]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - sys/contrib/openzfs/module/zfs/space_map.c
Initial import from vendor-sys branch of openzfs
[FreeBSD/FreeBSD.git] / sys / contrib / openzfs / module / zfs / space_map.c
1 /*
2  * CDDL HEADER START
3  *
4  * The contents of this file are subject to the terms of the
5  * Common Development and Distribution License (the "License").
6  * You may not use this file except in compliance with the License.
7  *
8  * You can obtain a copy of the license at usr/src/OPENSOLARIS.LICENSE
9  * or http://www.opensolaris.org/os/licensing.
10  * See the License for the specific language governing permissions
11  * and limitations under the License.
12  *
13  * When distributing Covered Code, include this CDDL HEADER in each
14  * file and include the License file at usr/src/OPENSOLARIS.LICENSE.
15  * If applicable, add the following below this CDDL HEADER, with the
16  * fields enclosed by brackets "[]" replaced with your own identifying
17  * information: Portions Copyright [yyyy] [name of copyright owner]
18  *
19  * CDDL HEADER END
20  */
21 /*
22  * Copyright 2009 Sun Microsystems, Inc.  All rights reserved.
23  * Use is subject to license terms.
24  */
25 /*
26  * Copyright (c) 2012, 2019 by Delphix. All rights reserved.
27  */
28
29 #include <sys/zfs_context.h>
30 #include <sys/spa.h>
31 #include <sys/dmu.h>
32 #include <sys/dmu_tx.h>
33 #include <sys/dnode.h>
34 #include <sys/dsl_pool.h>
35 #include <sys/zio.h>
36 #include <sys/space_map.h>
37 #include <sys/zfeature.h>
38
39 /*
40  * Note on space map block size:
41  *
42  * The data for a given space map can be kept on blocks of any size.
43  * Larger blocks entail fewer I/O operations, but they also cause the
44  * DMU to keep more data in-core, and also to waste more I/O bandwidth
45  * when only a few blocks have changed since the last transaction group.
46  */
47
48 /*
49  * Enabled whenever we want to stress test the use of double-word
50  * space map entries.
51  */
52 boolean_t zfs_force_some_double_word_sm_entries = B_FALSE;
53
54 /*
55  * Override the default indirect block size of 128K, instead use 16K for
56  * spacemaps (2^14 bytes).  This dramatically reduces write inflation since
57  * appending to a spacemap typically has to write one data block (4KB) and one
58  * or two indirect blocks (16K-32K, rather than 128K).
59  */
60 int space_map_ibs = 14;
61
62 boolean_t
63 sm_entry_is_debug(uint64_t e)
64 {
65         return (SM_PREFIX_DECODE(e) == SM_DEBUG_PREFIX);
66 }
67
68 boolean_t
69 sm_entry_is_single_word(uint64_t e)
70 {
71         uint8_t prefix = SM_PREFIX_DECODE(e);
72         return (prefix != SM_DEBUG_PREFIX && prefix != SM2_PREFIX);
73 }
74
75 boolean_t
76 sm_entry_is_double_word(uint64_t e)
77 {
78         return (SM_PREFIX_DECODE(e) == SM2_PREFIX);
79 }
80
81 /*
82  * Iterate through the space map, invoking the callback on each (non-debug)
83  * space map entry. Stop after reading 'end' bytes of the space map.
84  */
85 int
86 space_map_iterate(space_map_t *sm, uint64_t end, sm_cb_t callback, void *arg)
87 {
88         uint64_t blksz = sm->sm_blksz;
89
90         ASSERT3U(blksz, !=, 0);
91         ASSERT3U(end, <=, space_map_length(sm));
92         ASSERT0(P2PHASE(end, sizeof (uint64_t)));
93
94         dmu_prefetch(sm->sm_os, space_map_object(sm), 0, 0, end,
95             ZIO_PRIORITY_SYNC_READ);
96
97         int error = 0;
98         uint64_t txg = 0, sync_pass = 0;
99         for (uint64_t block_base = 0; block_base < end && error == 0;
100             block_base += blksz) {
101                 dmu_buf_t *db;
102                 error = dmu_buf_hold(sm->sm_os, space_map_object(sm),
103                     block_base, FTAG, &db, DMU_READ_PREFETCH);
104                 if (error != 0)
105                         return (error);
106
107                 uint64_t *block_start = db->db_data;
108                 uint64_t block_length = MIN(end - block_base, blksz);
109                 uint64_t *block_end = block_start +
110                     (block_length / sizeof (uint64_t));
111
112                 VERIFY0(P2PHASE(block_length, sizeof (uint64_t)));
113                 VERIFY3U(block_length, !=, 0);
114                 ASSERT3U(blksz, ==, db->db_size);
115
116                 for (uint64_t *block_cursor = block_start;
117                     block_cursor < block_end && error == 0; block_cursor++) {
118                         uint64_t e = *block_cursor;
119
120                         if (sm_entry_is_debug(e)) {
121                                 /*
122                                  * Debug entries are only needed to record the
123                                  * current TXG and sync pass if available.
124                                  *
125                                  * Note though that sometimes there can be
126                                  * debug entries that are used as padding
127                                  * at the end of space map blocks in-order
128                                  * to not split a double-word entry in the
129                                  * middle between two blocks. These entries
130                                  * have their TXG field set to 0 and we
131                                  * skip them without recording the TXG.
132                                  * [see comment in space_map_write_seg()]
133                                  */
134                                 uint64_t e_txg = SM_DEBUG_TXG_DECODE(e);
135                                 if (e_txg != 0) {
136                                         txg = e_txg;
137                                         sync_pass = SM_DEBUG_SYNCPASS_DECODE(e);
138                                 } else {
139                                         ASSERT0(SM_DEBUG_SYNCPASS_DECODE(e));
140                                 }
141                                 continue;
142                         }
143
144                         uint64_t raw_offset, raw_run, vdev_id;
145                         maptype_t type;
146                         if (sm_entry_is_single_word(e)) {
147                                 type = SM_TYPE_DECODE(e);
148                                 vdev_id = SM_NO_VDEVID;
149                                 raw_offset = SM_OFFSET_DECODE(e);
150                                 raw_run = SM_RUN_DECODE(e);
151                         } else {
152                                 /* it is a two-word entry */
153                                 ASSERT(sm_entry_is_double_word(e));
154                                 raw_run = SM2_RUN_DECODE(e);
155                                 vdev_id = SM2_VDEV_DECODE(e);
156
157                                 /* move on to the second word */
158                                 block_cursor++;
159                                 e = *block_cursor;
160                                 VERIFY3P(block_cursor, <=, block_end);
161
162                                 type = SM2_TYPE_DECODE(e);
163                                 raw_offset = SM2_OFFSET_DECODE(e);
164                         }
165
166                         uint64_t entry_offset = (raw_offset << sm->sm_shift) +
167                             sm->sm_start;
168                         uint64_t entry_run = raw_run << sm->sm_shift;
169
170                         VERIFY0(P2PHASE(entry_offset, 1ULL << sm->sm_shift));
171                         VERIFY0(P2PHASE(entry_run, 1ULL << sm->sm_shift));
172                         ASSERT3U(entry_offset, >=, sm->sm_start);
173                         ASSERT3U(entry_offset, <, sm->sm_start + sm->sm_size);
174                         ASSERT3U(entry_run, <=, sm->sm_size);
175                         ASSERT3U(entry_offset + entry_run, <=,
176                             sm->sm_start + sm->sm_size);
177
178                         space_map_entry_t sme = {
179                             .sme_type = type,
180                             .sme_vdev = vdev_id,
181                             .sme_offset = entry_offset,
182                             .sme_run = entry_run,
183                             .sme_txg = txg,
184                             .sme_sync_pass = sync_pass
185                         };
186                         error = callback(&sme, arg);
187                 }
188                 dmu_buf_rele(db, FTAG);
189         }
190         return (error);
191 }
192
193 /*
194  * Reads the entries from the last block of the space map into
195  * buf in reverse order. Populates nwords with number of words
196  * in the last block.
197  *
198  * Refer to block comment within space_map_incremental_destroy()
199  * to understand why this function is needed.
200  */
201 static int
202 space_map_reversed_last_block_entries(space_map_t *sm, uint64_t *buf,
203     uint64_t bufsz, uint64_t *nwords)
204 {
205         int error = 0;
206         dmu_buf_t *db;
207
208         /*
209          * Find the offset of the last word in the space map and use
210          * that to read the last block of the space map with
211          * dmu_buf_hold().
212          */
213         uint64_t last_word_offset =
214             sm->sm_phys->smp_length - sizeof (uint64_t);
215         error = dmu_buf_hold(sm->sm_os, space_map_object(sm), last_word_offset,
216             FTAG, &db, DMU_READ_NO_PREFETCH);
217         if (error != 0)
218                 return (error);
219
220         ASSERT3U(sm->sm_object, ==, db->db_object);
221         ASSERT3U(sm->sm_blksz, ==, db->db_size);
222         ASSERT3U(bufsz, >=, db->db_size);
223         ASSERT(nwords != NULL);
224
225         uint64_t *words = db->db_data;
226         *nwords =
227             (sm->sm_phys->smp_length - db->db_offset) / sizeof (uint64_t);
228
229         ASSERT3U(*nwords, <=, bufsz / sizeof (uint64_t));
230
231         uint64_t n = *nwords;
232         uint64_t j = n - 1;
233         for (uint64_t i = 0; i < n; i++) {
234                 uint64_t entry = words[i];
235                 if (sm_entry_is_double_word(entry)) {
236                         /*
237                          * Since we are populating the buffer backwards
238                          * we have to be extra careful and add the two
239                          * words of the double-word entry in the right
240                          * order.
241                          */
242                         ASSERT3U(j, >, 0);
243                         buf[j - 1] = entry;
244
245                         i++;
246                         ASSERT3U(i, <, n);
247                         entry = words[i];
248                         buf[j] = entry;
249                         j -= 2;
250                 } else {
251                         ASSERT(sm_entry_is_debug(entry) ||
252                             sm_entry_is_single_word(entry));
253                         buf[j] = entry;
254                         j--;
255                 }
256         }
257
258         /*
259          * Assert that we wrote backwards all the
260          * way to the beginning of the buffer.
261          */
262         ASSERT3S(j, ==, -1);
263
264         dmu_buf_rele(db, FTAG);
265         return (error);
266 }
267
268 /*
269  * Note: This function performs destructive actions - specifically
270  * it deletes entries from the end of the space map. Thus, callers
271  * should ensure that they are holding the appropriate locks for
272  * the space map that they provide.
273  */
274 int
275 space_map_incremental_destroy(space_map_t *sm, sm_cb_t callback, void *arg,
276     dmu_tx_t *tx)
277 {
278         uint64_t bufsz = MAX(sm->sm_blksz, SPA_MINBLOCKSIZE);
279         uint64_t *buf = zio_buf_alloc(bufsz);
280
281         dmu_buf_will_dirty(sm->sm_dbuf, tx);
282
283         /*
284          * Ideally we would want to iterate from the beginning of the
285          * space map to the end in incremental steps. The issue with this
286          * approach is that we don't have any field on-disk that points
287          * us where to start between each step. We could try zeroing out
288          * entries that we've destroyed, but this doesn't work either as
289          * an entry that is 0 is a valid one (ALLOC for range [0x0:0x200]).
290          *
291          * As a result, we destroy its entries incrementally starting from
292          * the end after applying the callback to each of them.
293          *
294          * The problem with this approach is that we cannot literally
295          * iterate through the words in the space map backwards as we
296          * can't distinguish two-word space map entries from their second
297          * word. Thus we do the following:
298          *
299          * 1] We get all the entries from the last block of the space map
300          *    and put them into a buffer in reverse order. This way the
301          *    last entry comes first in the buffer, the second to last is
302          *    second, etc.
303          * 2] We iterate through the entries in the buffer and we apply
304          *    the callback to each one. As we move from entry to entry we
305          *    we decrease the size of the space map, deleting effectively
306          *    each entry.
307          * 3] If there are no more entries in the space map or the callback
308          *    returns a value other than 0, we stop iterating over the
309          *    space map. If there are entries remaining and the callback
310          *    returned 0, we go back to step [1].
311          */
312         int error = 0;
313         while (space_map_length(sm) > 0 && error == 0) {
314                 uint64_t nwords = 0;
315                 error = space_map_reversed_last_block_entries(sm, buf, bufsz,
316                     &nwords);
317                 if (error != 0)
318                         break;
319
320                 ASSERT3U(nwords, <=, bufsz / sizeof (uint64_t));
321
322                 for (uint64_t i = 0; i < nwords; i++) {
323                         uint64_t e = buf[i];
324
325                         if (sm_entry_is_debug(e)) {
326                                 sm->sm_phys->smp_length -= sizeof (uint64_t);
327                                 continue;
328                         }
329
330                         int words = 1;
331                         uint64_t raw_offset, raw_run, vdev_id;
332                         maptype_t type;
333                         if (sm_entry_is_single_word(e)) {
334                                 type = SM_TYPE_DECODE(e);
335                                 vdev_id = SM_NO_VDEVID;
336                                 raw_offset = SM_OFFSET_DECODE(e);
337                                 raw_run = SM_RUN_DECODE(e);
338                         } else {
339                                 ASSERT(sm_entry_is_double_word(e));
340                                 words = 2;
341
342                                 raw_run = SM2_RUN_DECODE(e);
343                                 vdev_id = SM2_VDEV_DECODE(e);
344
345                                 /* move to the second word */
346                                 i++;
347                                 e = buf[i];
348
349                                 ASSERT3P(i, <=, nwords);
350
351                                 type = SM2_TYPE_DECODE(e);
352                                 raw_offset = SM2_OFFSET_DECODE(e);
353                         }
354
355                         uint64_t entry_offset =
356                             (raw_offset << sm->sm_shift) + sm->sm_start;
357                         uint64_t entry_run = raw_run << sm->sm_shift;
358
359                         VERIFY0(P2PHASE(entry_offset, 1ULL << sm->sm_shift));
360                         VERIFY0(P2PHASE(entry_run, 1ULL << sm->sm_shift));
361                         VERIFY3U(entry_offset, >=, sm->sm_start);
362                         VERIFY3U(entry_offset, <, sm->sm_start + sm->sm_size);
363                         VERIFY3U(entry_run, <=, sm->sm_size);
364                         VERIFY3U(entry_offset + entry_run, <=,
365                             sm->sm_start + sm->sm_size);
366
367                         space_map_entry_t sme = {
368                             .sme_type = type,
369                             .sme_vdev = vdev_id,
370                             .sme_offset = entry_offset,
371                             .sme_run = entry_run
372                         };
373                         error = callback(&sme, arg);
374                         if (error != 0)
375                                 break;
376
377                         if (type == SM_ALLOC)
378                                 sm->sm_phys->smp_alloc -= entry_run;
379                         else
380                                 sm->sm_phys->smp_alloc += entry_run;
381                         sm->sm_phys->smp_length -= words * sizeof (uint64_t);
382                 }
383         }
384
385         if (space_map_length(sm) == 0) {
386                 ASSERT0(error);
387                 ASSERT0(space_map_allocated(sm));
388         }
389
390         zio_buf_free(buf, bufsz);
391         return (error);
392 }
393
394 typedef struct space_map_load_arg {
395         space_map_t     *smla_sm;
396         range_tree_t    *smla_rt;
397         maptype_t       smla_type;
398 } space_map_load_arg_t;
399
400 static int
401 space_map_load_callback(space_map_entry_t *sme, void *arg)
402 {
403         space_map_load_arg_t *smla = arg;
404         if (sme->sme_type == smla->smla_type) {
405                 VERIFY3U(range_tree_space(smla->smla_rt) + sme->sme_run, <=,
406                     smla->smla_sm->sm_size);
407                 range_tree_add(smla->smla_rt, sme->sme_offset, sme->sme_run);
408         } else {
409                 range_tree_remove(smla->smla_rt, sme->sme_offset, sme->sme_run);
410         }
411
412         return (0);
413 }
414
415 /*
416  * Load the spacemap into the rangetree, like space_map_load. But only
417  * read the first 'length' bytes of the spacemap.
418  */
419 int
420 space_map_load_length(space_map_t *sm, range_tree_t *rt, maptype_t maptype,
421     uint64_t length)
422 {
423         space_map_load_arg_t smla;
424
425         VERIFY0(range_tree_space(rt));
426
427         if (maptype == SM_FREE)
428                 range_tree_add(rt, sm->sm_start, sm->sm_size);
429
430         smla.smla_rt = rt;
431         smla.smla_sm = sm;
432         smla.smla_type = maptype;
433         int err = space_map_iterate(sm, length,
434             space_map_load_callback, &smla);
435
436         if (err != 0)
437                 range_tree_vacate(rt, NULL, NULL);
438
439         return (err);
440 }
441
442 /*
443  * Load the space map disk into the specified range tree. Segments of maptype
444  * are added to the range tree, other segment types are removed.
445  */
446 int
447 space_map_load(space_map_t *sm, range_tree_t *rt, maptype_t maptype)
448 {
449         return (space_map_load_length(sm, rt, maptype, space_map_length(sm)));
450 }
451
452 void
453 space_map_histogram_clear(space_map_t *sm)
454 {
455         if (sm->sm_dbuf->db_size != sizeof (space_map_phys_t))
456                 return;
457
458         bzero(sm->sm_phys->smp_histogram, sizeof (sm->sm_phys->smp_histogram));
459 }
460
461 boolean_t
462 space_map_histogram_verify(space_map_t *sm, range_tree_t *rt)
463 {
464         /*
465          * Verify that the in-core range tree does not have any
466          * ranges smaller than our sm_shift size.
467          */
468         for (int i = 0; i < sm->sm_shift; i++) {
469                 if (rt->rt_histogram[i] != 0)
470                         return (B_FALSE);
471         }
472         return (B_TRUE);
473 }
474
475 void
476 space_map_histogram_add(space_map_t *sm, range_tree_t *rt, dmu_tx_t *tx)
477 {
478         int idx = 0;
479
480         ASSERT(dmu_tx_is_syncing(tx));
481         VERIFY3U(space_map_object(sm), !=, 0);
482
483         if (sm->sm_dbuf->db_size != sizeof (space_map_phys_t))
484                 return;
485
486         dmu_buf_will_dirty(sm->sm_dbuf, tx);
487
488         ASSERT(space_map_histogram_verify(sm, rt));
489         /*
490          * Transfer the content of the range tree histogram to the space
491          * map histogram. The space map histogram contains 32 buckets ranging
492          * between 2^sm_shift to 2^(32+sm_shift-1). The range tree,
493          * however, can represent ranges from 2^0 to 2^63. Since the space
494          * map only cares about allocatable blocks (minimum of sm_shift) we
495          * can safely ignore all ranges in the range tree smaller than sm_shift.
496          */
497         for (int i = sm->sm_shift; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
498
499                 /*
500                  * Since the largest histogram bucket in the space map is
501                  * 2^(32+sm_shift-1), we need to normalize the values in
502                  * the range tree for any bucket larger than that size. For
503                  * example given an sm_shift of 9, ranges larger than 2^40
504                  * would get normalized as if they were 1TB ranges. Assume
505                  * the range tree had a count of 5 in the 2^44 (16TB) bucket,
506                  * the calculation below would normalize this to 5 * 2^4 (16).
507                  */
508                 ASSERT3U(i, >=, idx + sm->sm_shift);
509                 sm->sm_phys->smp_histogram[idx] +=
510                     rt->rt_histogram[i] << (i - idx - sm->sm_shift);
511
512                 /*
513                  * Increment the space map's index as long as we haven't
514                  * reached the maximum bucket size. Accumulate all ranges
515                  * larger than the max bucket size into the last bucket.
516                  */
517                 if (idx < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE - 1) {
518                         ASSERT3U(idx + sm->sm_shift, ==, i);
519                         idx++;
520                         ASSERT3U(idx, <, SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE);
521                 }
522         }
523 }
524
525 static void
526 space_map_write_intro_debug(space_map_t *sm, maptype_t maptype, dmu_tx_t *tx)
527 {
528         dmu_buf_will_dirty(sm->sm_dbuf, tx);
529
530         uint64_t dentry = SM_PREFIX_ENCODE(SM_DEBUG_PREFIX) |
531             SM_DEBUG_ACTION_ENCODE(maptype) |
532             SM_DEBUG_SYNCPASS_ENCODE(spa_sync_pass(tx->tx_pool->dp_spa)) |
533             SM_DEBUG_TXG_ENCODE(dmu_tx_get_txg(tx));
534
535         dmu_write(sm->sm_os, space_map_object(sm), sm->sm_phys->smp_length,
536             sizeof (dentry), &dentry, tx);
537
538         sm->sm_phys->smp_length += sizeof (dentry);
539 }
540
541 /*
542  * Writes one or more entries given a segment.
543  *
544  * Note: The function may release the dbuf from the pointer initially
545  * passed to it, and return a different dbuf. Also, the space map's
546  * dbuf must be dirty for the changes in sm_phys to take effect.
547  */
548 static void
549 space_map_write_seg(space_map_t *sm, uint64_t rstart, uint64_t rend,
550     maptype_t maptype, uint64_t vdev_id, uint8_t words, dmu_buf_t **dbp,
551     void *tag, dmu_tx_t *tx)
552 {
553         ASSERT3U(words, !=, 0);
554         ASSERT3U(words, <=, 2);
555
556         /* ensure the vdev_id can be represented by the space map */
557         ASSERT3U(vdev_id, <=, SM_NO_VDEVID);
558
559         /*
560          * if this is a single word entry, ensure that no vdev was
561          * specified.
562          */
563         IMPLY(words == 1, vdev_id == SM_NO_VDEVID);
564
565         dmu_buf_t *db = *dbp;
566         ASSERT3U(db->db_size, ==, sm->sm_blksz);
567
568         uint64_t *block_base = db->db_data;
569         uint64_t *block_end = block_base + (sm->sm_blksz / sizeof (uint64_t));
570         uint64_t *block_cursor = block_base +
571             (sm->sm_phys->smp_length - db->db_offset) / sizeof (uint64_t);
572
573         ASSERT3P(block_cursor, <=, block_end);
574
575         uint64_t size = (rend - rstart) >> sm->sm_shift;
576         uint64_t start = (rstart - sm->sm_start) >> sm->sm_shift;
577         uint64_t run_max = (words == 2) ? SM2_RUN_MAX : SM_RUN_MAX;
578
579         ASSERT3U(rstart, >=, sm->sm_start);
580         ASSERT3U(rstart, <, sm->sm_start + sm->sm_size);
581         ASSERT3U(rend - rstart, <=, sm->sm_size);
582         ASSERT3U(rend, <=, sm->sm_start + sm->sm_size);
583
584         while (size != 0) {
585                 ASSERT3P(block_cursor, <=, block_end);
586
587                 /*
588                  * If we are at the end of this block, flush it and start
589                  * writing again from the beginning.
590                  */
591                 if (block_cursor == block_end) {
592                         dmu_buf_rele(db, tag);
593
594                         uint64_t next_word_offset = sm->sm_phys->smp_length;
595                         VERIFY0(dmu_buf_hold(sm->sm_os,
596                             space_map_object(sm), next_word_offset,
597                             tag, &db, DMU_READ_PREFETCH));
598                         dmu_buf_will_dirty(db, tx);
599
600                         /* update caller's dbuf */
601                         *dbp = db;
602
603                         ASSERT3U(db->db_size, ==, sm->sm_blksz);
604
605                         block_base = db->db_data;
606                         block_cursor = block_base;
607                         block_end = block_base +
608                             (db->db_size / sizeof (uint64_t));
609                 }
610
611                 /*
612                  * If we are writing a two-word entry and we only have one
613                  * word left on this block, just pad it with an empty debug
614                  * entry and write the two-word entry in the next block.
615                  */
616                 uint64_t *next_entry = block_cursor + 1;
617                 if (next_entry == block_end && words > 1) {
618                         ASSERT3U(words, ==, 2);
619                         *block_cursor = SM_PREFIX_ENCODE(SM_DEBUG_PREFIX) |
620                             SM_DEBUG_ACTION_ENCODE(0) |
621                             SM_DEBUG_SYNCPASS_ENCODE(0) |
622                             SM_DEBUG_TXG_ENCODE(0);
623                         block_cursor++;
624                         sm->sm_phys->smp_length += sizeof (uint64_t);
625                         ASSERT3P(block_cursor, ==, block_end);
626                         continue;
627                 }
628
629                 uint64_t run_len = MIN(size, run_max);
630                 switch (words) {
631                 case 1:
632                         *block_cursor = SM_OFFSET_ENCODE(start) |
633                             SM_TYPE_ENCODE(maptype) |
634                             SM_RUN_ENCODE(run_len);
635                         block_cursor++;
636                         break;
637                 case 2:
638                         /* write the first word of the entry */
639                         *block_cursor = SM_PREFIX_ENCODE(SM2_PREFIX) |
640                             SM2_RUN_ENCODE(run_len) |
641                             SM2_VDEV_ENCODE(vdev_id);
642                         block_cursor++;
643
644                         /* move on to the second word of the entry */
645                         ASSERT3P(block_cursor, <, block_end);
646                         *block_cursor = SM2_TYPE_ENCODE(maptype) |
647                             SM2_OFFSET_ENCODE(start);
648                         block_cursor++;
649                         break;
650                 default:
651                         panic("%d-word space map entries are not supported",
652                             words);
653                         break;
654                 }
655                 sm->sm_phys->smp_length += words * sizeof (uint64_t);
656
657                 start += run_len;
658                 size -= run_len;
659         }
660         ASSERT0(size);
661
662 }
663
664 /*
665  * Note: The space map's dbuf must be dirty for the changes in sm_phys to
666  * take effect.
667  */
668 static void
669 space_map_write_impl(space_map_t *sm, range_tree_t *rt, maptype_t maptype,
670     uint64_t vdev_id, dmu_tx_t *tx)
671 {
672         spa_t *spa = tx->tx_pool->dp_spa;
673         dmu_buf_t *db;
674
675         space_map_write_intro_debug(sm, maptype, tx);
676
677 #ifdef ZFS_DEBUG
678         /*
679          * We do this right after we write the intro debug entry
680          * because the estimate does not take it into account.
681          */
682         uint64_t initial_objsize = sm->sm_phys->smp_length;
683         uint64_t estimated_growth =
684             space_map_estimate_optimal_size(sm, rt, SM_NO_VDEVID);
685         uint64_t estimated_final_objsize = initial_objsize + estimated_growth;
686 #endif
687
688         /*
689          * Find the offset right after the last word in the space map
690          * and use that to get a hold of the last block, so we can
691          * start appending to it.
692          */
693         uint64_t next_word_offset = sm->sm_phys->smp_length;
694         VERIFY0(dmu_buf_hold(sm->sm_os, space_map_object(sm),
695             next_word_offset, FTAG, &db, DMU_READ_PREFETCH));
696         ASSERT3U(db->db_size, ==, sm->sm_blksz);
697
698         dmu_buf_will_dirty(db, tx);
699
700         zfs_btree_t *t = &rt->rt_root;
701         zfs_btree_index_t where;
702         for (range_seg_t *rs = zfs_btree_first(t, &where); rs != NULL;
703             rs = zfs_btree_next(t, &where, &where)) {
704                 uint64_t offset = (rs_get_start(rs, rt) - sm->sm_start) >>
705                     sm->sm_shift;
706                 uint64_t length = (rs_get_end(rs, rt) - rs_get_start(rs, rt)) >>
707                     sm->sm_shift;
708                 uint8_t words = 1;
709
710                 /*
711                  * We only write two-word entries when both of the following
712                  * are true:
713                  *
714                  * [1] The feature is enabled.
715                  * [2] The offset or run is too big for a single-word entry,
716                  *      or the vdev_id is set (meaning not equal to
717                  *      SM_NO_VDEVID).
718                  *
719                  * Note that for purposes of testing we've added the case that
720                  * we write two-word entries occasionally when the feature is
721                  * enabled and zfs_force_some_double_word_sm_entries has been
722                  * set.
723                  */
724                 if (spa_feature_is_active(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_V2) &&
725                     (offset >= (1ULL << SM_OFFSET_BITS) ||
726                     length > SM_RUN_MAX ||
727                     vdev_id != SM_NO_VDEVID ||
728                     (zfs_force_some_double_word_sm_entries &&
729                     spa_get_random(100) == 0)))
730                         words = 2;
731
732                 space_map_write_seg(sm, rs_get_start(rs, rt), rs_get_end(rs,
733                     rt), maptype, vdev_id, words, &db, FTAG, tx);
734         }
735
736         dmu_buf_rele(db, FTAG);
737
738 #ifdef ZFS_DEBUG
739         /*
740          * We expect our estimation to be based on the worst case
741          * scenario [see comment in space_map_estimate_optimal_size()].
742          * Therefore we expect the actual objsize to be equal or less
743          * than whatever we estimated it to be.
744          */
745         ASSERT3U(estimated_final_objsize, >=, sm->sm_phys->smp_length);
746 #endif
747 }
748
749 /*
750  * Note: This function manipulates the state of the given space map but
751  * does not hold any locks implicitly. Thus the caller is responsible
752  * for synchronizing writes to the space map.
753  */
754 void
755 space_map_write(space_map_t *sm, range_tree_t *rt, maptype_t maptype,
756     uint64_t vdev_id, dmu_tx_t *tx)
757 {
758         ASSERT(dsl_pool_sync_context(dmu_objset_pool(sm->sm_os)));
759         VERIFY3U(space_map_object(sm), !=, 0);
760
761         dmu_buf_will_dirty(sm->sm_dbuf, tx);
762
763         /*
764          * This field is no longer necessary since the in-core space map
765          * now contains the object number but is maintained for backwards
766          * compatibility.
767          */
768         sm->sm_phys->smp_object = sm->sm_object;
769
770         if (range_tree_is_empty(rt)) {
771                 VERIFY3U(sm->sm_object, ==, sm->sm_phys->smp_object);
772                 return;
773         }
774
775         if (maptype == SM_ALLOC)
776                 sm->sm_phys->smp_alloc += range_tree_space(rt);
777         else
778                 sm->sm_phys->smp_alloc -= range_tree_space(rt);
779
780         uint64_t nodes = zfs_btree_numnodes(&rt->rt_root);
781         uint64_t rt_space = range_tree_space(rt);
782
783         space_map_write_impl(sm, rt, maptype, vdev_id, tx);
784
785         /*
786          * Ensure that the space_map's accounting wasn't changed
787          * while we were in the middle of writing it out.
788          */
789         VERIFY3U(nodes, ==, zfs_btree_numnodes(&rt->rt_root));
790         VERIFY3U(range_tree_space(rt), ==, rt_space);
791 }
792
793 static int
794 space_map_open_impl(space_map_t *sm)
795 {
796         int error;
797         u_longlong_t blocks;
798
799         error = dmu_bonus_hold(sm->sm_os, sm->sm_object, sm, &sm->sm_dbuf);
800         if (error)
801                 return (error);
802
803         dmu_object_size_from_db(sm->sm_dbuf, &sm->sm_blksz, &blocks);
804         sm->sm_phys = sm->sm_dbuf->db_data;
805         return (0);
806 }
807
808 int
809 space_map_open(space_map_t **smp, objset_t *os, uint64_t object,
810     uint64_t start, uint64_t size, uint8_t shift)
811 {
812         space_map_t *sm;
813         int error;
814
815         ASSERT(*smp == NULL);
816         ASSERT(os != NULL);
817         ASSERT(object != 0);
818
819         sm = kmem_alloc(sizeof (space_map_t), KM_SLEEP);
820
821         sm->sm_start = start;
822         sm->sm_size = size;
823         sm->sm_shift = shift;
824         sm->sm_os = os;
825         sm->sm_object = object;
826         sm->sm_blksz = 0;
827         sm->sm_dbuf = NULL;
828         sm->sm_phys = NULL;
829
830         error = space_map_open_impl(sm);
831         if (error != 0) {
832                 space_map_close(sm);
833                 return (error);
834         }
835         *smp = sm;
836
837         return (0);
838 }
839
840 void
841 space_map_close(space_map_t *sm)
842 {
843         if (sm == NULL)
844                 return;
845
846         if (sm->sm_dbuf != NULL)
847                 dmu_buf_rele(sm->sm_dbuf, sm);
848         sm->sm_dbuf = NULL;
849         sm->sm_phys = NULL;
850
851         kmem_free(sm, sizeof (*sm));
852 }
853
854 void
855 space_map_truncate(space_map_t *sm, int blocksize, dmu_tx_t *tx)
856 {
857         objset_t *os = sm->sm_os;
858         spa_t *spa = dmu_objset_spa(os);
859         dmu_object_info_t doi;
860
861         ASSERT(dsl_pool_sync_context(dmu_objset_pool(os)));
862         ASSERT(dmu_tx_is_syncing(tx));
863         VERIFY3U(dmu_tx_get_txg(tx), <=, spa_final_dirty_txg(spa));
864
865         dmu_object_info_from_db(sm->sm_dbuf, &doi);
866
867         /*
868          * If the space map has the wrong bonus size (because
869          * SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM has recently been enabled), or
870          * the wrong block size (because space_map_blksz has changed),
871          * free and re-allocate its object with the updated sizes.
872          *
873          * Otherwise, just truncate the current object.
874          */
875         if ((spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM) &&
876             doi.doi_bonus_size != sizeof (space_map_phys_t)) ||
877             doi.doi_data_block_size != blocksize ||
878             doi.doi_metadata_block_size != 1 << space_map_ibs) {
879                 zfs_dbgmsg("txg %llu, spa %s, sm %px, reallocating "
880                     "object[%llu]: old bonus %u, old blocksz %u",
881                     dmu_tx_get_txg(tx), spa_name(spa), sm, sm->sm_object,
882                     doi.doi_bonus_size, doi.doi_data_block_size);
883
884                 space_map_free(sm, tx);
885                 dmu_buf_rele(sm->sm_dbuf, sm);
886
887                 sm->sm_object = space_map_alloc(sm->sm_os, blocksize, tx);
888                 VERIFY0(space_map_open_impl(sm));
889         } else {
890                 VERIFY0(dmu_free_range(os, space_map_object(sm), 0, -1ULL, tx));
891
892                 /*
893                  * If the spacemap is reallocated, its histogram
894                  * will be reset.  Do the same in the common case so that
895                  * bugs related to the uncommon case do not go unnoticed.
896                  */
897                 bzero(sm->sm_phys->smp_histogram,
898                     sizeof (sm->sm_phys->smp_histogram));
899         }
900
901         dmu_buf_will_dirty(sm->sm_dbuf, tx);
902         sm->sm_phys->smp_length = 0;
903         sm->sm_phys->smp_alloc = 0;
904 }
905
906 uint64_t
907 space_map_alloc(objset_t *os, int blocksize, dmu_tx_t *tx)
908 {
909         spa_t *spa = dmu_objset_spa(os);
910         uint64_t object;
911         int bonuslen;
912
913         if (spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM)) {
914                 spa_feature_incr(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM, tx);
915                 bonuslen = sizeof (space_map_phys_t);
916                 ASSERT3U(bonuslen, <=, dmu_bonus_max());
917         } else {
918                 bonuslen = SPACE_MAP_SIZE_V0;
919         }
920
921         object = dmu_object_alloc_ibs(os, DMU_OT_SPACE_MAP, blocksize,
922             space_map_ibs, DMU_OT_SPACE_MAP_HEADER, bonuslen, tx);
923
924         return (object);
925 }
926
927 void
928 space_map_free_obj(objset_t *os, uint64_t smobj, dmu_tx_t *tx)
929 {
930         spa_t *spa = dmu_objset_spa(os);
931         if (spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM)) {
932                 dmu_object_info_t doi;
933
934                 VERIFY0(dmu_object_info(os, smobj, &doi));
935                 if (doi.doi_bonus_size != SPACE_MAP_SIZE_V0) {
936                         spa_feature_decr(spa,
937                             SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM, tx);
938                 }
939         }
940
941         VERIFY0(dmu_object_free(os, smobj, tx));
942 }
943
944 void
945 space_map_free(space_map_t *sm, dmu_tx_t *tx)
946 {
947         if (sm == NULL)
948                 return;
949
950         space_map_free_obj(sm->sm_os, space_map_object(sm), tx);
951         sm->sm_object = 0;
952 }
953
954 /*
955  * Given a range tree, it makes a worst-case estimate of how much
956  * space would the tree's segments take if they were written to
957  * the given space map.
958  */
959 uint64_t
960 space_map_estimate_optimal_size(space_map_t *sm, range_tree_t *rt,
961     uint64_t vdev_id)
962 {
963         spa_t *spa = dmu_objset_spa(sm->sm_os);
964         uint64_t shift = sm->sm_shift;
965         uint64_t *histogram = rt->rt_histogram;
966         uint64_t entries_for_seg = 0;
967
968         /*
969          * In order to get a quick estimate of the optimal size that this
970          * range tree would have on-disk as a space map, we iterate through
971          * its histogram buckets instead of iterating through its nodes.
972          *
973          * Note that this is a highest-bound/worst-case estimate for the
974          * following reasons:
975          *
976          * 1] We assume that we always add a debug padding for each block
977          *    we write and we also assume that we start at the last word
978          *    of a block attempting to write a two-word entry.
979          * 2] Rounding up errors due to the way segments are distributed
980          *    in the buckets of the range tree's histogram.
981          * 3] The activation of zfs_force_some_double_word_sm_entries
982          *    (tunable) when testing.
983          *
984          * = Math and Rounding Errors =
985          *
986          * rt_histogram[i] bucket of a range tree represents the number
987          * of entries in [2^i, (2^(i+1))-1] of that range_tree. Given
988          * that, we want to divide the buckets into groups: Buckets that
989          * can be represented using a single-word entry, ones that can
990          * be represented with a double-word entry, and ones that can
991          * only be represented with multiple two-word entries.
992          *
993          * [Note that if the new encoding feature is not enabled there
994          * are only two groups: single-word entry buckets and multiple
995          * single-word entry buckets. The information below assumes
996          * two-word entries enabled, but it can easily applied when
997          * the feature is not enabled]
998          *
999          * To find the highest bucket that can be represented with a
1000          * single-word entry we look at the maximum run that such entry
1001          * can have, which is 2^(SM_RUN_BITS + sm_shift) [remember that
1002          * the run of a space map entry is shifted by sm_shift, thus we
1003          * add it to the exponent]. This way, excluding the value of the
1004          * maximum run that can be represented by a single-word entry,
1005          * all runs that are smaller exist in buckets 0 to
1006          * SM_RUN_BITS + shift - 1.
1007          *
1008          * To find the highest bucket that can be represented with a
1009          * double-word entry, we follow the same approach. Finally, any
1010          * bucket higher than that are represented with multiple two-word
1011          * entries. To be more specific, if the highest bucket whose
1012          * segments can be represented with a single two-word entry is X,
1013          * then bucket X+1 will need 2 two-word entries for each of its
1014          * segments, X+2 will need 4, X+3 will need 8, ...etc.
1015          *
1016          * With all of the above we make our estimation based on bucket
1017          * groups. There is a rounding error though. As we mentioned in
1018          * the example with the one-word entry, the maximum run that can
1019          * be represented in a one-word entry 2^(SM_RUN_BITS + shift) is
1020          * not part of bucket SM_RUN_BITS + shift - 1. Thus, segments of
1021          * that length fall into the next bucket (and bucket group) where
1022          * we start counting two-word entries and this is one more reason
1023          * why the estimated size may end up being bigger than the actual
1024          * size written.
1025          */
1026         uint64_t size = 0;
1027         uint64_t idx = 0;
1028
1029         if (!spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_V2) ||
1030             (vdev_id == SM_NO_VDEVID && sm->sm_size < SM_OFFSET_MAX)) {
1031
1032                 /*
1033                  * If we are trying to force some double word entries just
1034                  * assume the worst-case of every single word entry being
1035                  * written as a double word entry.
1036                  */
1037                 uint64_t entry_size =
1038                     (spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_V2) &&
1039                     zfs_force_some_double_word_sm_entries) ?
1040                     (2 * sizeof (uint64_t)) : sizeof (uint64_t);
1041
1042                 uint64_t single_entry_max_bucket = SM_RUN_BITS + shift - 1;
1043                 for (; idx <= single_entry_max_bucket; idx++)
1044                         size += histogram[idx] * entry_size;
1045
1046                 if (!spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_V2)) {
1047                         for (; idx < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; idx++) {
1048                                 ASSERT3U(idx, >=, single_entry_max_bucket);
1049                                 entries_for_seg =
1050                                     1ULL << (idx - single_entry_max_bucket);
1051                                 size += histogram[idx] *
1052                                     entries_for_seg * entry_size;
1053                         }
1054                         return (size);
1055                 }
1056         }
1057
1058         ASSERT(spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_V2));
1059
1060         uint64_t double_entry_max_bucket = SM2_RUN_BITS + shift - 1;
1061         for (; idx <= double_entry_max_bucket; idx++)
1062                 size += histogram[idx] * 2 * sizeof (uint64_t);
1063
1064         for (; idx < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; idx++) {
1065                 ASSERT3U(idx, >=, double_entry_max_bucket);
1066                 entries_for_seg = 1ULL << (idx - double_entry_max_bucket);
1067                 size += histogram[idx] *
1068                     entries_for_seg * 2 * sizeof (uint64_t);
1069         }
1070
1071         /*
1072          * Assume the worst case where we start with the padding at the end
1073          * of the current block and we add an extra padding entry at the end
1074          * of all subsequent blocks.
1075          */
1076         size += ((size / sm->sm_blksz) + 1) * sizeof (uint64_t);
1077
1078         return (size);
1079 }
1080
1081 uint64_t
1082 space_map_object(space_map_t *sm)
1083 {
1084         return (sm != NULL ? sm->sm_object : 0);
1085 }
1086
1087 int64_t
1088 space_map_allocated(space_map_t *sm)
1089 {
1090         return (sm != NULL ? sm->sm_phys->smp_alloc : 0);
1091 }
1092
1093 uint64_t
1094 space_map_length(space_map_t *sm)
1095 {
1096         return (sm != NULL ? sm->sm_phys->smp_length : 0);
1097 }
1098
1099 uint64_t
1100 space_map_nblocks(space_map_t *sm)
1101 {
1102         if (sm == NULL)
1103                 return (0);
1104         return (DIV_ROUND_UP(space_map_length(sm), sm->sm_blksz));
1105 }