dirty
2969                  * any data past this point so skip setting the condense
2970                  * flag. We can retry this action the next time the pool
2971                  * is imported. We also skip marking this metaslab for
2972                  * condensing if the caller has explicitly set nodirty.
2973                  */
2974                 if (!nodirty &&
2975                     spa_writeable(spa) && txg < spa_final_dirty_txg(spa)) {
2976                         msp->ms_condense_wanted = B_TRUE;
2977                         vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg + 1);
2978                         zfs_dbgmsg("txg %llu, requesting force condense: "
2979                             "ms_id %llu, vdev_id %llu", (u_longlong_t)txg,
2980                             (u_longlong_t)msp->ms_id,
2981                             (u_longlong_t)vd->vdev_id);
2982                 }
2983                 msp->ms_fragmentation = ZFS_FRAG_INVALID;
2984                 return;
2985         }
2986
2987         for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
2988                 uint64_t space = 0;
2989                 uint8_t shift = msp->ms_sm->sm_shift;
2990
2991                 int idx = MIN(shift - SPA_MINBLOCKSHIFT + i,
2992                     FRAGMENTATION_TABLE_SIZE - 1);
2993
2994                 if (msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i] == 0)
2995                         continue;
2996
2997                 space = msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i] << (i + shift);
2998                 total += space;
2999
3000                 ASSERT3U(idx, <, FRAGMENTATION_TABLE_SIZE);
3001                 fragmentation += space * zfs_frag_table[idx];
3002         }
3003
3004         if (total > 0)
3005                 fragmentation /= total;
3006         ASSERT3U(fragmentation, <=, 100);
3007
3008         msp->ms_fragmentation = fragmentation;
3009 }
3010
3011 /*
3012  * Compute a weight -- a selection preference value -- for the given metaslab.
3013  * This is based on the amount of free space, the level of fragmentation,
3014  * the LBA range, and whether the metaslab is loaded.
3015  */
3016 static uint64_t
3017 metaslab_space_weight(metaslab_t *msp)
3018 {
3019         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
3020         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
3021         uint64_t weight, space;
3022
3023         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3024
3025         /*
3026          * The baseline weight is the metaslab's free space.
3027          */
3028         space = msp->ms_size - metaslab_allocated_space(msp);
3029
3030         if (metaslab_fragmentation_factor_enabled &&
3031             msp->ms_fragmentation != ZFS_FRAG_INVALID) {
3032                 /*
3033                  * Use the fragmentation information to inversely scale
3034                  * down the baseline weight. We need to ensure that we
3035                  * don't exclude this metaslab completely when it's 100%
3036                  * fragmented. To avoid this we reduce the fragmented value
3037                  * by 1.
3038                  */
3039                 space = (space * (100 - (msp->ms_fragmentation - 1))) / 100;
3040
3041                 /*
3042                  * If space < SPA_MINBLOCKSIZE, then we will not allocate from
3043                  * this metaslab again. The fragmentation metric may have
3044                  * decreased the space to something smaller than
3045                  * SPA_MINBLOCKSIZE, so reset the space to SPA_MINBLOCKSIZE
3046                  * so that we can consume any remaining space.
3047                  */
3048                 if (space > 0 && space < SPA_MINBLOCKSIZE)
3049                         space = SPA_MINBLOCKSIZE;
3050         }
3051         weight = space;
3052
3053         /*
3054          * Modern disks have uniform bit density and constant angular velocity.
3055          * Therefore, the outer recording zones are faster (higher bandwidth)
3056          * than the inner zones by the ratio of outer to inner track diameter,
3057          * which is typically around 2:1.  We account for this by assigning
3058          * higher weight to lower metaslabs (multiplier ranging from 2x to 1x).
3059          * In effect, this means that we'll select the metaslab with the most
3060          * free bandwidth rather than simply the one with the most free space.
3061          */
3062         if (!vd->vdev_nonrot && metaslab_lba_weighting_enabled) {
3063                 weight = 2 * weight - (msp->ms_id * weight) / vd->vdev_ms_count;
3064                 ASSERT(weight >= space && weight <= 2 * space);
3065         }
3066
3067         /*
3068          * If this metaslab is one we're actively using, adjust its
3069          * weight to make it preferable to any inactive metaslab so
3070          * we'll polish it off. If the fragmentation on this metaslab
3071          * has exceed our threshold, then don't mark it active.
3072          */
3073         if (msp->ms_loaded && msp->ms_fragmentation != ZFS_FRAG_INVALID &&
3074             msp->ms_fragmentation <= zfs_metaslab_fragmentation_threshold) {
3075                 weight |= (msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
3076         }
3077
3078         WEIGHT_SET_SPACEBASED(weight);
3079         return (weight);
3080 }
3081
3082 /*
3083  * Return the weight of the specified metaslab, according to the segment-based
3084  * weighting algorithm. The metaslab must be loaded. This function can
3085  * be called within a sync pass since it relies only on the metaslab's
3086  * range tree which is always accurate when the metaslab is loaded.
3087  */
3088 static uint64_t
3089 metaslab_weight_from_range_tree(metaslab_t *msp)
3090 {
3091         uint64_t weight = 0;
3092         uint32_t segments = 0;
3093
3094         ASSERT(msp->ms_loaded);
3095
3096         for (int i = RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE - 1; i >= SPA_MINBLOCKSHIFT;
3097             i--) {
3098                 uint8_t shift = msp->ms_group->mg_vd->vdev_ashift;
3099                 int max_idx = SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE + shift - 1;
3100
3101                 segments <<= 1;
3102                 segments += msp->ms_allocatable->rt_histogram[i];
3103
3104                 /*
3105                  * The range tree provides more precision than the space map
3106                  * and must be downgraded so that all values fit within the
3107                  * space map's histogram. This allows us to compare loaded
3108                  * vs. unloaded metaslabs to determine which metaslab is
3109                  * considered "best".
3110                  */
3111                 if (i > max_idx)
3112                         continue;
3113
3114                 if (segments != 0) {
3115                         WEIGHT_SET_COUNT(weight, segments);
3116                         WEIGHT_SET_INDEX(weight, i);
3117                         WEIGHT_SET_ACTIVE(weight, 0);
3118                         break;
3119                 }
3120         }
3121         return (weight);
3122 }
3123
3124 /*
3125  * Calculate the weight based on the on-disk histogram. Should be applied
3126  * only to unloaded metaslabs  (i.e no incoming allocations) in-order to
3127  * give results consistent with the on-disk state
3128  */
3129 static uint64_t
3130 metaslab_weight_from_spacemap(metaslab_t *msp)
3131 {
3132         space_map_t *sm = msp->ms_sm;
3133         ASSERT(!msp->ms_loaded);
3134         ASSERT(sm != NULL);
3135         ASSERT3U(space_map_object(sm), !=, 0);
3136         ASSERT3U(sm->sm_dbuf->db_size, ==, sizeof (space_map_phys_t));
3137
3138         /*
3139          * Create a joint histogram from all the segments that have made
3140          * it to the metaslab's space map histogram, that are not yet
3141          * available for allocation because they are still in the freeing
3142          * pipeline (e.g. freeing, freed, and defer trees). Then subtract
3143          * these segments from the space map's histogram to get a more
3144          * accurate weight.
3145          */
3146         uint64_t deferspace_histogram[SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE] = {0};
3147         for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++)
3148                 deferspace_histogram[i] += msp->ms_synchist[i];
3149         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
3150                 for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
3151                         deferspace_histogram[i] += msp->ms_deferhist[t][i];
3152                 }
3153         }
3154
3155         uint64_t weight = 0;
3156         for (int i = SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE - 1; i >= 0; i--) {
3157                 ASSERT3U(sm->sm_phys->smp_histogram[i], >=,
3158                     deferspace_histogram[i]);
3159                 uint64_t count =
3160                     sm->sm_phys->smp_histogram[i] - deferspace_histogram[i];
3161                 if (count != 0) {
3162                         WEIGHT_SET_COUNT(weight, count);
3163                         WEIGHT_SET_INDEX(weight, i + sm->sm_shift);
3164                         WEIGHT_SET_ACTIVE(weight, 0);
3165                         break;
3166                 }
3167         }
3168         return (weight);
3169 }
3170
3171 /*
3172  * Compute a segment-based weight for the specified metaslab. The weight
3173  * is determined by highest bucket in the histogram. The information
3174  * for the highest bucket is encoded into the weight value.
3175  */
3176 static uint64_t
3177 metaslab_segment_weight(metaslab_t *msp)
3178 {
3179         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
3180         uint64_t weight = 0;
3181         uint8_t shift = mg->mg_vd->vdev_ashift;
3182
3183         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3184
3185         /*
3186          * The metaslab is completely free.
3187          */
3188         if (metaslab_allocated_space(msp) == 0) {
3189                 int idx = highbit64(msp->ms_size) - 1;
3190                 int max_idx = SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE + shift - 1;
3191
3192                 if (idx < max_idx) {
3193                         WEIGHT_SET_COUNT(weight, 1ULL);
3194                         WEIGHT_SET_INDEX(weight, idx);
3195                 } else {
3196                         WEIGHT_SET_COUNT(weight, 1ULL << (idx - max_idx));
3197                         WEIGHT_SET_INDEX(weight, max_idx);
3198                 }
3199                 WEIGHT_SET_ACTIVE(weight, 0);
3200                 ASSERT(!WEIGHT_IS_SPACEBASED(weight));
3201                 return (weight);
3202         }
3203
3204         ASSERT3U(msp->ms_sm->sm_dbuf->db_size, ==, sizeof (space_map_phys_t));
3205
3206         /*
3207          * If the metaslab is fully allocated then just make the weight 0.
3208          */
3209         if (metaslab_allocated_space(msp) == msp->ms_size)
3210                 return (0);
3211         /*
3212          * If the metaslab is already loaded, then use the range tree to
3213          * determine the weight. Otherwise, we rely on the space map information
3214          * to generate the weight.
3215          */
3216         if (msp->ms_loaded) {
3217                 weight = metaslab_weight_from_range_tree(msp);
3218         } else {
3219                 weight = metaslab_weight_from_spacemap(msp);
3220         }
3221
3222         /*
3223          * If the metaslab was active the last time we calculated its weight
3224          * then keep it active. We want to consume the entire region that
3225          * is associated with this weight.
3226          */
3227         if (msp->ms_activation_weight != 0 && weight != 0)
3228                 WEIGHT_SET_ACTIVE(weight, WEIGHT_GET_ACTIVE(msp->ms_weight));
3229         return (weight);
3230 }
3231
3232 /*
3233  * Determine if we should attempt to allocate from this metaslab. If the
3234  * metaslab is loaded, then we can determine if the desired allocation
3235  * can be satisfied by looking at the size of the maximum free segment
3236  * on that metaslab. Otherwise, we make our decision based on the metaslab's
3237  * weight. For segment-based weighting we can determine the maximum
3238  * allocation based on the index encoded in its value. For space-based
3239  * weights we rely on the entire weight (excluding the weight-type bit).
3240  */
3241 static boolean_t
3242 metaslab_should_allocate(metaslab_t *msp, uint64_t asize, boolean_t try_hard)
3243 {
3244         /*
3245          * This case will usually but not always get caught by the checks below;
3246          * metaslabs can be loaded by various means, including the trim and
3247          * initialize code. Once that happens, without this check they are
3248          * allocatable even before they finish their first txg sync.
3249          */
3250         if (unlikely(msp->ms_new))
3251                 return (B_FALSE);
3252
3253         /*
3254          * If the metaslab is loaded, ms_max_size is definitive and we can use
3255          * the fast check. If it's not, the ms_max_size is a lower bound (once
3256          * set), and we should use the fast check as long as we're not in
3257          * try_hard and it's been less than zfs_metaslab_max_size_cache_sec
3258          * seconds since the metaslab was unloaded.
3259          */
3260         if (msp->ms_loaded ||
3261             (msp->ms_max_size != 0 && !try_hard && gethrtime() <
3262             msp->ms_unload_time + SEC2NSEC(zfs_metaslab_max_size_cache_sec)))
3263                 return (msp->ms_max_size >= asize);
3264
3265         boolean_t should_allocate;
3266         if (!WEIGHT_IS_SPACEBASED(msp->ms_weight)) {
3267                 /*
3268                  * The metaslab segment weight indicates segments in the
3269                  * range [2^i, 2^(i+1)), where i is the index in the weight.
3270                  * Since the asize might be in the middle of the range, we
3271                  * should attempt the allocation if asize < 2^(i+1).
3272                  */
3273                 should_allocate = (asize <
3274                     1ULL << (WEIGHT_GET_INDEX(msp->ms_weight) + 1));
3275         } else {
3276                 should_allocate = (asize <=
3277                     (msp->ms_weight & ~METASLAB_WEIGHT_TYPE));
3278         }
3279
3280         return (should_allocate);
3281 }
3282
3283 static uint64_t
3284 metaslab_weight(metaslab_t *msp, boolean_t nodirty)
3285 {
3286         vdev_t *vd = msp->ms_group->mg_vd;
3287         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
3288         uint64_t weight;
3289
3290         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3291
3292         metaslab_set_fragmentation(msp, nodirty);
3293
3294         /*
3295          * Update the maximum size. If the metaslab is loaded, this will
3296          * ensure that we get an accurate maximum size if newly freed space
3297          * has been added back into the free tree. If the metaslab is
3298          * unloaded, we check if there's a larger free segment in the
3299          * unflushed frees. This is a lower bound on the largest allocatable
3300          * segment size. Coalescing of adjacent entries may reveal larger
3301          * allocatable segments, but we aren't aware of those until loading
3302          * the space map into a range tree.
3303          */
3304         if (msp->ms_loaded) {
3305                 msp->ms_max_size = metaslab_largest_allocatable(msp);
3306         } else {
3307                 msp->ms_max_size = MAX(msp->ms_max_size,
3308                     metaslab_largest_unflushed_free(msp));
3309         }
3310
3311         /*
3312          * Segment-based weighting requires space map histogram support.
3313          */
3314         if (zfs_metaslab_segment_weight_enabled &&
3315             spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM) &&
3316             (msp->ms_sm == NULL || msp->ms_sm->sm_dbuf->db_size ==
3317             sizeof (space_map_phys_t))) {
3318                 weight = metaslab_segment_weight(msp);
3319         } else {
3320                 weight = metaslab_space_weight(msp);
3321         }
3322         return (weight);
3323 }
3324
3325 void
3326 metaslab_recalculate_weight_and_sort(metaslab_t *msp)
3327 {
3328         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3329
3330         /* note: we preserve the mask (e.g. indication of primary, etc..) */
3331         uint64_t was_active = msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK;
3332         metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp,
3333             metaslab_weight(msp, B_FALSE) | was_active);
3334 }
3335
3336 static int
3337 metaslab_activate_allocator(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp,
3338     int allocator, uint64_t activation_weight)
3339 {
3340         metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[allocator];
3341         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3342
3343         /*
3344          * If we're activating for the claim code, we don't want to actually
3345          * set the metaslab up for a specific allocator.
3346          */
3347         if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_CLAIM) {
3348                 ASSERT0(msp->ms_activation_weight);
3349                 msp->ms_activation_weight = msp->ms_weight;
3350                 metaslab_group_sort(mg, msp, msp->ms_weight |
3351                     activation_weight);
3352                 return (0);
3353         }
3354
3355         metaslab_t **mspp = (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY ?
3356             &mga->mga_primary : &mga->mga_secondary);
3357
3358         mutex_enter(&mg->mg_lock);
3359         if (*mspp != NULL) {
3360                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
3361                 return (EEXIST);
3362         }
3363
3364         *mspp = msp;
3365         ASSERT3S(msp->ms_allocator, ==, -1);
3366         msp->ms_allocator = allocator;
3367         msp->ms_primary = (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY);
3368
3369         ASSERT0(msp->ms_activation_weight);
3370         msp->ms_activation_weight = msp->ms_weight;
3371         metaslab_group_sort_impl(mg, msp,
3372             msp->ms_weight | activation_weight);
3373         mutex_exit(&mg->mg_lock);
3374
3375         return (0);
3376 }
3377
3378 static int
3379 metaslab_activate(metaslab_t *msp, int allocator, uint64_t activation_weight)
3380 {
3381         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3382
3383         /*
3384          * The current metaslab is already activated for us so there
3385          * is nothing to do. Already activated though, doesn't mean
3386          * that this metaslab is activated for our allocator nor our
3387          * requested activation weight. The metaslab could have started
3388          * as an active one for our allocator but changed allocators
3389          * while we were waiting to grab its ms_lock or we stole it
3390          * [see find_valid_metaslab()]. This means that there is a
3391          * possibility of passivating a metaslab of another allocator
3392          * or from a different activation mask, from this thread.
3393          */
3394         if ((msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) != 0) {
3395                 ASSERT(msp->ms_loaded);
3396                 return (0);
3397         }
3398
3399         int error = metaslab_load(msp);
3400         if (error != 0) {
3401                 metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp, 0);
3402                 return (error);
3403         }
3404
3405         /*
3406          * When entering metaslab_load() we may have dropped the
3407          * ms_lock because we were loading this metaslab, or we
3408          * were waiting for another thread to load it for us. In
3409          * that scenario, we recheck the weight of the metaslab
3410          * to see if it was activated by another thread.
3411          *
3412          * If the metaslab was activated for another allocator or
3413          * it was activated with a different activation weight (e.g.
3414          * we wanted to make it a primary but it was activated as
3415          * secondary) we return error (EBUSY).
3416          *
3417          * If the metaslab was activated for the same allocator
3418          * and requested activation mask, skip activating it.
3419          */
3420         if ((msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) != 0) {
3421                 if (msp->ms_allocator != allocator)
3422                         return (EBUSY);
3423
3424                 if ((msp->ms_weight & activation_weight) == 0)
3425                         return (SET_ERROR(EBUSY));
3426
3427                 EQUIV((activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY),
3428                     msp->ms_primary);
3429                 return (0);
3430         }
3431
3432         /*
3433          * If the metaslab has literally 0 space, it will have weight 0. In
3434          * that case, don't bother activating it. This can happen if the
3435          * metaslab had space during find_valid_metaslab, but another thread
3436          * loaded it and used all that space while we were waiting to grab the
3437          * lock.
3438          */
3439         if (msp->ms_weight == 0) {
3440                 ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_allocatable));
3441                 return (SET_ERROR(ENOSPC));
3442         }
3443
3444         if ((error = metaslab_activate_allocator(msp->ms_group, msp,
3445             allocator, activation_weight)) != 0) {
3446                 return (error);
3447         }
3448
3449         ASSERT(msp->ms_loaded);
3450         ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
3451
3452         return (0);
3453 }
3454
3455 static void
3456 metaslab_passivate_allocator(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp,
3457     uint64_t weight)
3458 {
3459         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3460         ASSERT(msp->ms_loaded);
3461
3462         if (msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_CLAIM) {
3463                 metaslab_group_sort(mg, msp, weight);
3464                 return;
3465         }
3466
3467         mutex_enter(&mg->mg_lock);
3468         ASSERT3P(msp->ms_group, ==, mg);
3469         ASSERT3S(0, <=, msp->ms_allocator);
3470         ASSERT3U(msp->ms_allocator, <, mg->mg_allocators);
3471
3472         metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[msp->ms_allocator];
3473         if (msp->ms_primary) {
3474                 ASSERT3P(mga->mga_primary, ==, msp);
3475                 ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_PRIMARY);
3476                 mga->mga_primary = NULL;
3477         } else {
3478                 ASSERT3P(mga->mga_secondary, ==, msp);
3479                 ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_SECONDARY);
3480                 mga->mga_secondary = NULL;
3481         }
3482         msp->ms_allocator = -1;
3483         metaslab_group_sort_impl(mg, msp, weight);
3484         mutex_exit(&mg->mg_lock);
3485 }
3486
3487 static void
3488 metaslab_passivate(metaslab_t *msp, uint64_t weight)
3489 {
3490         uint64_t size __maybe_unused = weight & ~METASLAB_WEIGHT_TYPE;
3491
3492         /*
3493          * If size < SPA_MINBLOCKSIZE, then we will not allocate from
3494          * this metaslab again.  In that case, it had better be empty,
3495          * or we would be leaving space on the table.
3496          */
3497         ASSERT(!WEIGHT_IS_SPACEBASED(msp->ms_weight) ||
3498             size >= SPA_MINBLOCKSIZE ||
3499             range_tree_space(msp->ms_allocatable) == 0);
3500         ASSERT0(weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
3501
3502         ASSERT(msp->ms_activation_weight != 0);
3503         msp->ms_activation_weight = 0;
3504         metaslab_passivate_allocator(msp->ms_group, msp, weight);
3505         ASSERT0(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
3506 }
3507
3508 /*
3509  * Segment-based metaslabs are activated once and remain active until
3510  * we either fail an allocation attempt (similar to space-based metaslabs)
3511  * or have exhausted the free space in zfs_metaslab_switch_threshold
3512  * buckets since the metaslab was activated. This function checks to see
3513  * if we've exhausted the zfs_metaslab_switch_threshold buckets in the
3514  * metaslab and passivates it proactively. This will allow us to select a
3515  * metaslab with a larger contiguous region, if any, remaining within this
3516  * metaslab group. If we're in sync pass > 1, then we continue using this
3517  * metaslab so that we don't dirty more block and cause more sync passes.
3518  */
3519 static void
3520 metaslab_segment_may_passivate(metaslab_t *msp)
3521 {
3522         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
3523
3524         if (WEIGHT_IS_SPACEBASED(msp->ms_weight) || spa_sync_pass(spa) > 1)
3525                 return;
3526
3527         /*
3528          * Since we are in the middle of a sync pass, the most accurate
3529          * information that is accessible to us is the in-core range tree
3530          * histogram; calculate the new weight based on that information.
3531          */
3532         uint64_t weight = metaslab_weight_from_range_tree(msp);
3533         int activation_idx = WEIGHT_GET_INDEX(msp->ms_activation_weight);
3534         int current_idx = WEIGHT_GET_INDEX(weight);
3535
3536         if (current_idx <= activation_idx - zfs_metaslab_switch_threshold)
3537                 metaslab_passivate(msp, weight);
3538 }
3539
3540 static void
3541 metaslab_preload(void *arg)
3542 {
3543         metaslab_t *msp = arg;
3544         metaslab_class_t *mc = msp->ms_group->mg_class;
3545         spa_t *spa = mc->mc_spa;
3546         fstrans_cookie_t cookie = spl_fstrans_mark();
3547
3548         ASSERT(!MUTEX_HELD(&msp->ms_group->mg_lock));
3549
3550         mutex_enter(&msp->ms_lock);
3551         (void) metaslab_load(msp);
3552         metaslab_set_selected_txg(msp, spa_syncing_txg(spa));
3553         mutex_exit(&msp->ms_lock);
3554         spl_fstrans_unmark(cookie);
3555 }
3556
3557 static void
3558 metaslab_group_preload(metaslab_group_t *mg)
3559 {
3560         spa_t *spa = mg->mg_vd->vdev_spa;
3561         metaslab_t *msp;
3562         avl_tree_t *t = &mg->mg_metaslab_tree;
3563         int m = 0;
3564
3565         if (spa_shutting_down(spa) || !metaslab_preload_enabled)
3566                 return;
3567
3568         mutex_enter(&mg->mg_lock);
3569
3570         /*
3571          * Load the next potential metaslabs
3572          */
3573         for (msp = avl_first(t); msp != NULL; msp = AVL_NEXT(t, msp)) {
3574                 ASSERT3P(msp->ms_group, ==, mg);
3575
3576                 /*
3577                  * We preload only the maximum number of metaslabs specified
3578                  * by metaslab_preload_limit. If a metaslab is being forced
3579                  * to condense then we preload it too. This will ensure
3580                  * that force condensing happens in the next txg.
3581                  */
3582                 if (++m > metaslab_preload_limit && !msp->ms_condense_wanted) {
3583                         continue;
3584                 }
3585
3586                 VERIFY(taskq_dispatch(spa->spa_metaslab_taskq, metaslab_preload,
3587                     msp, TQ_SLEEP | (m <= mg->mg_allocators ? TQ_FRONT : 0))
3588                     != TASKQID_INVALID);
3589         }
3590         mutex_exit(&mg->mg_lock);
3591 }
3592
3593 /*
3594  * Determine if the space map's on-disk footprint is past our tolerance for
3595  * inefficiency. We would like to use the following criteria to make our
3596  * decision:
3597  *
3598  * 1. Do not condense if the size of the space map object would dramatically
3599  *    increase as a result of writing out the free space range tree.
3600  *
3601  * 2. Condense if the on on-disk space map representation is at least
3602  *    zfs_condense_pct/100 times the size of the optimal representation
3603  *    (i.e. zfs_condense_pct = 110 and in-core = 1MB, optimal = 1.1MB).
3604  *
3605  * 3. Do not condense if the on-disk size of the space map does not actually
3606  *    decrease.
3607  *
3608  * Unfortunately, we cannot compute the on-disk size of the space map in this
3609  * context because we cannot accurately compute the effects of compression, etc.
3610  * Instead, we apply the heuristic described in the block comment for
3611  * zfs_metaslab_condense_block_threshold - we only condense if the space used
3612  * is greater than a threshold number of blocks.
3613  */
3614 static boolean_t
3615 metaslab_should_condense(metaslab_t *msp)
3616 {
3617         space_map_t *sm = msp->ms_sm;
3618         vdev_t *vd = msp->ms_group->mg_vd;
3619         uint64_t vdev_blocksize = 1ULL << vd->vdev_ashift;
3620
3621         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3622         ASSERT(msp->ms_loaded);
3623         ASSERT(sm != NULL);
3624         ASSERT3U(spa_sync_pass(vd->vdev_spa), ==, 1);
3625
3626         /*
3627          * We always condense metaslabs that are empty and metaslabs for
3628          * which a condense request has been made.
3629          */
3630         if (range_tree_numsegs(msp->ms_allocatable) == 0 ||
3631             msp->ms_condense_wanted)
3632                 return (B_TRUE);
3633
3634         uint64_t record_size = MAX(sm->sm_blksz, vdev_blocksize);
3635         uint64_t object_size = space_map_length(sm);
3636         uint64_t optimal_size = space_map_estimate_optimal_size(sm,
3637             msp->ms_allocatable, SM_NO_VDEVID);
3638
3639         return (object_size >= (optimal_size * zfs_condense_pct / 100) &&
3640             object_size > zfs_metaslab_condense_block_threshold * record_size);
3641 }
3642
3643 /*
3644  * Condense the on-disk space map representation to its minimized form.
3645  * The minimized form consists of a small number of allocations followed
3646  * by the entries of the free range tree (ms_allocatable). The condensed
3647  * spacemap contains all the entries of previous TXGs (including those in
3648  * the pool-wide log spacemaps; thus this is effectively a superset of
3649  * metaslab_flush()), but this TXG's entries still need to be written.
3650  */
3651 static void
3652 metaslab_condense(metaslab_t *msp, dmu_tx_t *tx)
3653 {
3654         range_tree_t *condense_tree;
3655         space_map_t *sm = msp->ms_sm;
3656         uint64_t txg = dmu_tx_get_txg(tx);
3657         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
3658
3659         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3660         ASSERT(msp->ms_loaded);
3661         ASSERT(msp->ms_sm != NULL);
3662
3663         /*
3664          * In order to condense the space map, we need to change it so it
3665          * only describes which segments are currently allocated and free.
3666          *
3667          * All the current free space resides in the ms_allocatable, all
3668          * the ms_defer trees, and all the ms_allocating trees. We ignore
3669          * ms_freed because it is empty because we're in sync pass 1. We
3670          * ignore ms_freeing because these changes are not yet reflected
3671          * in the spacemap (they will be written later this txg).
3672          *
3673          * So to truncate the space map to represent all the entries of
3674          * previous TXGs we do the following:
3675          *
3676          * 1] We create a range tree (condense tree) that is 100% empty.
3677          * 2] We add to it all segments found in the ms_defer trees
3678          *    as those segments are marked as free in the original space
3679          *    map. We do the same with the ms_allocating trees for the same
3680          *    reason. Adding these segments should be a relatively
3681          *    inexpensive operation since we expect these trees to have a
3682          *    small number of nodes.
3683          * 3] We vacate any unflushed allocs, since they are not frees we
3684          *    need to add to the condense tree. Then we vacate any
3685          *    unflushed frees as they should already be part of ms_allocatable.
3686          * 4] At this point, we would ideally like to add all segments
3687          *    in the ms_allocatable tree from the condense tree. This way
3688          *    we would write all the entries of the condense tree as the
3689          *    condensed space map, which would only contain freed
3690          *    segments with everything else assumed to be allocated.
3691          *
3692          *    Doing so can be prohibitively expensive as ms_allocatable can
3693          *    be large, and therefore computationally expensive to add to
3694          *    the condense_tree. Instead we first sync out an entry marking
3695          *    everything as allocated, then the condense_tree and then the
3696          *    ms_allocatable, in the condensed space map. While this is not
3697          *    optimal, it is typically close to optimal and more importantly
3698          *    much cheaper to compute.
3699          *
3700          * 5] Finally, as both of the unflushed trees were written to our
3701          *    new and condensed metaslab space map, we basically flushed
3702          *    all the unflushed changes to disk, thus we call
3703          *    metaslab_flush_update().
3704          */
3705         ASSERT3U(spa_sync_pass(spa), ==, 1);
3706         ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_freed)); /* since it is pass 1 */
3707
3708         zfs_dbgmsg("condensing: txg %llu, msp[%llu] %px, vdev id %llu, "
3709             "spa %s, smp size %llu, segments %llu, forcing condense=%s",
3710             (u_longlong_t)txg, (u_longlong_t)msp->ms_id, msp,
3711             (u_longlong_t)msp->ms_group->mg_vd->vdev_id,
3712             spa->spa_name, (u_longlong_t)space_map_length(msp->ms_sm),
3713             (u_longlong_t)range_tree_numsegs(msp->ms_allocatable),
3714             msp->ms_condense_wanted ? "TRUE" : "FALSE");
3715
3716         msp->ms_condense_wanted = B_FALSE;
3717
3718         range_seg_type_t type;
3719         uint64_t shift, start;
3720         type = metaslab_calculate_range_tree_type(msp->ms_group->mg_vd, msp,
3721             &start, &shift);
3722
3723         condense_tree = range_tree_create(NULL, type, NULL, start, shift);
3724
3725         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
3726                 range_tree_walk(msp->ms_defer[t],
3727                     range_tree_add, condense_tree);
3728         }
3729
3730         for (int t = 0; t < TXG_CONCURRENT_STATES; t++) {
3731                 range_tree_walk(msp->ms_allocating[(txg + t) & TXG_MASK],
3732                     range_tree_add, condense_tree);
3733         }
3734
3735         ASSERT3U(spa->spa_unflushed_stats.sus_memused, >=,
3736             metaslab_unflushed_changes_memused(msp));
3737         spa->spa_unflushed_stats.sus_memused -=
3738             metaslab_unflushed_changes_memused(msp);
3739         range_tree_vacate(msp->ms_unflushed_allocs, NULL, NULL);
3740         range_tree_vacate(msp->ms_unflushed_frees, NULL, NULL);
3741
3742         /*
3743          * We're about to drop the metaslab's lock thus allowing other
3744          * consumers to change it's content. Set the metaslab's ms_condensing
3745          * flag to ensure that allocations on this metaslab do not occur
3746          * while we're in the middle of committing it to disk. This is only
3747          * critical for ms_allocatable as all other range trees use per TXG
3748          * views of their content.
3749          */
3750         msp->ms_condensing = B_TRUE;
3751
3752         mutex_exit(&msp->ms_lock);
3753         uint64_t object = space_map_object(msp->ms_sm);
3754         space_map_truncate(sm,
3755             spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP) ?
3756             zfs_metaslab_sm_blksz_with_log : zfs_metaslab_sm_blksz_no_log, tx);
3757
3758         /*
3759          * space_map_truncate() may have reallocated the spacemap object.
3760          * If so, update the vdev_ms_array.
3761          */
3762         if (space_map_object(msp->ms_sm) != object) {
3763                 object = space_map_object(msp->ms_sm);
3764                 dmu_write(spa->spa_meta_objset,
3765                     msp->ms_group->mg_vd->vdev_ms_array, sizeof (uint64_t) *
3766                     msp->ms_id, sizeof (uint64_t), &object, tx);
3767         }
3768
3769         /*
3770          * Note:
3771          * When the log space map feature is enabled, each space map will
3772          * always have ALLOCS followed by FREES for each sync pass. This is
3773          * typically true even when the log space map feature is disabled,
3774          * except from the case where a metaslab goes through metaslab_sync()
3775          * and gets condensed. In that case the metaslab's space map will have
3776          * ALLOCS followed by FREES (due to condensing) followed by ALLOCS
3777          * followed by FREES (due to space_map_write() in metaslab_sync()) for
3778          * sync pass 1.
3779          */
3780         range_tree_t *tmp_tree = range_tree_create(NULL, type, NULL, start,
3781             shift);
3782         range_tree_add(tmp_tree, msp->ms_start, msp->ms_size);
3783         space_map_write(sm, tmp_tree, SM_ALLOC, SM_NO_VDEVID, tx);
3784         space_map_write(sm, msp->ms_allocatable, SM_FREE, SM_NO_VDEVID, tx);
3785         space_map_write(sm, condense_tree, SM_FREE, SM_NO_VDEVID, tx);
3786
3787         range_tree_vacate(condense_tree, NULL, NULL);
3788         range_tree_destroy(condense_tree);
3789         range_tree_vacate(tmp_tree, NULL, NULL);
3790         range_tree_destroy(tmp_tree);
3791         mutex_enter(&msp->ms_lock);
3792
3793         msp->ms_condensing = B_FALSE;
3794         metaslab_flush_update(msp, tx);
3795 }
3796
3797 static void
3798 metaslab_unflushed_add(metaslab_t *msp, dmu_tx_t *tx)
3799 {
3800         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
3801         ASSERT(spa_syncing_log_sm(spa) != NULL);
3802         ASSERT(msp->ms_sm != NULL);
3803         ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_unflushed_allocs));
3804         ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_unflushed_frees));
3805
3806         mutex_enter(&spa->spa_flushed_ms_lock);
3807         metaslab_set_unflushed_txg(msp, spa_syncing_txg(spa), tx);
3808         metaslab_set_unflushed_dirty(msp, B_TRUE);
3809         avl_add(&spa->spa_metaslabs_by_flushed, msp);
3810         mutex_exit(&spa->spa_flushed_ms_lock);
3811
3812         spa_log_sm_increment_current_mscount(spa);
3813         spa_log_summary_add_flushed_metaslab(spa, B_TRUE);
3814 }
3815
3816 void
3817 metaslab_unflushed_bump(metaslab_t *msp, dmu_tx_t *tx, boolean_t dirty)
3818 {
3819         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
3820         ASSERT(spa_syncing_log_sm(spa) != NULL);
3821         ASSERT(msp->ms_sm != NULL);
3822         ASSERT(metaslab_unflushed_txg(msp) != 0);
3823         ASSERT3P(avl_find(&spa->spa_metaslabs_by_flushed, msp, NULL), ==, msp);
3824         ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_unflushed_allocs));
3825         ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_unflushed_frees));
3826
3827         VERIFY3U(tx->tx_txg, <=, spa_final_dirty_txg(spa));
3828
3829         /* update metaslab's position in our flushing tree */
3830         uint64_t ms_prev_flushed_txg = metaslab_unflushed_txg(msp);
3831         boolean_t ms_prev_flushed_dirty = metaslab_unflushed_dirty(msp);
3832         mutex_enter(&spa->spa_flushed_ms_lock);
3833         avl_remove(&spa->spa_metaslabs_by_flushed, msp);
3834         metaslab_set_unflushed_txg(msp, spa_syncing_txg(spa), tx);
3835         metaslab_set_unflushed_dirty(msp, dirty);
3836         avl_add(&spa->spa_metaslabs_by_flushed, msp);
3837         mutex_exit(&spa->spa_flushed_ms_lock);
3838
3839         /* update metaslab counts of spa_log_sm_t nodes */
3840         spa_log_sm_decrement_mscount(spa, ms_prev_flushed_txg);
3841         spa_log_sm_increment_current_mscount(spa);
3842
3843         /* update log space map summary */
3844         spa_log_summary_decrement_mscount(spa, ms_prev_flushed_txg,
3845             ms_prev_flushed_dirty);
3846         spa_log_summary_add_flushed_metaslab(spa, dirty);
3847
3848         /* cleanup obsolete logs if any */
3849         spa_cleanup_old_sm_logs(spa, tx);
3850 }
3851
3852 /*
3853  * Called when the metaslab has been flushed (its own spacemap now reflects
3854  * all the contents of the pool-wide spacemap log). Updates the metaslab's
3855  * metadata and any pool-wide related log space map data (e.g. summary,
3856  * obsolete logs, etc..) to reflect that.
3857  */
3858 static void
3859 metaslab_flush_update(metaslab_t *msp, dmu_tx_t *tx)
3860 {
3861         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
3862         spa_t *spa = mg->mg_vd->vdev_spa;
3863
3864         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3865
3866         ASSERT3U(spa_sync_pass(spa), ==, 1);
3867
3868         /*
3869          * Just because a metaslab got flushed, that doesn't mean that
3870          * it will pass through metaslab_sync_done(). Thus, make sure to
3871          * update ms_synced_length here in case it doesn't.
3872          */
3873         msp->ms_synced_length = space_map_length(msp->ms_sm);
3874
3875         /*
3876          * We may end up here from metaslab_condense() without the
3877          * feature being active. In that case this is a no-op.
3878          */
3879         if (!spa_feature_is_active(spa, SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP) ||
3880             metaslab_unflushed_txg(msp) == 0)
3881                 return;
3882
3883         metaslab_unflushed_bump(msp, tx, B_FALSE);
3884 }
3885
3886 boolean_t
3887 metaslab_flush(metaslab_t *msp, dmu_tx_t *tx)
3888 {
3889         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
3890
3891         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
3892         ASSERT3U(spa_sync_pass(spa), ==, 1);
3893         ASSERT(spa_feature_is_active(spa, SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP));
3894
3895         ASSERT(msp->ms_sm != NULL);
3896         ASSERT(metaslab_unflushed_txg(msp) != 0);
3897         ASSERT(avl_find(&spa->spa_metaslabs_by_flushed, msp, NULL) != NULL);
3898
3899         /*
3900          * There is nothing wrong with flushing the same metaslab twice, as
3901          * this codepath should work on that case. However, the current
3902          * flushing scheme makes sure to avoid this situation as we would be
3903          * making all these calls without having anything meaningful to write
3904          * to disk. We assert this behavior here.
3905          */
3906         ASSERT3U(metaslab_unflushed_txg(msp), <, dmu_tx_get_txg(tx));
3907
3908         /*
3909          * We can not flush while loading, because then we would
3910          * not load the ms_unflushed_{allocs,frees}.
3911          */
3912         if (msp->ms_loading)
3913                 return (B_FALSE);
3914
3915         metaslab_verify_space(msp, dmu_tx_get_txg(tx));
3916         metaslab_verify_weight_and_frag(msp);
3917
3918         /*
3919          * Metaslab condensing is effectively flushing. Therefore if the
3920          * metaslab can be condensed we can just condense it instead of
3921          * flushing it.
3922          *
3923          * Note that metaslab_condense() does call metaslab_flush_update()
3924          * so we can just return immediately after condensing. We also
3925          * don't need to care about setting ms_flushing or broadcasting
3926          * ms_flush_cv, even if we temporarily drop the ms_lock in
3927          * metaslab_condense(), as the metaslab is already loaded.
3928          */
3929         if (msp->ms_loaded && metaslab_should_condense(msp)) {
3930                 metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
3931
3932                 /*
3933                  * For all histogram operations below refer to the
3934                  * comments of metaslab_sync() where we follow a
3935                  * similar procedure.
3936                  */
3937                 metaslab_group_histogram_verify(mg);
3938                 metaslab_class_histogram_verify(mg->mg_class);
3939                 metaslab_group_histogram_remove(mg, msp);
3940
3941                 metaslab_condense(msp, tx);
3942
3943                 space_map_histogram_clear(msp->ms_sm);
3944                 space_map_histogram_add(msp->ms_sm, msp->ms_allocatable, tx);
3945                 ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_freed));
3946                 for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
3947                         space_map_histogram_add(msp->ms_sm,
3948                             msp->ms_defer[t], tx);
3949                 }
3950                 metaslab_aux_histograms_update(msp);
3951
3952                 metaslab_group_histogram_add(mg, msp);
3953                 metaslab_group_histogram_verify(mg);
3954                 metaslab_class_histogram_verify(mg->mg_class);
3955
3956                 metaslab_verify_space(msp, dmu_tx_get_txg(tx));
3957
3958                 /*
3959                  * Since we recreated the histogram (and potentially
3960                  * the ms_sm too while condensing) ensure that the
3961                  * weight is updated too because we are not guaranteed
3962                  * that this metaslab is dirty and will go through
3963                  * metaslab_sync_done().
3964                  */
3965                 metaslab_recalculate_weight_and_sort(msp);
3966                 return (B_TRUE);
3967         }
3968
3969         msp->ms_flushing = B_TRUE;
3970         uint64_t sm_len_before = space_map_length(msp->ms_sm);
3971
3972         mutex_exit(&msp->ms_lock);
3973         space_map_write(msp->ms_sm, msp->ms_unflushed_allocs, SM_ALLOC,
3974             SM_NO_VDEVID, tx);
3975         space_map_write(msp->ms_sm, msp->ms_unflushed_frees, SM_FREE,
3976             SM_NO_VDEVID, tx);
3977         mutex_enter(&msp->ms_lock);
3978
3979         uint64_t sm_len_after = space_map_length(msp->ms_sm);
3980         if (zfs_flags & ZFS_DEBUG_LOG_SPACEMAP) {
3981                 zfs_dbgmsg("flushing: txg %llu, spa %s, vdev_id %llu, "
3982                     "ms_id %llu, unflushed_allocs %llu, unflushed_frees %llu, "
3983                     "appended %llu bytes", (u_longlong_t)dmu_tx_get_txg(tx),
3984                     spa_name(spa),
3985                     (u_longlong_t)msp->ms_group->mg_vd->vdev_id,
3986                     (u_longlong_t)msp->ms_id,
3987                     (u_longlong_t)range_tree_space(msp->ms_unflushed_allocs),
3988                     (u_longlong_t)range_tree_space(msp->ms_unflushed_frees),
3989                     (u_longlong_t)(sm_len_after - sm_len_before));
3990         }
3991
3992         ASSERT3U(spa->spa_unflushed_stats.sus_memused, >=,
3993             metaslab_unflushed_changes_memused(msp));
3994         spa->spa_unflushed_stats.sus_memused -=
3995             metaslab_unflushed_changes_memused(msp);
3996         range_tree_vacate(msp->ms_unflushed_allocs, NULL, NULL);
3997         range_tree_vacate(msp->ms_unflushed_frees, NULL, NULL);
3998
3999         metaslab_verify_space(msp, dmu_tx_get_txg(tx));
4000         metaslab_verify_weight_and_frag(msp);
4001
4002         metaslab_flush_update(msp, tx);
4003
4004         metaslab_verify_space(msp, dmu_tx_get_txg(tx));
4005         metaslab_verify_weight_and_frag(msp);
4006
4007         msp->ms_flushing = B_FALSE;
4008         cv_broadcast(&msp->ms_flush_cv);
4009         return (B_TRUE);
4010 }
4011
4012 /*
4013  * Write a metaslab to disk in the context of the specified transaction group.
4014  */
4015 void
4016 metaslab_sync(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
4017 {
4018         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
4019         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
4020         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
4021         objset_t *mos = spa_meta_objset(spa);
4022         range_tree_t *alloctree = msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK];
4023         dmu_tx_t *tx;
4024
4025         ASSERT(!vd->vdev_ishole);
4026
4027         /*
4028          * This metaslab has just been added so there's no work to do now.
4029          */
4030         if (msp->ms_new) {
4031                 ASSERT0(range_tree_space(alloctree));
4032                 ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freeing));
4033                 ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freed));
4034                 ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_checkpointing));
4035                 ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_trim));
4036                 return;
4037         }
4038
4039         /*
4040          * Normally, we don't want to process a metaslab if there are no
4041          * allocations or frees to perform. However, if the metaslab is being
4042          * forced to condense, it's loaded and we're not beyond the final
4043          * dirty txg, we need to let it through. Not condensing beyond the
4044          * final dirty txg prevents an issue where metaslabs that need to be
4045          * condensed but were loaded for other reasons could cause a panic
4046          * here. By only checking the txg in that branch of the conditional,
4047          * we preserve the utility of the VERIFY statements in all other
4048          * cases.
4049          */
4050         if (range_tree_is_empty(alloctree) &&
4051             range_tree_is_empty(msp->ms_freeing) &&
4052             range_tree_is_empty(msp->ms_checkpointing) &&
4053             !(msp->ms_loaded && msp->ms_condense_wanted &&
4054             txg <= spa_final_dirty_txg(spa)))
4055                 return;
4056
4057
4058         VERIFY3U(txg, <=, spa_final_dirty_txg(spa));
4059
4060         /*
4061          * The only state that can actually be changing concurrently
4062          * with metaslab_sync() is the metaslab's ms_allocatable. No
4063          * other thread can be modifying this txg's alloc, freeing,
4064          * freed, or space_map_phys_t.  We drop ms_lock whenever we
4065          * could call into the DMU, because the DMU can call down to
4066          * us (e.g. via zio_free()) at any time.
4067          *
4068          * The spa_vdev_remove_thread() can be reading metaslab state
4069          * concurrently, and it is locked out by the ms_sync_lock.
4070          * Note that the ms_lock is insufficient for this, because it
4071          * is dropped by space_map_write().
4072          */
4073         tx = dmu_tx_create_assigned(spa_get_dsl(spa), txg);
4074
4075         /*
4076          * Generate a log space map if one doesn't exist already.
4077          */
4078         spa_generate_syncing_log_sm(spa, tx);
4079
4080         if (msp->ms_sm == NULL) {
4081                 uint64_t new_object = space_map_alloc(mos,
4082                     spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP) ?
4083                     zfs_metaslab_sm_blksz_with_log :
4084                     zfs_metaslab_sm_blksz_no_log, tx);
4085                 VERIFY3U(new_object, !=, 0);
4086
4087                 dmu_write(mos, vd->vdev_ms_array, sizeof (uint64_t) *
4088                     msp->ms_id, sizeof (uint64_t), &new_object, tx);
4089
4090                 VERIFY0(space_map_open(&msp->ms_sm, mos, new_object,
4091                     msp->ms_start, msp->ms_size, vd->vdev_ashift));
4092                 ASSERT(msp->ms_sm != NULL);
4093
4094                 ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_unflushed_allocs));
4095                 ASSERT(range_tree_is_empty(msp->ms_unflushed_frees));
4096                 ASSERT0(metaslab_allocated_space(msp));
4097         }
4098
4099         if (!range_tree_is_empty(msp->ms_checkpointing) &&
4100             vd->vdev_checkpoint_sm == NULL) {
4101                 ASSERT(spa_has_checkpoint(spa));
4102
4103                 uint64_t new_object = space_map_alloc(mos,
4104                     zfs_vdev_standard_sm_blksz, tx);
4105                 VERIFY3U(new_object, !=, 0);
4106
4107                 VERIFY0(space_map_open(&vd->vdev_checkpoint_sm,
4108                     mos, new_object, 0, vd->vdev_asize, vd->vdev_ashift));
4109                 ASSERT3P(vd->vdev_checkpoint_sm, !=, NULL);
4110
4111                 /*
4112                  * We save the space map object as an entry in vdev_top_zap
4113                  * so it can be retrieved when the pool is reopened after an
4114                  * export or through zdb.
4115                  */
4116                 VERIFY0(zap_add(vd->vdev_spa->spa_meta_objset,
4117                     vd->vdev_top_zap, VDEV_TOP_ZAP_POOL_CHECKPOINT_SM,
4118                     sizeof (new_object), 1, &new_object, tx));
4119         }
4120
4121         mutex_enter(&msp->ms_sync_lock);
4122         mutex_enter(&msp->ms_lock);
4123
4124         /*
4125          * Note: metaslab_condense() clears the space map's histogram.
4126          * Therefore we must verify and remove this histogram before
4127          * condensing.
4128          */
4129         metaslab_group_histogram_verify(mg);
4130         metaslab_class_histogram_verify(mg->mg_class);
4131         metaslab_group_histogram_remove(mg, msp);
4132
4133         if (spa->spa_sync_pass == 1 && msp->ms_loaded &&
4134             metaslab_should_condense(msp))
4135                 metaslab_condense(msp, tx);
4136
4137         /*
4138          * We'll be going to disk to sync our space accounting, thus we
4139          * drop the ms_lock during that time so allocations coming from
4140          * open-context (ZIL) for future TXGs do not block.
4141          */
4142         mutex_exit(&msp->ms_lock);
4143         space_map_t *log_sm = spa_syncing_log_sm(spa);
4144         if (log_sm != NULL) {
4145                 ASSERT(spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP));
4146                 if (metaslab_unflushed_txg(msp) == 0)
4147                         metaslab_unflushed_add(msp, tx);
4148                 else if (!metaslab_unflushed_dirty(msp))
4149                         metaslab_unflushed_bump(msp, tx, B_TRUE);
4150
4151                 space_map_write(log_sm, alloctree, SM_ALLOC,
4152                     vd->vdev_id, tx);
4153                 space_map_write(log_sm, msp->ms_freeing, SM_FREE,
4154                     vd->vdev_id, tx);
4155                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
4156
4157                 ASSERT3U(spa->spa_unflushed_stats.sus_memused, >=,
4158                     metaslab_unflushed_changes_memused(msp));
4159                 spa->spa_unflushed_stats.sus_memused -=
4160                     metaslab_unflushed_changes_memused(msp);
4161                 range_tree_remove_xor_add(alloctree,
4162                     msp->ms_unflushed_frees, msp->ms_unflushed_allocs);
4163                 range_tree_remove_xor_add(msp->ms_freeing,
4164                     msp->ms_unflushed_allocs, msp->ms_unflushed_frees);
4165                 spa->spa_unflushed_stats.sus_memused +=
4166                     metaslab_unflushed_changes_memused(msp);
4167         } else {
4168                 ASSERT(!spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP));
4169
4170                 space_map_write(msp->ms_sm, alloctree, SM_ALLOC,
4171                     SM_NO_VDEVID, tx);
4172                 space_map_write(msp->ms_sm, msp->ms_freeing, SM_FREE,
4173                     SM_NO_VDEVID, tx);
4174                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
4175         }
4176
4177         msp->ms_allocated_space += range_tree_space(alloctree);
4178         ASSERT3U(msp->ms_allocated_space, >=,
4179             range_tree_space(msp->ms_freeing));
4180         msp->ms_allocated_space -= range_tree_space(msp->ms_freeing);
4181
4182         if (!range_tree_is_empty(msp->ms_checkpointing)) {
4183                 ASSERT(spa_has_checkpoint(spa));
4184                 ASSERT3P(vd->vdev_checkpoint_sm, !=, NULL);
4185
4186                 /*
4187                  * Since we are doing writes to disk and the ms_checkpointing
4188                  * tree won't be changing during that time, we drop the
4189                  * ms_lock while writing to the checkpoint space map, for the
4190                  * same reason mentioned above.
4191                  */
4192                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
4193                 space_map_write(vd->vdev_checkpoint_sm,
4194                     msp->ms_checkpointing, SM_FREE, SM_NO_VDEVID, tx);
4195                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
4196
4197                 spa->spa_checkpoint_info.sci_dspace +=
4198                     range_tree_space(msp->ms_checkpointing);
4199                 vd->vdev_stat.vs_checkpoint_space +=
4200                     range_tree_space(msp->ms_checkpointing);
4201                 ASSERT3U(vd->vdev_stat.vs_checkpoint_space, ==,
4202                     -space_map_allocated(vd->vdev_checkpoint_sm));
4203
4204                 range_tree_vacate(msp->ms_checkpointing, NULL, NULL);
4205         }
4206
4207         if (msp->ms_loaded) {
4208                 /*
4209                  * When the space map is loaded, we have an accurate
4210                  * histogram in the range tree. This gives us an opportunity
4211                  * to bring the space map's histogram up-to-date so we clear
4212                  * it first before updating it.
4213                  */
4214                 space_map_histogram_clear(msp->ms_sm);
4215                 space_map_histogram_add(msp->ms_sm, msp->ms_allocatable, tx);
4216
4217                 /*
4218                  * Since we've cleared the histogram we need to add back
4219                  * any free space that has already been processed, plus
4220                  * any deferred space. This allows the on-disk histogram
4221                  * to accurately reflect all free space even if some space
4222                  * is not yet available for allocation (i.e. deferred).
4223                  */
4224                 space_map_histogram_add(msp->ms_sm, msp->ms_freed, tx);
4225
4226                 /*
4227                  * Add back any deferred free space that has not been
4228                  * added back into the in-core free tree yet. This will
4229                  * ensure that we don't end up with a space map histogram
4230                  * that is completely empty unless the metaslab is fully
4231                  * allocated.
4232                  */
4233                 for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
4234                         space_map_histogram_add(msp->ms_sm,
4235                             msp->ms_defer[t], tx);
4236                 }
4237         }
4238
4239         /*
4240          * Always add the free space from this sync pass to the space
4241          * map histogram. We want to make sure that the on-disk histogram
4242          * accounts for all free space. If the space map is not loaded,
4243          * then we will lose some accuracy but will correct it the next
4244          * time we load the space map.
4245          */
4246         space_map_histogram_add(msp->ms_sm, msp->ms_freeing, tx);
4247         metaslab_aux_histograms_update(msp);
4248
4249         metaslab_group_histogram_add(mg, msp);
4250         metaslab_group_histogram_verify(mg);
4251         metaslab_class_histogram_verify(mg->mg_class);
4252
4253         /*
4254          * For sync pass 1, we avoid traversing this txg's free range tree
4255          * and instead will just swap the pointers for freeing and freed.
4256          * We can safely do this since the freed_tree is guaranteed to be
4257          * empty on the initial pass.
4258          *
4259          * Keep in mind that even if we are currently using a log spacemap
4260          * we want current frees to end up in the ms_allocatable (but not
4261          * get appended to the ms_sm) so their ranges can be reused as usual.
4262          */
4263         if (spa_sync_pass(spa) == 1) {
4264                 range_tree_swap(&msp->ms_freeing, &msp->ms_freed);
4265                 ASSERT0(msp->ms_allocated_this_txg);
4266         } else {
4267                 range_tree_vacate(msp->ms_freeing,
4268                     range_tree_add, msp->ms_freed);
4269         }
4270         msp->ms_allocated_this_txg += range_tree_space(alloctree);
4271         range_tree_vacate(alloctree, NULL, NULL);
4272
4273         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK]));
4274         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_allocating[TXG_CLEAN(txg)
4275             & TXG_MASK]));
4276         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freeing));
4277         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_checkpointing));
4278
4279         mutex_exit(&msp->ms_lock);
4280
4281         /*
4282          * Verify that the space map object ID has been recorded in the
4283          * vdev_ms_array.
4284          */
4285         uint64_t object;
4286         VERIFY0(dmu_read(mos, vd->vdev_ms_array,
4287             msp->ms_id * sizeof (uint64_t), sizeof (uint64_t), &object, 0));
4288         VERIFY3U(object, ==, space_map_object(msp->ms_sm));
4289
4290         mutex_exit(&msp->ms_sync_lock);
4291         dmu_tx_commit(tx);
4292 }
4293
4294 static void
4295 metaslab_evict(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
4296 {
4297         if (!msp->ms_loaded || msp->ms_disabled != 0)
4298                 return;
4299
4300         for (int t = 1; t < TXG_CONCURRENT_STATES; t++) {
4301                 VERIFY0(range_tree_space(
4302                     msp->ms_allocating[(txg + t) & TXG_MASK]));
4303         }
4304         if (msp->ms_allocator != -1)
4305                 metaslab_passivate(msp, msp->ms_weight & ~METASLAB_ACTIVE_MASK);
4306
4307         if (!metaslab_debug_unload)
4308                 metaslab_unload(msp);
4309 }
4310
4311 /*
4312  * Called after a transaction group has completely synced to mark
4313  * all of the metaslab's free space as usable.
4314  */
4315 void
4316 metaslab_sync_done(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
4317 {
4318         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
4319         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
4320         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
4321         range_tree_t **defer_tree;
4322         int64_t alloc_delta, defer_delta;
4323         boolean_t defer_allowed = B_TRUE;
4324
4325         ASSERT(!vd->vdev_ishole);
4326
4327         mutex_enter(&msp->ms_lock);
4328
4329         if (msp->ms_new) {
4330                 /* this is a new metaslab, add its capacity to the vdev */
4331                 metaslab_space_update(vd, mg->mg_class, 0, 0, msp->ms_size);
4332
4333                 /* there should be no allocations nor frees at this point */
4334                 VERIFY0(msp->ms_allocated_this_txg);
4335                 VERIFY0(range_tree_space(msp->ms_freed));
4336         }
4337
4338         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freeing));
4339         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_checkpointing));
4340
4341         defer_tree = &msp->ms_defer[txg % TXG_DEFER_SIZE];
4342
4343         uint64_t free_space = metaslab_class_get_space(spa_normal_class(spa)) -
4344             metaslab_class_get_alloc(spa_normal_class(spa));
4345         if (free_space <= spa_get_slop_space(spa) || vd->vdev_removing) {
4346                 defer_allowed = B_FALSE;
4347         }
4348
4349         defer_delta = 0;
4350         alloc_delta = msp->ms_allocated_this_txg -
4351             range_tree_space(msp->ms_freed);
4352
4353         if (defer_allowed) {
4354                 defer_delta = range_tree_space(msp->ms_freed) -
4355                     range_tree_space(*defer_tree);
4356         } else {
4357                 defer_delta -= range_tree_space(*defer_tree);
4358         }
4359         metaslab_space_update(vd, mg->mg_class, alloc_delta + defer_delta,
4360             defer_delta, 0);
4361
4362         if (spa_syncing_log_sm(spa) == NULL) {
4363                 /*
4364                  * If there's a metaslab_load() in progress and we don't have
4365                  * a log space map, it means that we probably wrote to the
4366                  * metaslab's space map. If this is the case, we need to
4367                  * make sure that we wait for the load to complete so that we
4368                  * have a consistent view at the in-core side of the metaslab.
4369                  */
4370                 metaslab_load_wait(msp);
4371         } else {
4372                 ASSERT(spa_feature_is_active(spa, SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP));
4373         }
4374
4375         /*
4376          * When auto-trimming is enabled, free ranges which are added to
4377          * ms_allocatable are also be added to ms_trim.  The ms_trim tree is
4378          * periodically consumed by the vdev_autotrim_thread() which issues
4379          * trims for all ranges and then vacates the tree.  The ms_trim tree
4380          * can be discarded at any time with the sole consequence of recent
4381          * frees not being trimmed.
4382          */
4383         if (spa_get_autotrim(spa) == SPA_AUTOTRIM_ON) {
4384                 range_tree_walk(*defer_tree, range_tree_add, msp->ms_trim);
4385                 if (!defer_allowed) {
4386                         range_tree_walk(msp->ms_freed, range_tree_add,
4387                             msp->ms_trim);
4388                 }
4389         } else {
4390                 range_tree_vacate(msp->ms_trim, NULL, NULL);
4391         }
4392
4393         /*
4394          * Move the frees from the defer_tree back to the free
4395          * range tree (if it's loaded). Swap the freed_tree and
4396          * the defer_tree -- this is safe to do because we've
4397          * just emptied out the defer_tree.
4398          */
4399         range_tree_vacate(*defer_tree,
4400             msp->ms_loaded ? range_tree_add : NULL, msp->ms_allocatable);
4401         if (defer_allowed) {
4402                 range_tree_swap(&msp->ms_freed, defer_tree);
4403         } else {
4404                 range_tree_vacate(msp->ms_freed,
4405                     msp->ms_loaded ? range_tree_add : NULL,
4406                     msp->ms_allocatable);
4407         }
4408
4409         msp->ms_synced_length = space_map_length(msp->ms_sm);
4410
4411         msp->ms_deferspace += defer_delta;
4412         ASSERT3S(msp->ms_deferspace, >=, 0);
4413         ASSERT3S(msp->ms_deferspace, <=, msp->ms_size);
4414         if (msp->ms_deferspace != 0) {
4415                 /*
4416                  * Keep syncing this metaslab until all deferred frees
4417                  * are back in circulation.
4418                  */
4419                 vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg + 1);
4420         }
4421         metaslab_aux_histograms_update_done(msp, defer_allowed);
4422
4423         if (msp->ms_new) {
4424                 msp->ms_new = B_FALSE;
4425                 mutex_enter(&mg->mg_lock);
4426                 mg->mg_ms_ready++;
4427                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
4428         }
4429
4430         /*
4431          * Re-sort metaslab within its group now that we've adjusted
4432          * its allocatable space.
4433          */
4434         metaslab_recalculate_weight_and_sort(msp);
4435
4436         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK]));
4437         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freeing));
4438         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freed));
4439         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_checkpointing));
4440         msp->ms_allocating_total -= msp->ms_allocated_this_txg;
4441         msp->ms_allocated_this_txg = 0;
4442         mutex_exit(&msp->ms_lock);
4443 }
4444
4445 void
4446 metaslab_sync_reassess(metaslab_group_t *mg)
4447 {
4448         spa_t *spa = mg->mg_class->mc_spa;
4449
4450         spa_config_enter(spa, SCL_ALLOC, FTAG, RW_READER);
4451         metaslab_group_alloc_update(mg);
4452         mg->mg_fragmentation = metaslab_group_fragmentation(mg);
4453
4454         /*
4455          * Preload the next potential metaslabs but only on active
4456          * metaslab groups. We can get into a state where the metaslab
4457          * is no longer active since we dirty metaslabs as we remove a
4458          * a device, thus potentially making the metaslab group eligible
4459          * for preloading.
4460          */
4461         if (mg->mg_activation_count > 0) {
4462                 metaslab_group_preload(mg);
4463         }
4464         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
4465 }
4466
4467 /*
4468  * When writing a ditto block (i.e. more than one DVA for a given BP) on
4469  * the same vdev as an existing DVA of this BP, then try to allocate it
4470  * on a different metaslab than existing DVAs (i.e. a unique metaslab).
4471  */
4472 static boolean_t
4473 metaslab_is_unique(metaslab_t *msp, dva_t *dva)
4474 {
4475         uint64_t dva_ms_id;
4476
4477         if (DVA_GET_ASIZE(dva) == 0)
4478                 return (B_TRUE);
4479
4480         if (msp->ms_group->mg_vd->vdev_id != DVA_GET_VDEV(dva))
4481                 return (B_TRUE);
4482
4483         dva_ms_id = DVA_GET_OFFSET(dva) >> msp->ms_group->mg_vd->vdev_ms_shift;
4484
4485         return (msp->ms_id != dva_ms_id);
4486 }
4487
4488 /*
4489  * ==========================================================================
4490  * Metaslab allocation tracing facility
4491  * ==========================================================================
4492  */
4493
4494 /*
4495  * Add an allocation trace element to the allocation tracing list.
4496  */
4497 static void
4498 metaslab_trace_add(zio_alloc_list_t *zal, metaslab_group_t *mg,
4499     metaslab_t *msp, uint64_t psize, uint32_t dva_id, uint64_t offset,
4500     int allocator)
4501 {
4502         metaslab_alloc_trace_t *mat;
4503
4504         if (!metaslab_trace_enabled)
4505                 return;
4506
4507         /*
4508          * When the tracing list reaches its maximum we remove
4509          * the second element in the list before adding a new one.
4510          * By removing the second element we preserve the original
4511          * entry as a clue to what allocations steps have already been
4512          * performed.
4513          */
4514         if (zal->zal_size == metaslab_trace_max_entries) {
4515                 metaslab_alloc_trace_t *mat_next;
4516 #ifdef ZFS_DEBUG
4517                 panic("too many entries in allocation list");
4518 #endif
4519                 METASLABSTAT_BUMP(metaslabstat_trace_over_limit);
4520                 zal->zal_size--;
4521                 mat_next = list_next(&zal->zal_list, list_head(&zal->zal_list));
4522                 list_remove(&zal->zal_list, mat_next);
4523                 kmem_cache_free(metaslab_alloc_trace_cache, mat_next);
4524         }
4525
4526         mat = kmem_cache_alloc(metaslab_alloc_trace_cache, KM_SLEEP);
4527         list_link_init(&mat->mat_list_node);
4528         mat->mat_mg = mg;
4529         mat->mat_msp = msp;
4530         mat->mat_size = psize;
4531         mat->mat_dva_id = dva_id;
4532         mat->mat_offset = offset;
4533         mat->mat_weight = 0;
4534         mat->mat_allocator = allocator;
4535
4536         if (msp != NULL)
4537                 mat->mat_weight = msp->ms_weight;
4538
4539         /*
4540          * The list is part of the zio so locking is not required. Only
4541          * a single thread will perform allocations for a given zio.
4542          */
4543         list_insert_tail(&zal->zal_list, mat);
4544         zal->zal_size++;
4545
4546         ASSERT3U(zal->zal_size, <=, metaslab_trace_max_entries);
4547 }
4548
4549 void
4550 metaslab_trace_init(zio_alloc_list_t *zal)
4551 {
4552         list_create(&zal->zal_list, sizeof (metaslab_alloc_trace_t),
4553             offsetof(metaslab_alloc_trace_t, mat_list_node));
4554         zal->zal_size = 0;
4555 }
4556
4557 void
4558 metaslab_trace_fini(zio_alloc_list_t *zal)
4559 {
4560         metaslab_alloc_trace_t *mat;
4561
4562         while ((mat = list_remove_head(&zal->zal_list)) != NULL)
4563                 kmem_cache_free(metaslab_alloc_trace_cache, mat);
4564         list_destroy(&zal->zal_list);
4565         zal->zal_size = 0;
4566 }
4567
4568 /*
4569  * ==========================================================================
4570  * Metaslab block operations
4571  * ==========================================================================
4572  */
4573
4574 static void
4575 metaslab_group_alloc_increment(spa_t *spa, uint64_t vdev, const void *tag,
4576     int flags, int allocator)
4577 {
4578         if (!(flags & METASLAB_ASYNC_ALLOC) ||
4579             (flags & METASLAB_DONT_THROTTLE))
4580                 return;
4581
4582         metaslab_group_t *mg = vdev_lookup_top(spa, vdev)->vdev_mg;
4583         if (!mg->mg_class->mc_alloc_throttle_enabled)
4584                 return;
4585
4586         metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[allocator];
4587         (void) zfs_refcount_add(&mga->mga_alloc_queue_depth, tag);
4588 }
4589
4590 static void
4591 metaslab_group_increment_qdepth(metaslab_group_t *mg, int allocator)
4592 {
4593         metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[allocator];
4594         metaslab_class_allocator_t *mca =
4595             &mg->mg_class->mc_allocator[allocator];
4596         uint64_t max = mg->mg_max_alloc_queue_depth;
4597         uint64_t cur = mga->mga_cur_max_alloc_queue_depth;
4598         while (cur < max) {
4599                 if (atomic_cas_64(&mga->mga_cur_max_alloc_queue_depth,
4600                     cur, cur + 1) == cur) {
4601                         atomic_inc_64(&mca->mca_alloc_max_slots);
4602                         return;
4603                 }
4604                 cur = mga->mga_cur_max_alloc_queue_depth;
4605         }
4606 }
4607
4608 void
4609 metaslab_group_alloc_decrement(spa_t *spa, uint64_t vdev, const void *tag,
4610     int flags, int allocator, boolean_t io_complete)
4611 {
4612         if (!(flags & METASLAB_ASYNC_ALLOC) ||
4613             (flags & METASLAB_DONT_THROTTLE))
4614                 return;
4615
4616         metaslab_group_t *mg = vdev_lookup_top(spa, vdev)->vdev_mg;
4617         if (!mg->mg_class->mc_alloc_throttle_enabled)
4618                 return;
4619
4620         metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[allocator];
4621         (void) zfs_refcount_remove(&mga->mga_alloc_queue_depth, tag);
4622         if (io_complete)
4623                 metaslab_group_increment_qdepth(mg, allocator);
4624 }
4625
4626 void
4627 metaslab_group_alloc_verify(spa_t *spa, const blkptr_t *bp, const void *tag,
4628     int allocator)
4629 {
4630 #ifdef ZFS_DEBUG
4631         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
4632         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
4633
4634         for (int d = 0; d < ndvas; d++) {
4635                 uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(&dva[d]);
4636                 metaslab_group_t *mg = vdev_lookup_top(spa, vdev)->vdev_mg;
4637                 metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[allocator];
4638                 VERIFY(zfs_refcount_not_held(&mga->mga_alloc_queue_depth, tag));
4639         }
4640 #endif
4641 }
4642
4643 static uint64_t
4644 metaslab_block_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size, uint64_t txg)
4645 {
4646         uint64_t start;
4647         range_tree_t *rt = msp->ms_allocatable;
4648         metaslab_class_t *mc = msp->ms_group->mg_class;
4649
4650         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
4651         VERIFY(!msp->ms_condensing);
4652         VERIFY0(msp->ms_disabled);
4653
4654         start = mc->mc_ops->msop_alloc(msp, size);
4655         if (start != -1ULL) {
4656                 metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
4657                 vdev_t *vd = mg->mg_vd;
4658
4659                 VERIFY0(P2PHASE(start, 1ULL << vd->vdev_ashift));
4660                 VERIFY0(P2PHASE(size, 1ULL << vd->vdev_ashift));
4661                 VERIFY3U(range_tree_space(rt) - size, <=, msp->ms_size);
4662                 range_tree_remove(rt, start, size);
4663                 range_tree_clear(msp->ms_trim, start, size);
4664
4665                 if (range_tree_is_empty(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK]))
4666                         vdev_dirty(mg->mg_vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
4667
4668                 range_tree_add(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK], start, size);
4669                 msp->ms_allocating_total += size;
4670
4671                 /* Track the last successful allocation */
4672                 msp->ms_alloc_txg = txg;
4673                 metaslab_verify_space(msp, txg);
4674         }
4675
4676         /*
4677          * Now that we've attempted the allocation we need to update the
4678          * metaslab's maximum block size since it may have changed.
4679          */
4680         msp->ms_max_size = metaslab_largest_allocatable(msp);
4681         return (start);
4682 }
4683
4684 /*
4685  * Find the metaslab with the highest weight that is less than what we've
4686  * already tried.  In the common case, this means that we will examine each
4687  * metaslab at most once. Note that concurrent callers could reorder metaslabs
4688  * by activation/passivation once we have dropped the mg_lock. If a metaslab is
4689  * activated by another thread, and we fail to allocate from the metaslab we
4690  * have selected, we may not try the newly-activated metaslab, and instead
4691  * activate another metaslab.  This is not optimal, but generally does not cause
4692  * any problems (a possible exception being if every metaslab is completely full
4693  * except for the newly-activated metaslab which we fail to examine).
4694  */
4695 static metaslab_t *
4696 find_valid_metaslab(metaslab_group_t *mg, uint64_t activation_weight,
4697     dva_t *dva, int d, boolean_t want_unique, uint64_t asize, int allocator,
4698     boolean_t try_hard, zio_alloc_list_t *zal, metaslab_t *search,
4699     boolean_t *was_active)
4700 {
4701         avl_index_t idx;
4702         avl_tree_t *t = &mg->mg_metaslab_tree;
4703         metaslab_t *msp = avl_find(t, search, &idx);
4704         if (msp == NULL)
4705                 msp = avl_nearest(t, idx, AVL_AFTER);
4706
4707         uint_t tries = 0;
4708         for (; msp != NULL; msp = AVL_NEXT(t, msp)) {
4709                 int i;
4710
4711                 if (!try_hard && tries > zfs_metaslab_find_max_tries) {
4712                         METASLABSTAT_BUMP(metaslabstat_too_many_tries);
4713                         return (NULL);
4714                 }
4715                 tries++;
4716
4717                 if (!metaslab_should_allocate(msp, asize, try_hard)) {
4718                         metaslab_trace_add(zal, mg, msp, asize, d,
4719                             TRACE_TOO_SMALL, allocator);
4720                         continue;
4721                 }
4722
4723                 /*
4724                  * If the selected metaslab is condensing or disabled,
4725                  * skip it.
4726                  */
4727                 if (msp->ms_condensing || msp->ms_disabled > 0)
4728                         continue;
4729
4730                 *was_active = msp->ms_allocator != -1;
4731                 /*
4732                  * If we're activating as primary, this is our first allocation
4733                  * from this disk, so we don't need to check how close we are.
4734                  * If the metaslab under consideration was already active,
4735                  * we're getting desperate enough to steal another allocator's
4736                  * metaslab, so we still don't care about distances.
4737                  */
4738                 if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY || *was_active)
4739                         break;
4740
4741                 for (i = 0; i < d; i++) {
4742                         if (want_unique &&
4743                             !metaslab_is_unique(msp, &dva[i]))
4744                                 break;  /* try another metaslab */
4745                 }
4746                 if (i == d)
4747                         break;
4748         }
4749
4750         if (msp != NULL) {
4751                 search->ms_weight = msp->ms_weight;
4752                 search->ms_start = msp->ms_start + 1;
4753                 search->ms_allocator = msp->ms_allocator;
4754                 search->ms_primary = msp->ms_primary;
4755         }
4756         return (msp);
4757 }
4758
4759 static void
4760 metaslab_active_mask_verify(metaslab_t *msp)
4761 {
4762         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
4763
4764         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_METASLAB_VERIFY) == 0)
4765                 return;
4766
4767         if ((msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) == 0)
4768                 return;
4769
4770         if (msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_PRIMARY) {
4771                 VERIFY0(msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_SECONDARY);
4772                 VERIFY0(msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_CLAIM);
4773                 VERIFY3S(msp->ms_allocator, !=, -1);
4774                 VERIFY(msp->ms_primary);
4775                 return;
4776         }
4777
4778         if (msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_SECONDARY) {
4779                 VERIFY0(msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_PRIMARY);
4780                 VERIFY0(msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_CLAIM);
4781                 VERIFY3S(msp->ms_allocator, !=, -1);
4782                 VERIFY(!msp->ms_primary);
4783                 return;
4784         }
4785
4786         if (msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_CLAIM) {
4787                 VERIFY0(msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_PRIMARY);
4788                 VERIFY0(msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_SECONDARY);
4789                 VERIFY3S(msp->ms_allocator, ==, -1);
4790                 return;
4791         }
4792 }
4793
4794 static uint64_t
4795 metaslab_group_alloc_normal(metaslab_group_t *mg, zio_alloc_list_t *zal,
4796     uint64_t asize, uint64_t txg, boolean_t want_unique, dva_t *dva, int d,
4797     int allocator, boolean_t try_hard)
4798 {
4799         metaslab_t *msp = NULL;
4800         uint64_t offset = -1ULL;
4801
4802         uint64_t activation_weight = METASLAB_WEIGHT_PRIMARY;
4803         for (int i = 0; i < d; i++) {
4804                 if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY &&
4805                     DVA_GET_VDEV(&dva[i]) == mg->mg_vd->vdev_id) {
4806                         activation_weight = METASLAB_WEIGHT_SECONDARY;
4807                 } else if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_SECONDARY &&
4808                     DVA_GET_VDEV(&dva[i]) == mg->mg_vd->vdev_id) {
4809                         activation_weight = METASLAB_WEIGHT_CLAIM;
4810                         break;
4811                 }
4812         }
4813
4814         /*
4815          * If we don't have enough metaslabs active to fill the entire array, we
4816          * just use the 0th slot.
4817          */
4818         if (mg->mg_ms_ready < mg->mg_allocators * 3)
4819                 allocator = 0;
4820         metaslab_group_allocator_t *mga = &mg->mg_allocator[allocator];
4821
4822         ASSERT3U(mg->mg_vd->vdev_ms_count, >=, 2);
4823
4824         metaslab_t *search = kmem_alloc(sizeof (*search), KM_SLEEP);
4825         search->ms_weight = UINT64_MAX;
4826         search->ms_start = 0;
4827         /*
4828          * At the end of the metaslab tree are the already-active metaslabs,
4829          * first the primaries, then the secondaries. When we resume searching
4830          * through the tree, we need to consider ms_allocator and ms_primary so
4831          * we start in the location right after where we left off, and don't
4832          * accidentally loop forever considering the same metaslabs.
4833          */
4834         search->ms_allocator = -1;
4835         search->ms_primary = B_TRUE;
4836         for (;;) {
4837                 boolean_t was_active = B_FALSE;
4838
4839                 mutex_enter(&mg->mg_lock);
4840
4841                 if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY &&
4842                     mga->mga_primary != NULL) {
4843                         msp = mga->mga_primary;
4844
4845                         /*
4846                          * Even though we don't hold the ms_lock for the
4847                          * primary metaslab, those fields should not
4848                          * change while we hold the mg_lock. Thus it is
4849                          * safe to make assertions on them.
4850                          */
4851                         ASSERT(msp->ms_primary);
4852                         ASSERT3S(msp->ms_allocator, ==, allocator);
4853                         ASSERT(msp->ms_loaded);
4854
4855                         was_active = B_TRUE;
4856                         ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
4857                 } else if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_SECONDARY &&
4858                     mga->mga_secondary != NULL) {
4859                         msp = mga->mga_secondary;
4860
4861                         /*
4862                          * See comment above about the similar assertions
4863                          * for the primary metaslab.
4864                          */
4865                         ASSERT(!msp->ms_primary);
4866                         ASSERT3S(msp->ms_allocator, ==, allocator);
4867                         ASSERT(msp->ms_loaded);
4868
4869                         was_active = B_TRUE;
4870                         ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
4871                 } else {
4872                         msp = find_valid_metaslab(mg, activation_weight, dva, d,
4873                             want_unique, asize, allocator, try_hard, zal,
4874                             search, &was_active);
4875                 }
4876
4877                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
4878                 if (msp == NULL) {
4879                         kmem_free(search, sizeof (*search));
4880                         return (-1ULL);
4881                 }
4882                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
4883
4884                 metaslab_active_mask_verify(msp);
4885
4886                 /*
4887                  * This code is disabled out because of issues with
4888                  * tracepoints in non-gpl kernel modules.
4889                  */
4890 #if 0
4891                 DTRACE_PROBE3(ms__activation__attempt,
4892                     metaslab_t *, msp, uint64_t, activation_weight,
4893                     boolean_t, was_active);
4894 #endif
4895
4896                 /*
4897                  * Ensure that the metaslab we have selected is still
4898                  * capable of handling our request. It's possible that
4899                  * another thread may have changed the weight while we
4900                  * were blocked on the metaslab lock. We check the
4901                  * active status first to see if we need to set_selected_txg
4902                  * a new metaslab.
4903                  */
4904                 if (was_active && !(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK)) {
4905                         ASSERT3S(msp->ms_allocator, ==, -1);
4906                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
4907                         continue;
4908                 }
4909
4910                 /*
4911                  * If the metaslab was activated for another allocator
4912                  * while we were waiting in the ms_lock above, or it's
4913                  * a primary and we're seeking a secondary (or vice versa),
4914                  * we go back and select a new metaslab.
4915                  */
4916                 if (!was_active && (msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) &&
4917                     (msp->ms_allocator != -1) &&
4918                     (msp->ms_allocator != allocator || ((activation_weight ==
4919                     METASLAB_WEIGHT_PRIMARY) != msp->ms_primary))) {
4920                         ASSERT(msp->ms_loaded);
4921                         ASSERT((msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_CLAIM) ||
4922                             msp->ms_allocator != -1);
4923                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
4924                         continue;
4925                 }
4926
4927                 /*
4928                  * This metaslab was used for claiming regions allocated
4929                  * by the ZIL during pool import. Once these regions are
4930                  * claimed we don't need to keep the CLAIM bit set
4931                  * anymore. Passivate this metaslab to zero its activation
4932                  * mask.
4933                  */
4934                 if (msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_CLAIM &&
4935                     activation_weight != METASLAB_WEIGHT_CLAIM) {
4936                         ASSERT(msp->ms_loaded);
4937                         ASSERT3S(msp->ms_allocator, ==, -1);
4938                         metaslab_passivate(msp, msp->ms_weight &
4939                             ~METASLAB_WEIGHT_CLAIM);
4940                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
4941                         continue;
4942                 }
4943
4944                 metaslab_set_selected_txg(msp, txg);
4945
4946                 int activation_error =
4947                     metaslab_activate(msp, allocator, activation_weight);
4948                 metaslab_active_mask_verify(msp);
4949
4950                 /*
4951                  * If the metaslab was activated by another thread for
4952                  * another allocator or activation_weight (EBUSY), or it
4953                  * failed because another metaslab was assigned as primary
4954                  * for this allocator (EEXIST) we continue using this
4955                  * metaslab for our allocation, rather than going on to a
4956                  * worse metaslab (we waited for that metaslab to be loaded
4957                  * after all).
4958                  *
4959                  * If the activation failed due to an I/O error or ENOSPC we
4960                  * skip to the next metaslab.
4961                  */
4962                 boolean_t activated;
4963                 if (activation_error == 0) {
4964                         activated = B_TRUE;
4965                 } else if (activation_error == EBUSY ||
4966                     activation_error == EEXIST) {
4967                         activated = B_FALSE;
4968                 } else {
4969                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
4970                         continue;
4971                 }
4972                 ASSERT(msp->ms_loaded);
4973
4974                 /*
4975                  * Now that we have the lock, recheck to see if we should
4976                  * continue to use this metaslab for this allocation. The
4977                  * the metaslab is now loaded so metaslab_should_allocate()
4978                  * can accurately determine if the allocation attempt should
4979                  * proceed.
4980                  */
4981                 if (!metaslab_should_allocate(msp, asize, try_hard)) {
4982                         /* Passivate this metaslab and select a new one. */
4983                         metaslab_trace_add(zal, mg, msp, asize, d,
4984                             TRACE_TOO_SMALL, allocator);
4985                         goto next;
4986                 }
4987
4988                 /*
4989                  * If this metaslab is currently condensing then pick again
4990                  * as we can't manipulate this metaslab until it's committed
4991                  * to disk. If this metaslab is being initialized, we shouldn't
4992                  * allocate from it since the allocated region might be
4993                  * overwritten after allocation.
4994                  */
4995                 if (msp->ms_condensing) {
4996                         metaslab_trace_add(zal, mg, msp, asize, d,
4997                             TRACE_CONDENSING, allocator);
4998                         if (activated) {
4999                                 metaslab_passivate(msp, msp->ms_weight &
5000                                     ~METASLAB_ACTIVE_MASK);
5001                         }
5002                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
5003                         continue;
5004                 } else if (msp->ms_disabled > 0) {
5005                         metaslab_trace_add(zal, mg, msp, asize, d,
5006                             TRACE_DISABLED, allocator);
5007                         if (activated) {
5008                                 metaslab_passivate(msp, msp->ms_weight &
5009                                     ~METASLAB_ACTIVE_MASK);
5010                         }
5011                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
5012                         continue;
5013                 }
5014
5015                 offset = metaslab_block_alloc(msp, asize, txg);
5016                 metaslab_trace_add(zal, mg, msp, asize, d, offset, allocator);
5017
5018                 if (offset != -1ULL) {
5019                         /* Proactively passivate the metaslab, if needed */
5020                         if (activated)
5021                                 metaslab_segment_may_passivate(msp);
5022                         break;
5023                 }
5024 next:
5025                 ASSERT(msp->ms_loaded);
5026
5027                 /*
5028                  * This code is disabled out because of issues with
5029                  * tracepoints in non-gpl kernel modules.
5030                  */
5031 #if 0
5032                 DTRACE_PROBE2(ms__alloc__failure, metaslab_t *, msp,
5033                     uint64_t, asize);
5034 #endif
5035
5036                 /*
5037                  * We were unable to allocate from this metaslab so determine
5038                  * a new weight for this metaslab. Now that we have loaded
5039                  * the metaslab we can provide a better hint to the metaslab
5040                  * selector.
5041                  *
5042                  * For space-based metaslabs, we use the maximum block size.
5043                  * This information is only available when the metaslab
5044                  * is loaded and is more accurate than the generic free
5045                  * space weight that was calculated by metaslab_weight().
5046                  * This information allows us to quickly compare the maximum
5047                  * available allocation in the metaslab to the allocation
5048                  * size being requested.
5049                  *
5050                  * For segment-based metaslabs, determine the new weight
5051                  * based on the highest bucket in the range tree. We
5052                  * explicitly use the loaded segment weight (i.e. the range
5053                  * tree histogram) since it contains the space that is
5054                  * currently available for allocation and is accurate
5055                  * even within a sync pass.
5056                  */
5057                 uint64_t weight;
5058                 if (WEIGHT_IS_SPACEBASED(msp->ms_weight)) {
5059                         weight = metaslab_largest_allocatable(msp);
5060                         WEIGHT_SET_SPACEBASED(weight);
5061                 } else {
5062                         weight = metaslab_weight_from_range_tree(msp);
5063                 }
5064
5065                 if (activated) {
5066                         metaslab_passivate(msp, weight);
5067                 } else {
5068                         /*
5069                          * For the case where we use the metaslab that is
5070                          * active for another allocator we want to make
5071                          * sure that we retain the activation mask.
5072                          *
5073                          * Note that we could attempt to use something like
5074                          * metaslab_recalculate_weight_and_sort() that
5075                          * retains the activation mask here. That function
5076                          * uses metaslab_weight() to set the weight though
5077                          * which is not as accurate as the calculations
5078                          * above.
5079                          */
5080                         weight |= msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK;
5081                         metaslab_group_sort(mg, msp, weight);
5082                 }
5083                 metaslab_active_mask_verify(msp);
5084
5085                 /*
5086                  * We have just failed an allocation attempt, check
5087                  * that metaslab_should_allocate() agrees. Otherwise,
5088                  * we may end up in an infinite loop retrying the same
5089                  * metaslab.
5090                  */
5091                 ASSERT(!metaslab_should_allocate(msp, asize, try_hard));
5092
5093                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
5094         }
5095         mutex_exit(&msp->ms_lock);
5096         kmem_free(search, sizeof (*search));
5097         return (offset);
5098 }
5099
5100 static uint64_t
5101 metaslab_group_alloc(metaslab_group_t *mg, zio_alloc_list_t *zal,
5102     uint64_t asize, uint64_t txg, boolean_t want_unique, dva_t *dva, int d,
5103     int allocator, boolean_t try_hard)
5104 {
5105         uint64_t offset;
5106         ASSERT(mg->mg_initialized);
5107
5108         offset = metaslab_group_alloc_normal(mg, zal, asize, txg, want_unique,
5109             dva, d, allocator, try_hard);
5110
5111         mutex_enter(&mg->mg_lock);
5112         if (offset == -1ULL) {
5113                 mg->mg_failed_allocations++;
5114                 metaslab_trace_add(zal, mg, NULL, asize, d,
5115                     TRACE_GROUP_FAILURE, allocator);
5116                 if (asize == SPA_GANGBLOCKSIZE) {
5117                         /*
5118                          * This metaslab group was unable to allocate
5119                          * the minimum gang block size so it must be out of
5120                          * space. We must notify the allocation throttle
5121                          * to start skipping allocation attempts to this
5122                          * metaslab group until more space becomes available.
5123                          * Note: this failure cannot be caused by the
5124                          * allocation throttle since the allocation throttle
5125                          * is only responsible for skipping devices and
5126                          * not failing block allocations.
5127                          */
5128                         mg->mg_no_free_space = B_TRUE;
5129                 }
5130         }
5131         mg->mg_allocations++;
5132         mutex_exit(&mg->mg_lock);
5133         return (offset);
5134 }
5135
5136 /*
5137  * Allocate a block for the specified i/o.
5138  */
5139 int
5140 metaslab_alloc_dva(spa_t *spa, metaslab_class_t *mc, uint64_t psize,
5141     dva_t *dva, int d, dva_t *hintdva, uint64_t txg, int flags,
5142     zio_alloc_list_t *zal, int allocator)
5143 {
5144         metaslab_class_allocator_t *mca = &mc->mc_allocator[allocator];
5145         metaslab_group_t *mg, *rotor;
5146         vdev_t *vd;
5147         boolean_t try_hard = B_FALSE;
5148
5149         ASSERT(!DVA_IS_VALID(&dva[d]));
5150
5151         /*
5152          * For testing, make some blocks above a certain size be gang blocks.
5153          * This will result in more split blocks when using device removal,
5154          * and a large number of split blocks coupled with ztest-induced
5155          * damage can result in extremely long reconstruction times.  This
5156          * will also test spilling from special to normal.
5157          */
5158         if (psize >= metaslab_force_ganging &&
5159             metaslab_force_ganging_pct > 0 &&
5160             (random_in_range(100) < MIN(metaslab_force_ganging_pct, 100))) {
5161                 metaslab_trace_add(zal, NULL, NULL, psize, d, TRACE_FORCE_GANG,
5162                     allocator);
5163                 return (SET_ERROR(ENOSPC));
5164         }
5165
5166         /*
5167          * Start at the rotor and loop through all mgs until we find something.
5168          * Note that there's no locking on mca_rotor or mca_aliquot because
5169          * nothing actually breaks if we miss a few updates -- we just won't
5170          * allocate quite as evenly.  It all balances out over time.
5171          *
5172          * If we are doing ditto or log blocks, try to spread them across
5173          * consecutive vdevs.  If we're forced to reuse a vdev before we've
5174          * allocated all of our ditto blocks, then try and spread them out on
5175          * that vdev as much as possible.  If it turns out to not be possible,
5176          * gradually lower our standards until anything becomes acceptable.
5177          * Also, allocating on consecutive vdevs (as opposed to random vdevs)
5178          * gives us hope of containing our fault domains to something we're
5179          * able to reason about.  Otherwise, any two top-level vdev failures
5180          * will guarantee the loss of data.  With consecutive allocation,
5181          * only two adjacent top-level vdev failures will result in data loss.
5182          *
5183          * If we are doing gang blocks (hintdva is non-NULL), try to keep
5184          * ourselves on the same vdev as our gang block header.  That
5185          * way, we can hope for locality in vdev_cache, plus it makes our
5186          * fault domains something tractable.
5187          */
5188         if (hintdva) {
5189                 vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&hintdva[d]));
5190
5191                 /*
5192                  * It's possible the vdev we're using as the hint no
5193                  * longer exists or its mg has been closed (e.g. by
5194                  * device removal).  Consult the rotor when
5195                  * all else fails.
5196                  */
5197                 if (vd != NULL && vd->vdev_mg != NULL) {
5198                         mg = vdev_get_mg(vd, mc);
5199
5200                         if (flags & METASLAB_HINTBP_AVOID)
5201                                 mg = mg->mg_next;
5202                 } else {
5203                         mg = mca->mca_rotor;
5204                 }
5205         } else if (d != 0) {
5206                 vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&dva[d - 1]));
5207                 mg = vd->vdev_mg->mg_next;
5208         } else {
5209                 ASSERT(mca->mca_rotor != NULL);
5210                 mg = mca->mca_rotor;
5211         }
5212
5213         /*
5214          * If the hint put us into the wrong metaslab class, or into a
5215          * metaslab group that has been passivated, just follow the rotor.
5216          */
5217         if (mg->mg_class != mc || mg->mg_activation_count <= 0)
5218                 mg = mca->mca_rotor;
5219
5220         rotor = mg;
5221 top:
5222         do {
5223                 boolean_t allocatable;
5224
5225                 ASSERT(mg->mg_activation_count == 1);
5226                 vd = mg->mg_vd;
5227
5228                 /*
5229                  * Don't allocate from faulted devices.
5230                  */
5231                 if (try_hard) {
5232                         spa_config_enter(spa, SCL_ZIO, FTAG, RW_READER);
5233                         allocatable = vdev_allocatable(vd);
5234                         spa_config_exit(spa, SCL_ZIO, FTAG);
5235                 } else {
5236                         allocatable = vdev_allocatable(vd);
5237                 }
5238
5239                 /*
5240                  * Determine if the selected metaslab group is eligible
5241                  * for allocations. If we're ganging then don't allow
5242                  * this metaslab group to skip allocations since that would
5243                  * inadvertently return ENOSPC and suspend the pool
5244                  * even though space is still available.
5245                  */
5246                 if (allocatable && !GANG_ALLOCATION(flags) && !try_hard) {
5247                         allocatable = metaslab_group_allocatable(mg, rotor,
5248                             flags, psize, allocator, d);
5249                 }
5250
5251                 if (!allocatable) {
5252                         metaslab_trace_add(zal, mg, NULL, psize, d,
5253                             TRACE_NOT_ALLOCATABLE, allocator);
5254                         goto next;
5255                 }
5256
5257                 ASSERT(mg->mg_initialized);
5258
5259                 /*
5260                  * Avoid writing single-copy data to an unhealthy,
5261                  * non-redundant vdev, unless we've already tried all
5262                  * other vdevs.
5263                  */
5264                 if (vd->vdev_state < VDEV_STATE_HEALTHY &&
5265                     d == 0 && !try_hard && vd->vdev_children == 0) {
5266                         metaslab_trace_add(zal, mg, NULL, psize, d,
5267                             TRACE_VDEV_ERROR, allocator);
5268                         goto next;
5269                 }
5270
5271                 ASSERT(mg->mg_class == mc);
5272
5273                 uint64_t asize = vdev_psize_to_asize(vd, psize);
5274                 ASSERT(P2PHASE(asize, 1ULL << vd->vdev_ashift) == 0);
5275
5276                 /*
5277                  * If we don't need to try hard, then require that the
5278                  * block be on a different metaslab from any other DVAs
5279                  * in this BP (unique=true).  If we are trying hard, then
5280                  * allow any metaslab to be used (unique=false).
5281                  */
5282                 uint64_t offset = metaslab_group_alloc(mg, zal, asize, txg,
5283                     !try_hard, dva, d, allocator, try_hard);
5284
5285                 if (offset != -1ULL) {
5286                         /*
5287                          * If we've just selected this metaslab group,
5288                          * figure out whether the corresponding vdev is
5289                          * over- or under-used relative to the pool,
5290                          * and set an allocation bias to even it out.
5291                          *
5292                          * Bias is also used to compensate for unequally
5293                          * sized vdevs so that space is allocated fairly.
5294                          */
5295                         if (mca->mca_aliquot == 0 && metaslab_bias_enabled) {
5296                                 vdev_stat_t *vs = &vd->vdev_stat;
5297                                 int64_t vs_free = vs->vs_space - vs->vs_alloc;
5298                                 int64_t mc_free = mc->mc_space - mc->mc_alloc;
5299                                 int64_t ratio;
5300
5301                                 /*
5302                                  * Calculate how much more or less we should
5303                                  * try to allocate from this device during
5304                                  * this iteration around the rotor.
5305                                  *
5306                                  * This basically introduces a zero-centered
5307                                  * bias towards the devices with the most
5308                                  * free space, while compensating for vdev
5309                                  * size differences.
5310                                  *
5311                                  * Examples:
5312                                  *  vdev V1 = 16M/128M
5313                                  *  vdev V2 = 16M/128M
5314                                  *  ratio(V1) = 100% ratio(V2) = 100%
5315                                  *
5316                                  *  vdev V1 = 16M/128M
5317                                  *  vdev V2 = 64M/128M
5318                                  *  ratio(V1) = 127% ratio(V2) =  72%
5319                                  *
5320                                  *  vdev V1 = 16M/128M
5321                                  *  vdev V2 = 64M/512M
5322                                  *  ratio(V1) =  40% ratio(V2) = 160%
5323                                  */
5324                                 ratio = (vs_free * mc->mc_alloc_groups * 100) /
5325                                     (mc_free + 1);
5326                                 mg->mg_bias = ((ratio - 100) *
5327                                     (int64_t)mg->mg_aliquot) / 100;
5328                         } else if (!metaslab_bias_enabled) {
5329                                 mg->mg_bias = 0;
5330                         }
5331
5332                         if ((flags & METASLAB_ZIL) ||
5333                             atomic_add_64_nv(&mca->mca_aliquot, asize) >=
5334                             mg->mg_aliquot + mg->mg_bias) {
5335                                 mca->mca_rotor = mg->mg_next;
5336                                 mca->mca_aliquot = 0;
5337                         }
5338
5339                         DVA_SET_VDEV(&dva[d], vd->vdev_id);
5340                         DVA_SET_OFFSET(&dva[d], offset);
5341                         DVA_SET_GANG(&dva[d],
5342                             ((flags & METASLAB_GANG_HEADER) ? 1 : 0));
5343                         DVA_SET_ASIZE(&dva[d], asize);
5344
5345                         return (0);
5346                 }
5347 next:
5348                 mca->mca_rotor = mg->mg_next;
5349                 mca->mca_aliquot = 0;
5350         } while ((mg = mg->mg_next) != rotor);
5351
5352         /*
5353          * If we haven't tried hard, perhaps do so now.
5354          */
5355         if (!try_hard && (zfs_metaslab_try_hard_before_gang ||
5356             GANG_ALLOCATION(flags) || (flags & METASLAB_ZIL) != 0 ||
5357             psize <= 1 << spa->spa_min_ashift)) {
5358                 METASLABSTAT_BUMP(metaslabstat_try_hard);
5359                 try_hard = B_TRUE;
5360                 goto top;
5361         }
5362
5363         memset(&dva[d], 0, sizeof (dva_t));
5364
5365         metaslab_trace_add(zal, rotor, NULL, psize, d, TRACE_ENOSPC, allocator);
5366         return (SET_ERROR(ENOSPC));
5367 }
5368
5369 void
5370 metaslab_free_concrete(vdev_t *vd, uint64_t offset, uint64_t asize,
5371     boolean_t checkpoint)
5372 {
5373         metaslab_t *msp;
5374         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
5375
5376         ASSERT(vdev_is_concrete(vd));
5377         ASSERT3U(spa_config_held(spa, SCL_ALL, RW_READER), !=, 0);
5378         ASSERT3U(offset >> vd->vdev_ms_shift, <, vd->vdev_ms_count);
5379
5380         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
5381
5382         VERIFY(!msp->ms_condensing);
5383         VERIFY3U(offset, >=, msp->ms_start);
5384         VERIFY3U(offset + asize, <=, msp->ms_start + msp->ms_size);
5385         VERIFY0(P2PHASE(offset, 1ULL << vd->vdev_ashift));
5386         VERIFY0(P2PHASE(asize, 1ULL << vd->vdev_ashift));
5387
5388         metaslab_check_free_impl(vd, offset, asize);
5389
5390         mutex_enter(&msp->ms_lock);
5391         if (range_tree_is_empty(msp->ms_freeing) &&
5392             range_tree_is_empty(msp->ms_checkpointing)) {
5393                 vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, spa_syncing_txg(spa));
5394         }
5395
5396         if (checkpoint) {
5397                 ASSERT(spa_has_checkpoint(spa));
5398                 range_tree_add(msp->ms_checkpointing, offset, asize);
5399         } else {
5400                 range_tree_add(msp->ms_freeing, offset, asize);
5401         }
5402         mutex_exit(&msp->ms_lock);
5403 }
5404
5405 void
5406 metaslab_free_impl_cb(uint64_t inner_offset, vdev_t *vd, uint64_t offset,
5407     uint64_t size, void *arg)
5408 {
5409         (void) inner_offset;
5410         boolean_t *checkpoint = arg;
5411
5412         ASSERT3P(checkpoint, !=, NULL);
5413
5414         if (vd->vdev_ops->vdev_op_remap != NULL)
5415                 vdev_indirect_mark_obsolete(vd, offset, size);
5416         else
5417                 metaslab_free_impl(vd, offset, size, *checkpoint);
5418 }
5419
5420 static void
5421 metaslab_free_impl(vdev_t *vd, uint64_t offset, uint64_t size,
5422     boolean_t checkpoint)
5423 {
5424         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
5425
5426         ASSERT3U(spa_config_held(spa, SCL_ALL, RW_READER), !=, 0);
5427
5428         if (spa_syncing_txg(spa) > spa_freeze_txg(spa))
5429                 return;
5430
5431         if (spa->spa_vdev_removal != NULL &&
5432             spa->spa_vdev_removal->svr_vdev_id == vd->vdev_id &&
5433             vdev_is_concrete(vd)) {
5434                 /*
5435                  * Note: we check if the vdev is concrete because when
5436                  * we complete the removal, we first change the vdev to be
5437                  * an indirect vdev (in open context), and then (in syncing
5438                  * context) clear spa_vdev_removal.
5439                  */
5440                 free_from_removing_vdev(vd, offset, size);
5441         } else if (vd->vdev_ops->vdev_op_remap != NULL) {
5442                 vdev_indirect_mark_obsolete(vd, offset, size);
5443                 vd->vdev_ops->vdev_op_remap(vd, offset, size,
5444                     metaslab_free_impl_cb, &checkpoint);
5445         } else {
5446                 metaslab_free_concrete(vd, offset, size, checkpoint);
5447         }
5448 }
5449
5450 typedef struct remap_blkptr_cb_arg {
5451         blkptr_t *rbca_bp;
5452         spa_remap_cb_t rbca_cb;
5453         vdev_t *rbca_remap_vd;
5454         uint64_t rbca_remap_offset;
5455         void *rbca_cb_arg;
5456 } remap_blkptr_cb_arg_t;
5457
5458 static void
5459 remap_blkptr_cb(uint64_t inner_offset, vdev_t *vd, uint64_t offset,
5460     uint64_t size, void *arg)
5461 {
5462         remap_blkptr_cb_arg_t *rbca = arg;
5463         blkptr_t *bp = rbca->rbca_bp;
5464
5465         /* We can not remap split blocks. */
5466         if (size != DVA_GET_ASIZE(&bp->blk_dva[0]))
5467                 return;
5468         ASSERT0(inner_offset);
5469
5470         if (rbca->rbca_cb != NULL) {
5471                 /*
5472                  * At this point we know that we are not handling split
5473                  * blocks and we invoke the callback on the previous
5474                  * vdev which must be indirect.
5475                  */
5476                 ASSERT3P(rbca->rbca_remap_vd->vdev_ops, ==, &vdev_indirect_ops);
5477
5478                 rbca->rbca_cb(rbca->rbca_remap_vd->vdev_id,
5479                     rbca->rbca_remap_offset, size, rbca->rbca_cb_arg);
5480
5481                 /* set up remap_blkptr_cb_arg for the next call */
5482                 rbca->rbca_remap_vd = vd;
5483                 rbca->rbca_remap_offset = offset;
5484         }
5485
5486         /*
5487          * The phys birth time is that of dva[0].  This ensures that we know
5488          * when each dva was written, so that resilver can determine which
5489          * blocks need to be scrubbed (i.e. those written during the time
5490          * the vdev was offline).  It also ensures that the key used in
5491          * the ARC hash table is unique (i.e. dva[0] + phys_birth).  If
5492          * we didn't change the phys_birth, a lookup in the ARC for a
5493          * remapped BP could find the data that was previously stored at
5494          * this vdev + offset.
5495          */
5496         vdev_t *oldvd = vdev_lookup_top(vd->vdev_spa,
5497             DVA_GET_VDEV(&bp->blk_dva[0]));
5498         vdev_indirect_births_t *vib = oldvd->vdev_indirect_births;
5499         bp->blk_phys_birth = vdev_indirect_births_physbirth(vib,
5500             DVA_GET_OFFSET(&bp->blk_dva[0]), DVA_GET_ASIZE(&bp->blk_dva[0]));
5501
5502         DVA_SET_VDEV(&bp->blk_dva[0], vd->vdev_id);
5503         DVA_SET_OFFSET(&bp->blk_dva[0], offset);
5504 }
5505
5506 /*
5507  * If the block pointer contains any indirect DVAs, modify them to refer to
5508  * concrete DVAs.  Note that this will sometimes not be possible, leaving
5509  * the indirect DVA in place.  This happens if the indirect DVA spans multiple
5510  * segments in the mapping (i.e. it is a "split block").
5511  *
5512  * If the BP was remapped, calls the callback on the original dva (note the
5513  * callback can be called multiple times if the original indirect DVA refers
5514  * to another indirect DVA, etc).
5515  *
5516  * Returns TRUE if the BP was remapped.
5517  */
5518 boolean_t
5519 spa_remap_blkptr(spa_t *spa, blkptr_t *bp, spa_remap_cb_t callback, void *arg)
5520 {
5521         remap_blkptr_cb_arg_t rbca;
5522
5523         if (!zfs_remap_blkptr_enable)
5524                 return (B_FALSE);
5525
5526         if (!spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_OBSOLETE_COUNTS))
5527                 return (B_FALSE);
5528
5529         /*
5530          * Dedup BP's can not be remapped, because ddt_phys_select() depends
5531          * on DVA[0] being the same in the BP as in the DDT (dedup table).
5532          */
5533         if (BP_GET_DEDUP(bp))
5534                 return (B_FALSE);
5535
5536         /*
5537          * Gang blocks can not be remapped, because
5538          * zio_checksum_gang_verifier() depends on the DVA[0] that's in
5539          * the BP used to read the gang block header (GBH) being the same
5540          * as the DVA[0] that we allocated for the GBH.
5541          */
5542         if (BP_IS_GANG(bp))
5543                 return (B_FALSE);
5544
5545         /*
5546          * Embedded BP's have no DVA to remap.
5547          */
5548         if (BP_GET_NDVAS(bp) < 1)
5549                 return (B_FALSE);
5550
5551         /*
5552          * Note: we only remap dva[0].  If we remapped other dvas, we
5553          * would no longer know what their phys birth txg is.
5554          */
5555         dva_t *dva = &bp->blk_dva[0];
5556
5557         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
5558         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
5559         vdev_t *vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(dva));
5560
5561         if (vd->vdev_ops->vdev_op_remap == NULL)
5562                 return (B_FALSE);
5563
5564         rbca.rbca_bp = bp;
5565         rbca.rbca_cb = callback;
5566         rbca.rbca_remap_vd = vd;
5567         rbca.rbca_remap_offset = offset;
5568         rbca.rbca_cb_arg = arg;
5569
5570         /*
5571          * remap_blkptr_cb() will be called in order for each level of
5572          * indirection, until a concrete vdev is reached or a split block is
5573          * encountered. old_vd and old_offset are updated within the callback
5574          * as we go from the one indirect vdev to the next one (either concrete
5575          * or indirect again) in that order.
5576          */
5577         vd->vdev_ops->vdev_op_remap(vd, offset, size, remap_blkptr_cb, &rbca);
5578
5579         /* Check if the DVA wasn't remapped because it is a split block */
5580         if (DVA_GET_VDEV(&rbca.rbca_bp->blk_dva[0]) == vd->vdev_id)
5581                 return (B_FALSE);
5582
5583         return (B_TRUE);
5584 }
5585
5586 /*
5587  * Undo the allocation of a DVA which happened in the given transaction group.
5588  */
5589 void
5590 metaslab_unalloc_dva(spa_t *spa, const dva_t *dva, uint64_t txg)
5591 {
5592         metaslab_t *msp;
5593         vdev_t *vd;
5594         uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(dva);
5595         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
5596         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
5597
5598         ASSERT(DVA_IS_VALID(dva));
5599         ASSERT3U(spa_config_held(spa, SCL_ALL, RW_READER), !=, 0);
5600
5601         if (txg > spa_freeze_txg(spa))
5602                 return;
5603
5604         if ((vd = vdev_lookup_top(spa, vdev)) == NULL || !DVA_IS_VALID(dva) ||
5605             (offset >> vd->vdev_ms_shift) >= vd->vdev_ms_count) {
5606                 zfs_panic_recover("metaslab_free_dva(): bad DVA %llu:%llu:%llu",
5607                     (u_longlong_t)vdev, (u_longlong_t)offset,
5608                     (u_longlong_t)size);
5609                 return;
5610         }
5611
5612         ASSERT(!vd->vdev_removing);
5613         ASSERT(vdev_is_concrete(vd));
5614         ASSERT0(vd->vdev_indirect_config.vic_mapping_object);
5615         ASSERT3P(vd->vdev_indirect_mapping, ==, NULL);
5616
5617         if (DVA_GET_GANG(dva))
5618                 size = vdev_gang_header_asize(vd);
5619
5620         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
5621
5622         mutex_enter(&msp->ms_lock);
5623         range_tree_remove(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK],
5624             offset, size);
5625         msp->ms_allocating_total -= size;
5626
5627         VERIFY(!msp->ms_condensing);
5628         VERIFY3U(offset, >=, msp->ms_start);
5629         VERIFY3U(offset + size, <=, msp->ms_start + msp->ms_size);
5630         VERIFY3U(range_tree_space(msp->ms_allocatable) + size, <=,
5631             msp->ms_size);
5632         VERIFY0(P2PHASE(offset, 1ULL << vd->vdev_ashift));
5633         VERIFY0(P2PHASE(size, 1ULL << vd->vdev_ashift));
5634         range_tree_add(msp->ms_allocatable, offset, size);
5635         mutex_exit(&msp->ms_lock);
5636 }
5637
5638 /*
5639  * Free the block represented by the given DVA.
5640  */
5641 void
5642 metaslab_free_dva(spa_t *spa, const dva_t *dva, boolean_t checkpoint)
5643 {
5644         uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(dva);
5645         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
5646         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
5647         vdev_t *vd = vdev_lookup_top(spa, vdev);
5648
5649         ASSERT(DVA_IS_VALID(dva));
5650         ASSERT3U(spa_config_held(spa, SCL_ALL, RW_READER), !=, 0);
5651
5652         if (DVA_GET_GANG(dva)) {
5653                 size = vdev_gang_header_asize(vd);
5654         }
5655
5656         metaslab_free_impl(vd, offset, size, checkpoint);
5657 }
5658
5659 /*
5660  * Reserve some allocation slots. The reservation system must be called
5661  * before we call into the allocator. If there aren't any available slots
5662  * then the I/O will be throttled until an I/O completes and its slots are
5663  * freed up. The function returns true if it was successful in placing
5664  * the reservation.
5665  */
5666 boolean_t
5667 metaslab_class_throttle_reserve(metaslab_class_t *mc, int slots, int allocator,
5668     zio_t *zio, int flags)
5669 {
5670         metaslab_class_allocator_t *mca = &mc->mc_allocator[allocator];
5671         uint64_t max = mca->mca_alloc_max_slots;
5672
5673         ASSERT(mc->mc_alloc_throttle_enabled);
5674         if (GANG_ALLOCATION(flags) || (flags & METASLAB_MUST_RESERVE) ||
5675             zfs_refcount_count(&mca->mca_alloc_slots) + slots <= max) {
5676                 /*
5677                  * The potential race between _count() and _add() is covered
5678                  * by the allocator lock in most cases, or irrelevant due to
5679                  * GANG_ALLOCATION() or METASLAB_MUST_RESERVE set in others.
5680                  * But even if we assume some other non-existing scenario, the
5681                  * worst that can happen is few more I/Os get to allocation
5682                  * earlier, that is not a problem.
5683                  *
5684                  * We reserve the slots individually so that we can unreserve
5685                  * them individually when an I/O completes.
5686                  */
5687                 zfs_refcount_add_few(&mca->mca_alloc_slots, slots, zio);
5688                 zio->io_flags |= ZIO_FLAG_IO_ALLOCATING;
5689                 return (B_TRUE);
5690         }
5691         return (B_FALSE);
5692 }
5693
5694 void
5695 metaslab_class_throttle_unreserve(metaslab_class_t *mc, int slots,
5696     int allocator, zio_t *zio)
5697 {
5698         metaslab_class_allocator_t *mca = &mc->mc_allocator[allocator];
5699
5700         ASSERT(mc->mc_alloc_throttle_enabled);
5701         zfs_refcount_remove_few(&mca->mca_alloc_slots, slots, zio);
5702 }
5703
5704 static int
5705 metaslab_claim_concrete(vdev_t *vd, uint64_t offset, uint64_t size,
5706     uint64_t txg)
5707 {
5708         metaslab_t *msp;
5709         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
5710         int error = 0;
5711
5712         if (offset >> vd->vdev_ms_shift >= vd->vdev_ms_count)
5713                 return (SET_ERROR(ENXIO));
5714
5715         ASSERT3P(vd->vdev_ms, !=, NULL);
5716         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
5717
5718         mutex_enter(&msp->ms_lock);
5719
5720         if ((txg != 0 && spa_writeable(spa)) || !msp->ms_loaded) {
5721                 error = metaslab_activate(msp, 0, METASLAB_WEIGHT_CLAIM);
5722                 if (error == EBUSY) {
5723                         ASSERT(msp->ms_loaded);
5724                         ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
5725                         error = 0;
5726                 }
5727         }
5728
5729         if (error == 0 &&
5730             !range_tree_contains(msp->ms_allocatable, offset, size))
5731                 error = SET_ERROR(ENOENT);
5732
5733         if (error || txg == 0) {        /* txg == 0 indicates dry run */
5734                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
5735                 return (error);
5736         }
5737
5738         VERIFY(!msp->ms_condensing);
5739         VERIFY0(P2PHASE(offset, 1ULL << vd->vdev_ashift));
5740         VERIFY0(P2PHASE(size, 1ULL << vd->vdev_ashift));
5741         VERIFY3U(range_tree_space(msp->ms_allocatable) - size, <=,
5742             msp->ms_size);
5743         range_tree_remove(msp->ms_allocatable, offset, size);
5744         range_tree_clear(msp->ms_trim, offset, size);
5745
5746         if (spa_writeable(spa)) {       /* don't dirty if we're zdb(8) */
5747                 metaslab_class_t *mc = msp->ms_group->mg_class;
5748                 multilist_sublist_t *mls =
5749                     multilist_sublist_lock_obj(&mc->mc_metaslab_txg_list, msp);
5750                 if (!multilist_link_active(&msp->ms_class_txg_node)) {
5751                         msp->ms_selected_txg = txg;
5752                         multilist_sublist_insert_head(mls, msp);
5753                 }
5754                 multilist_sublist_unlock(mls);
5755
5756                 if (range_tree_is_empty(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK]))
5757                         vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
5758                 range_tree_add(msp->ms_allocating[txg & TXG_MASK],
5759                     offset, size);
5760                 msp->ms_allocating_total += size;
5761         }
5762
5763         mutex_exit(&msp->ms_lock);
5764
5765         return (0);
5766 }
5767
5768 typedef struct metaslab_claim_cb_arg_t {
5769         uint64_t        mcca_txg;
5770         int             mcca_error;
5771 } metaslab_claim_cb_arg_t;
5772
5773 static void
5774 metaslab_claim_impl_cb(uint64_t inner_offset, vdev_t *vd, uint64_t offset,
5775     uint64_t size, void *arg)
5776 {
5777         (void) inner_offset;
5778         metaslab_claim_cb_arg_t *mcca_arg = arg;
5779
5780         if (mcca_arg->mcca_error == 0) {
5781                 mcca_arg->mcca_error = metaslab_claim_concrete(vd, offset,
5782                     size, mcca_arg->mcca_txg);
5783         }
5784 }
5785
5786 int
5787 metaslab_claim_impl(vdev_t *vd, uint64_t offset, uint64_t size, uint64_t txg)
5788 {
5789         if (vd->vdev_ops->vdev_op_remap != NULL) {
5790                 metaslab_claim_cb_arg_t arg;
5791
5792                 /*
5793                  * Only zdb(8) can claim on indirect vdevs.  This is used
5794                  * to detect leaks of mapped space (that are not accounted
5795                  * for in the obsolete counts, spacemap, or bpobj).
5796                  */
5797                 ASSERT(!spa_writeable(vd->vdev_spa));
5798                 arg.mcca_error = 0;
5799                 arg.mcca_txg = txg;
5800
5801                 vd->vdev_ops->vdev_op_remap(vd, offset, size,
5802                     metaslab_claim_impl_cb, &arg);
5803
5804                 if (arg.mcca_error == 0) {
5805                         arg.mcca_error = metaslab_claim_concrete(vd,
5806                             offset, size, txg);
5807                 }
5808                 return (arg.mcca_error);
5809         } else {
5810                 return (metaslab_claim_concrete(vd, offset, size, txg));
5811         }
5812 }
5813
5814 /*
5815  * Intent log support: upon opening the pool after a crash, notify the SPA
5816  * of blocks that the intent log has allocated for immediate write, but
5817  * which are still considered free by the SPA because the last transaction
5818  * group didn't commit yet.
5819  */
5820 static int
5821 metaslab_claim_dva(spa_t *spa, const dva_t *dva, uint64_t txg)
5822 {
5823         uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(dva);
5824         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
5825         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
5826         vdev_t *vd;
5827
5828         if ((vd = vdev_lookup_top(spa, vdev)) == NULL) {
5829                 return (SET_ERROR(ENXIO));
5830         }
5831
5832         ASSERT(DVA_IS_VALID(dva));
5833
5834         if (DVA_GET_GANG(dva))
5835                 size = vdev_gang_header_asize(vd);
5836
5837         return (metaslab_claim_impl(vd, offset, size, txg));
5838 }
5839
5840 int
5841 metaslab_alloc(spa_t *spa, metaslab_class_t *mc, uint64_t psize, blkptr_t *bp,
5842     int ndvas, uint64_t txg, blkptr_t *hintbp, int flags,
5843     zio_alloc_list_t *zal, zio_t *zio, int allocator)
5844 {
5845         dva_t *dva = bp->blk_dva;
5846         dva_t *hintdva = (hintbp != NULL) ? hintbp->blk_dva : NULL;
5847         int error = 0;
5848
5849         ASSERT(bp->blk_birth == 0);
5850         ASSERT(BP_PHYSICAL_BIRTH(bp) == 0);
5851
5852         spa_config_enter(spa, SCL_ALLOC, FTAG, RW_READER);
5853
5854         if (mc->mc_allocator[allocator].mca_rotor == NULL) {
5855                 /* no vdevs in this class */
5856                 spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
5857                 return (SET_ERROR(ENOSPC));
5858         }
5859
5860         ASSERT(ndvas > 0 && ndvas <= spa_max_replication(spa));
5861         ASSERT(BP_GET_NDVAS(bp) == 0);
5862         ASSERT(hintbp == NULL || ndvas <= BP_GET_NDVAS(hintbp));
5863         ASSERT3P(zal, !=, NULL);
5864
5865         for (int d = 0; d < ndvas; d++) {
5866                 error = metaslab_alloc_dva(spa, mc, psize, dva, d, hintdva,
5867                     txg, flags, zal, allocator);
5868                 if (error != 0) {
5869                         for (d--; d >= 0; d--) {
5870                                 metaslab_unalloc_dva(spa, &dva[d], txg);
5871                                 metaslab_group_alloc_decrement(spa,
5872                                     DVA_GET_VDEV(&dva[d]), zio, flags,
5873                                     allocator, B_FALSE);
5874                                 memset(&dva[d], 0, sizeof (dva_t));
5875                         }
5876                         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
5877                         return (error);
5878                 } else {
5879                         /*
5880                          * Update the metaslab group's queue depth
5881                          * based on the newly allocated dva.
5882                          */
5883                         metaslab_group_alloc_increment(spa,
5884                             DVA_GET_VDEV(&dva[d]), zio, flags, allocator);
5885                 }
5886         }
5887         ASSERT(error == 0);
5888         ASSERT(BP_GET_NDVAS(bp) == ndvas);
5889
5890         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
5891
5892         BP_SET_BIRTH(bp, txg, 0);
5893
5894         return (0);
5895 }
5896
5897 void
5898 metaslab_free(spa_t *spa, const blkptr_t *bp, uint64_t txg, boolean_t now)
5899 {
5900         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
5901         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
5902
5903         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
5904         ASSERT(!now || bp->blk_birth >= spa_syncing_txg(spa));
5905
5906         /*
5907          * If we have a checkpoint for the pool we need to make sure that
5908          * the blocks that we free that are part of the checkpoint won't be
5909          * reused until the checkpoint is discarded or we revert to it.
5910          *
5911          * The checkpoint flag is passed down the metaslab_free code path
5912          * and is set whenever we want to add a block to the checkpoint's
5913          * accounting. That is, we "checkpoint" blocks that existed at the
5914          * time the checkpoint was created and are therefore referenced by
5915          * the checkpointed uberblock.
5916          *
5917          * Note that, we don't checkpoint any blocks if the current
5918          * syncing txg <= spa_checkpoint_txg. We want these frees to sync
5919          * normally as they will be referenced by the checkpointed uberblock.
5920          */
5921         boolean_t checkpoint = B_FALSE;
5922         if (bp->blk_birth <= spa->spa_checkpoint_txg &&
5923             spa_syncing_txg(spa) > spa->spa_checkpoint_txg) {
5924                 /*
5925                  * At this point, if the block is part of the checkpoint
5926                  * there is no way it was created in the current txg.
5927                  */
5928                 ASSERT(!now);
5929                 ASSERT3U(spa_syncing_txg(spa), ==, txg);
5930                 checkpoint = B_TRUE;
5931         }
5932
5933         spa_config_enter(spa, SCL_FREE, FTAG, RW_READER);
5934
5935         for (int d = 0; d < ndvas; d++) {
5936                 if (now) {
5937                         metaslab_unalloc_dva(spa, &dva[d], txg);
5938                 } else {
5939                         ASSERT3U(txg, ==, spa_syncing_txg(spa));
5940                         metaslab_free_dva(spa, &dva[d], checkpoint);
5941                 }
5942         }
5943
5944         spa_config_exit(spa, SCL_FREE, FTAG);
5945 }
5946
5947 int
5948 metaslab_claim(spa_t *spa, const blkptr_t *bp, uint64_t txg)
5949 {
5950         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
5951         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
5952         int error = 0;
5953
5954         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
5955
5956         if (txg != 0) {
5957                 /*
5958                  * First do a dry run to make sure all DVAs are claimable,
5959                  * so we don't have to unwind from partial failures below.
5960                  */
5961                 if ((error = metaslab_claim(spa, bp, 0)) != 0)
5962                         return (error);
5963         }
5964
5965         spa_config_enter(spa, SCL_ALLOC, FTAG, RW_READER);
5966
5967         for (int d = 0; d < ndvas; d++) {
5968                 error = metaslab_claim_dva(spa, &dva[d], txg);
5969                 if (error != 0)
5970                         break;
5971         }
5972
5973         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
5974
5975         ASSERT(error == 0 || txg == 0);
5976
5977         return (error);
5978 }
5979
5980 static void
5981 metaslab_check_free_impl_cb(uint64_t inner, vdev_t *vd, uint64_t offset,
5982     uint64_t size, void *arg)
5983 {
5984         (void) inner, (void) arg;
5985
5986         if (vd->vdev_ops == &vdev_indirect_ops)
5987                 return;
5988
5989         metaslab_check_free_impl(vd, offset, size);
5990 }
5991
5992 static void
5993 metaslab_check_free_impl(vdev_t *vd, uint64_t offset, uint64_t size)
5994 {
5995         metaslab_t *msp;
5996         spa_t *spa __maybe_unused = vd->vdev_spa;
5997
5998         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_ZIO_FREE) == 0)
5999                 return;
6000
6001         if (vd->vdev_ops->vdev_op_remap != NULL) {
6002                 vd->vdev_ops->vdev_op_remap(vd, offset, size,
6003                     metaslab_check_free_impl_cb, NULL);
6004                 return;
6005         }
6006
6007         ASSERT(vdev_is_concrete(vd));
6008         ASSERT3U(offset >> vd->vdev_ms_shift, <, vd->vdev_ms_count);
6009         ASSERT3U(spa_config_held(spa, SCL_ALL, RW_READER), !=, 0);
6010
6011         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
6012
6013         mutex_enter(&msp->ms_lock);
6014         if (msp->ms_loaded) {
6015                 range_tree_verify_not_present(msp->ms_allocatable,
6016                     offset, size);
6017         }
6018
6019         /*
6020          * Check all segments that currently exist in the freeing pipeline.
6021          *
6022          * It would intuitively make sense to also check the current allocating
6023          * tree since metaslab_unalloc_dva() exists for extents that are
6024          * allocated and freed in the same sync pass within the same txg.
6025          * Unfortunately there are places (e.g. the ZIL) where we allocate a
6026          * segment but then we free part of it within the same txg
6027          * [see zil_sync()]. Thus, we don't call range_tree_verify() in the
6028          * current allocating tree.
6029          */
6030         range_tree_verify_not_present(msp->ms_freeing, offset, size);
6031         range_tree_verify_not_present(msp->ms_checkpointing, offset, size);
6032         range_tree_verify_not_present(msp->ms_freed, offset, size);
6033         for (int j = 0; j < TXG_DEFER_SIZE; j++)
6034                 range_tree_verify_not_present(msp->ms_defer[j], offset, size);
6035         range_tree_verify_not_present(msp->ms_trim, offset, size);
6036         mutex_exit(&msp->ms_lock);
6037 }
6038
6039 void
6040 metaslab_check_free(spa_t *spa, const blkptr_t *bp)
6041 {
6042         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_ZIO_FREE) == 0)
6043                 return;
6044
6045         spa_config_enter(spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
6046         for (int i = 0; i < BP_GET_NDVAS(bp); i++) {
6047                 uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(&bp->blk_dva[i]);
6048                 vdev_t *vd = vdev_lookup_top(spa, vdev);
6049                 uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(&bp->blk_dva[i]);
6050                 uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(&bp->blk_dva[i]);
6051
6052                 if (DVA_GET_GANG(&bp->blk_dva[i]))
6053                         size = vdev_gang_header_asize(vd);
6054
6055                 ASSERT3P(vd, !=, NULL);
6056
6057                 metaslab_check_free_impl(vd, offset, size);
6058         }
6059         spa_config_exit(spa, SCL_VDEV, FTAG);
6060 }
6061
6062 static void
6063 metaslab_group_disable_wait(metaslab_group_t *mg)
6064 {
6065         ASSERT(MUTEX_HELD(&mg->mg_ms_disabled_lock));
6066         while (mg->mg_disabled_updating) {
6067                 cv_wait(&mg->mg_ms_disabled_cv, &mg->mg_ms_disabled_lock);
6068         }
6069 }
6070
6071 static void
6072 metaslab_group_disabled_increment(metaslab_group_t *mg)
6073 {
6074         ASSERT(MUTEX_HELD(&mg->mg_ms_disabled_lock));
6075         ASSERT(mg->mg_disabled_updating);
6076
6077         while (mg->mg_ms_disabled >= max_disabled_ms) {
6078                 cv_wait(&mg->mg_ms_disabled_cv, &mg->mg_ms_disabled_lock);
6079         }
6080         mg->mg_ms_disabled++;
6081         ASSERT3U(mg->mg_ms_disabled, <=, max_disabled_ms);
6082 }
6083
6084 /*
6085  * Mark the metaslab as disabled to prevent any allocations on this metaslab.
6086  * We must also track how many metaslabs are currently disabled within a
6087  * metaslab group and limit them to prevent allocation failures from
6088  * occurring because all metaslabs are disabled.
6089  */
6090 void
6091 metaslab_disable(metaslab_t *msp)
6092 {
6093         ASSERT(!MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
6094         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
6095
6096         mutex_enter(&mg->mg_ms_disabled_lock);
6097
6098         /*
6099          * To keep an accurate count of how many threads have disabled
6100          * a specific metaslab group, we only allow one thread to mark
6101          * the metaslab group at a time. This ensures that the value of
6102          * ms_disabled will be accurate when we decide to mark a metaslab
6103          * group as disabled. To do this we force all other threads
6104          * to wait till the metaslab's mg_disabled_updating flag is no
6105          * longer set.
6106          */
6107         metaslab_group_disable_wait(mg);
6108         mg->mg_disabled_updating = B_TRUE;
6109         if (msp->ms_disabled == 0) {
6110                 metaslab_group_disabled_increment(mg);
6111         }
6112         mutex_enter(&msp->ms_lock);
6113         msp->ms_disabled++;
6114         mutex_exit(&msp->ms_lock);
6115
6116         mg->mg_disabled_updating = B_FALSE;
6117         cv_broadcast(&mg->mg_ms_disabled_cv);
6118         mutex_exit(&mg->mg_ms_disabled_lock);
6119 }
6120
6121 void
6122 metaslab_enable(metaslab_t *msp, boolean_t sync, boolean_t unload)
6123 {
6124         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
6125         spa_t *spa = mg->mg_vd->vdev_spa;
6126
6127         /*
6128          * Wait for the outstanding IO to be synced to prevent newly
6129          * allocated blocks from being overwritten.  This used by
6130          * initialize and TRIM which are modifying unallocated space.
6131          */
6132         if (sync)
6133                 txg_wait_synced(spa_get_dsl(spa), 0);
6134
6135         mutex_enter(&mg->mg_ms_disabled_lock);
6136         mutex_enter(&msp->ms_lock);
6137         if (--msp->ms_disabled == 0) {
6138                 mg->mg_ms_disabled--;
6139                 cv_broadcast(&mg->mg_ms_disabled_cv);
6140                 if (unload)
6141                         metaslab_unload(msp);
6142         }
6143         mutex_exit(&msp->ms_lock);
6144         mutex_exit(&mg->mg_ms_disabled_lock);
6145 }
6146
6147 void
6148 metaslab_set_unflushed_dirty(metaslab_t *ms, boolean_t dirty)
6149 {
6150         ms->ms_unflushed_dirty = dirty;
6151 }
6152
6153 static void
6154 metaslab_update_ondisk_flush_data(metaslab_t *ms, dmu_tx_t *tx)
6155 {
6156         vdev_t *vd = ms->ms_group->mg_vd;
6157         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
6158         objset_t *mos = spa_meta_objset(spa);
6159
6160         ASSERT(spa_feature_is_active(spa, SPA_FEATURE_LOG_SPACEMAP));
6161
6162         metaslab_unflushed_phys_t entry = {
6163                 .msp_unflushed_txg = metaslab_unflushed_txg(ms),
6164         };
6165         uint64_t entry_size = sizeof (entry);
6166         uint64_t entry_offset = ms->ms_id * entry_size;
6167
6168         uint64_t object = 0;
6169         int err = zap_lookup(mos, vd->vdev_top_zap,
6170             VDEV_TOP_ZAP_MS_UNFLUSHED_PHYS_TXGS, sizeof (uint64_t), 1,
6171             &object);
6172         if (err == ENOENT) {
6173                 object = dmu_object_alloc(mos, DMU_OTN_UINT64_METADATA,
6174                     SPA_OLD_MAXBLOCKSIZE, DMU_OT_NONE, 0, tx);
6175                 VERIFY0(zap_add(mos, vd->vdev_top_zap,
6176                     VDEV_TOP_ZAP_MS_UNFLUSHED_PHYS_TXGS, sizeof (uint64_t), 1,
6177                     &object, tx));
6178         } else {
6179                 VERIFY0(err);
6180         }
6181
6182         dmu_write(spa_meta_objset(spa), object, entry_offset, entry_size,
6183             &entry, tx);
6184 }
6185
6186 void
6187 metaslab_set_unflushed_txg(metaslab_t *ms, uint64_t txg, dmu_tx_t *tx)
6188 {
6189         ms->ms_unflushed_txg = txg;
6190         metaslab_update_ondisk_flush_data(ms, tx);
6191 }
6192
6193 boolean_t
6194 metaslab_unflushed_dirty(metaslab_t *ms)
6195 {
6196         return (ms->ms_unflushed_dirty);
6197 }
6198
6199 uint64_t
6200 metaslab_unflushed_txg(metaslab_t *ms)
6201 {
6202         return (ms->ms_unflushed_txg);
6203 }
6204
6205 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, aliquot, U64, ZMOD_RW,
6206         "Allocation granularity (a.k.a. stripe size)");
6207
6208 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, debug_load, INT, ZMOD_RW,
6209         "Load all metaslabs when pool is first opened");
6210
6211 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, debug_unload, INT, ZMOD_RW,
6212         "Prevent metaslabs from being unloaded");
6213
6214 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, preload_enabled, INT, ZMOD_RW,
6215         "Preload potential metaslabs during reassessment");
6216
6217 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, preload_limit, UINT, ZMOD_RW,
6218         "Max number of metaslabs per group to preload");
6219
6220 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, unload_delay, UINT, ZMOD_RW,
6221         "Delay in txgs after metaslab was last used before unloading");
6222
6223 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, unload_delay_ms, UINT, ZMOD_RW,
6224         "Delay in milliseconds after metaslab was last used before unloading");
6225
6226 /* BEGIN CSTYLED */
6227 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_mg, zfs_mg_, noalloc_threshold, UINT, ZMOD_RW,
6228         "Percentage of metaslab group size that should be free to make it "
6229         "eligible for allocation");
6230
6231 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_mg, zfs_mg_, fragmentation_threshold, UINT, ZMOD_RW,
6232         "Percentage of metaslab group size that should be considered eligible "
6233         "for allocations unless all metaslab groups within the metaslab class "
6234         "have also crossed this threshold");
6235
6236 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, fragmentation_factor_enabled, INT,
6237         ZMOD_RW,
6238         "Use the fragmentation metric to prefer less fragmented metaslabs");
6239 /* END CSTYLED */
6240
6241 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, zfs_metaslab_, fragmentation_threshold, UINT,
6242         ZMOD_RW, "Fragmentation for metaslab to allow allocation");
6243
6244 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, lba_weighting_enabled, INT, ZMOD_RW,
6245         "Prefer metaslabs with lower LBAs");
6246
6247 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, bias_enabled, INT, ZMOD_RW,
6248         "Enable metaslab group biasing");
6249
6250 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, zfs_metaslab_, segment_weight_enabled, INT,
6251         ZMOD_RW, "Enable segment-based metaslab selection");
6252
6253 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, zfs_metaslab_, switch_threshold, INT, ZMOD_RW,
6254         "Segment-based metaslab selection maximum buckets before switching");
6255
6256 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, force_ganging, U64, ZMOD_RW,
6257         "Blocks larger than this size are sometimes forced to be gang blocks");
6258
6259 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, force_ganging_pct, UINT, ZMOD_RW,
6260         "Percentage of large blocks that will be forced to be gang blocks");
6261
6262 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, df_max_search, UINT, ZMOD_RW,
6263         "Max distance (bytes) to search forward before using size tree");
6264
6265 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, metaslab_, df_use_largest_segment, INT, ZMOD_RW,
6266         "When looking in size tree, use largest segment instead of exact fit");
6267
6268 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, zfs_metaslab_, max_size_cache_sec, U64,
6269         ZMOD_RW, "How long to trust the cached max chunk size of a metaslab");
6270
6271 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, zfs_metaslab_, mem_limit, UINT, ZMOD_RW,
6272         "Percentage of memory that can be used to store metaslab range trees");
6273
6274 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, zfs_metaslab_, try_hard_before_gang, INT,
6275         ZMOD_RW, "Try hard to allocate before ganging");
6276
6277 ZFS_MODULE_PARAM(zfs_metaslab, zfs_metaslab_, find_max_tries, UINT, ZMOD_RW,
6278         "Normally only consider this many of the best metaslabs in each vdev");
6279
6280 /* BEGIN CSTYLED */
6281 ZFS_MODULE_PARAM_CALL(zfs, zfs_, active_allocator,
6282         param_set_active_allocator, param_get_charp, ZMOD_RW,
6283         "SPA active allocator");
6284 /* END CSTYLED */