]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - sys/contrib/openzfs/module/zfs/space_map.c
zfs: merge openzfs/zfs@59493b63c (master)
[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 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 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         memset(sm->sm_phys->smp_histogram, 0,
459             sizeof (sm->sm_phys->smp_histogram));
460 }
461
462 boolean_t
463 space_map_histogram_verify(space_map_t *sm, range_tree_t *rt)
464 {
465         /*
466          * Verify that the in-core range tree does not have any
467          * ranges smaller than our sm_shift size.
468          */
469         for (int i = 0; i < sm->sm_shift; i++) {
470                 if (rt->rt_histogram[i] != 0)
471                         return (B_FALSE);
472         }
473         return (B_TRUE);
474 }
475
476 void
477 space_map_histogram_add(space_map_t *sm, range_tree_t *rt, dmu_tx_t *tx)
478 {
479         int idx = 0;
480
481         ASSERT(dmu_tx_is_syncing(tx));
482         VERIFY3U(space_map_object(sm), !=, 0);
483
484         if (sm->sm_dbuf->db_size != sizeof (space_map_phys_t))
485                 return;
486
487         dmu_buf_will_dirty(sm->sm_dbuf, tx);
488
489         ASSERT(space_map_histogram_verify(sm, rt));
490         /*
491          * Transfer the content of the range tree histogram to the space
492          * map histogram. The space map histogram contains 32 buckets ranging
493          * between 2^sm_shift to 2^(32+sm_shift-1). The range tree,
494          * however, can represent ranges from 2^0 to 2^63. Since the space
495          * map only cares about allocatable blocks (minimum of sm_shift) we
496          * can safely ignore all ranges in the range tree smaller than sm_shift.
497          */
498         for (int i = sm->sm_shift; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
499
500                 /*
501                  * Since the largest histogram bucket in the space map is
502                  * 2^(32+sm_shift-1), we need to normalize the values in
503                  * the range tree for any bucket larger than that size. For
504                  * example given an sm_shift of 9, ranges larger than 2^40
505                  * would get normalized as if they were 1TB ranges. Assume
506                  * the range tree had a count of 5 in the 2^44 (16TB) bucket,
507                  * the calculation below would normalize this to 5 * 2^4 (16).
508                  */
509                 ASSERT3U(i, >=, idx + sm->sm_shift);
510                 sm->sm_phys->smp_histogram[idx] +=
511                     rt->rt_histogram[i] << (i - idx - sm->sm_shift);
512
513                 /*
514                  * Increment the space map's index as long as we haven't
515                  * reached the maximum bucket size. Accumulate all ranges
516                  * larger than the max bucket size into the last bucket.
517                  */
518                 if (idx < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE - 1) {
519                         ASSERT3U(idx + sm->sm_shift, ==, i);
520                         idx++;
521                         ASSERT3U(idx, <, SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE);
522                 }
523         }
524 }
525
526 static void
527 space_map_write_intro_debug(space_map_t *sm, maptype_t maptype, dmu_tx_t *tx)
528 {
529         dmu_buf_will_dirty(sm->sm_dbuf, tx);
530
531         uint64_t dentry = SM_PREFIX_ENCODE(SM_DEBUG_PREFIX) |
532             SM_DEBUG_ACTION_ENCODE(maptype) |
533             SM_DEBUG_SYNCPASS_ENCODE(spa_sync_pass(tx->tx_pool->dp_spa)) |
534             SM_DEBUG_TXG_ENCODE(dmu_tx_get_txg(tx));
535
536         dmu_write(sm->sm_os, space_map_object(sm), sm->sm_phys->smp_length,
537             sizeof (dentry), &dentry, tx);
538
539         sm->sm_phys->smp_length += sizeof (dentry);
540 }
541
542 /*
543  * Writes one or more entries given a segment.
544  *
545  * Note: The function may release the dbuf from the pointer initially
546  * passed to it, and return a different dbuf. Also, the space map's
547  * dbuf must be dirty for the changes in sm_phys to take effect.
548  */
549 static void
550 space_map_write_seg(space_map_t *sm, uint64_t rstart, uint64_t rend,
551     maptype_t maptype, uint64_t vdev_id, uint8_t words, dmu_buf_t **dbp,
552     const void *tag, dmu_tx_t *tx)
553 {
554         ASSERT3U(words, !=, 0);
555         ASSERT3U(words, <=, 2);
556
557         /* ensure the vdev_id can be represented by the space map */
558         ASSERT3U(vdev_id, <=, SM_NO_VDEVID);
559
560         /*
561          * if this is a single word entry, ensure that no vdev was
562          * specified.
563          */
564         IMPLY(words == 1, vdev_id == SM_NO_VDEVID);
565
566         dmu_buf_t *db = *dbp;
567         ASSERT3U(db->db_size, ==, sm->sm_blksz);
568
569         uint64_t *block_base = db->db_data;
570         uint64_t *block_end = block_base + (sm->sm_blksz / sizeof (uint64_t));
571         uint64_t *block_cursor = block_base +
572             (sm->sm_phys->smp_length - db->db_offset) / sizeof (uint64_t);
573
574         ASSERT3P(block_cursor, <=, block_end);
575
576         uint64_t size = (rend - rstart) >> sm->sm_shift;
577         uint64_t start = (rstart - sm->sm_start) >> sm->sm_shift;
578         uint64_t run_max = (words == 2) ? SM2_RUN_MAX : SM_RUN_MAX;
579
580         ASSERT3U(rstart, >=, sm->sm_start);
581         ASSERT3U(rstart, <, sm->sm_start + sm->sm_size);
582         ASSERT3U(rend - rstart, <=, sm->sm_size);
583         ASSERT3U(rend, <=, sm->sm_start + sm->sm_size);
584
585         while (size != 0) {
586                 ASSERT3P(block_cursor, <=, block_end);
587
588                 /*
589                  * If we are at the end of this block, flush it and start
590                  * writing again from the beginning.
591                  */
592                 if (block_cursor == block_end) {
593                         dmu_buf_rele(db, tag);
594
595                         uint64_t next_word_offset = sm->sm_phys->smp_length;
596                         VERIFY0(dmu_buf_hold(sm->sm_os,
597                             space_map_object(sm), next_word_offset,
598                             tag, &db, DMU_READ_PREFETCH));
599                         dmu_buf_will_dirty(db, tx);
600
601                         /* update caller's dbuf */
602                         *dbp = db;
603
604                         ASSERT3U(db->db_size, ==, sm->sm_blksz);
605
606                         block_base = db->db_data;
607                         block_cursor = block_base;
608                         block_end = block_base +
609                             (db->db_size / sizeof (uint64_t));
610                 }
611
612                 /*
613                  * If we are writing a two-word entry and we only have one
614                  * word left on this block, just pad it with an empty debug
615                  * entry and write the two-word entry in the next block.
616                  */
617                 uint64_t *next_entry = block_cursor + 1;
618                 if (next_entry == block_end && words > 1) {
619                         ASSERT3U(words, ==, 2);
620                         *block_cursor = SM_PREFIX_ENCODE(SM_DEBUG_PREFIX) |
621                             SM_DEBUG_ACTION_ENCODE(0) |
622                             SM_DEBUG_SYNCPASS_ENCODE(0) |
623                             SM_DEBUG_TXG_ENCODE(0);
624                         block_cursor++;
625                         sm->sm_phys->smp_length += sizeof (uint64_t);
626                         ASSERT3P(block_cursor, ==, block_end);
627                         continue;
628                 }
629
630                 uint64_t run_len = MIN(size, run_max);
631                 switch (words) {
632                 case 1:
633                         *block_cursor = SM_OFFSET_ENCODE(start) |
634                             SM_TYPE_ENCODE(maptype) |
635                             SM_RUN_ENCODE(run_len);
636                         block_cursor++;
637                         break;
638                 case 2:
639                         /* write the first word of the entry */
640                         *block_cursor = SM_PREFIX_ENCODE(SM2_PREFIX) |
641                             SM2_RUN_ENCODE(run_len) |
642                             SM2_VDEV_ENCODE(vdev_id);
643                         block_cursor++;
644
645                         /* move on to the second word of the entry */
646                         ASSERT3P(block_cursor, <, block_end);
647                         *block_cursor = SM2_TYPE_ENCODE(maptype) |
648                             SM2_OFFSET_ENCODE(start);
649                         block_cursor++;
650                         break;
651                 default:
652                         panic("%d-word space map entries are not supported",
653                             words);
654                         break;
655                 }
656                 sm->sm_phys->smp_length += words * sizeof (uint64_t);
657
658                 start += run_len;
659                 size -= run_len;
660         }
661         ASSERT0(size);
662
663 }
664
665 /*
666  * Note: The space map's dbuf must be dirty for the changes in sm_phys to
667  * take effect.
668  */
669 static void
670 space_map_write_impl(space_map_t *sm, range_tree_t *rt, maptype_t maptype,
671     uint64_t vdev_id, dmu_tx_t *tx)
672 {
673         spa_t *spa = tx->tx_pool->dp_spa;
674         dmu_buf_t *db;
675
676         space_map_write_intro_debug(sm, maptype, tx);
677
678 #ifdef ZFS_DEBUG
679         /*
680          * We do this right after we write the intro debug entry
681          * because the estimate does not take it into account.
682          */
683         uint64_t initial_objsize = sm->sm_phys->smp_length;
684         uint64_t estimated_growth =
685             space_map_estimate_optimal_size(sm, rt, SM_NO_VDEVID);
686         uint64_t estimated_final_objsize = initial_objsize + estimated_growth;
687 #endif
688
689         /*
690          * Find the offset right after the last word in the space map
691          * and use that to get a hold of the last block, so we can
692          * start appending to it.
693          */
694         uint64_t next_word_offset = sm->sm_phys->smp_length;
695         VERIFY0(dmu_buf_hold(sm->sm_os, space_map_object(sm),
696             next_word_offset, FTAG, &db, DMU_READ_PREFETCH));
697         ASSERT3U(db->db_size, ==, sm->sm_blksz);
698
699         dmu_buf_will_dirty(db, tx);
700
701         zfs_btree_t *t = &rt->rt_root;
702         zfs_btree_index_t where;
703         for (range_seg_t *rs = zfs_btree_first(t, &where); rs != NULL;
704             rs = zfs_btree_next(t, &where, &where)) {
705                 uint64_t offset = (rs_get_start(rs, rt) - sm->sm_start) >>
706                     sm->sm_shift;
707                 uint64_t length = (rs_get_end(rs, rt) - rs_get_start(rs, rt)) >>
708                     sm->sm_shift;
709                 uint8_t words = 1;
710
711                 /*
712                  * We only write two-word entries when both of the following
713                  * are true:
714                  *
715                  * [1] The feature is enabled.
716                  * [2] The offset or run is too big for a single-word entry,
717                  *      or the vdev_id is set (meaning not equal to
718                  *      SM_NO_VDEVID).
719                  *
720                  * Note that for purposes of testing we've added the case that
721                  * we write two-word entries occasionally when the feature is
722                  * enabled and zfs_force_some_double_word_sm_entries has been
723                  * set.
724                  */
725                 if (spa_feature_is_active(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_V2) &&
726                     (offset >= (1ULL << SM_OFFSET_BITS) ||
727                     length > SM_RUN_MAX ||
728                     vdev_id != SM_NO_VDEVID ||
729                     (zfs_force_some_double_word_sm_entries &&
730                     random_in_range(100) == 0)))
731                         words = 2;
732
733                 space_map_write_seg(sm, rs_get_start(rs, rt), rs_get_end(rs,
734                     rt), maptype, vdev_id, words, &db, FTAG, tx);
735         }
736
737         dmu_buf_rele(db, FTAG);
738
739 #ifdef ZFS_DEBUG
740         /*
741          * We expect our estimation to be based on the worst case
742          * scenario [see comment in space_map_estimate_optimal_size()].
743          * Therefore we expect the actual objsize to be equal or less
744          * than whatever we estimated it to be.
745          */
746         ASSERT3U(estimated_final_objsize, >=, sm->sm_phys->smp_length);
747 #endif
748 }
749
750 /*
751  * Note: This function manipulates the state of the given space map but
752  * does not hold any locks implicitly. Thus the caller is responsible
753  * for synchronizing writes to the space map.
754  */
755 void
756 space_map_write(space_map_t *sm, range_tree_t *rt, maptype_t maptype,
757     uint64_t vdev_id, dmu_tx_t *tx)
758 {
759         ASSERT(dsl_pool_sync_context(dmu_objset_pool(sm->sm_os)));
760         VERIFY3U(space_map_object(sm), !=, 0);
761
762         dmu_buf_will_dirty(sm->sm_dbuf, tx);
763
764         /*
765          * This field is no longer necessary since the in-core space map
766          * now contains the object number but is maintained for backwards
767          * compatibility.
768          */
769         sm->sm_phys->smp_object = sm->sm_object;
770
771         if (range_tree_is_empty(rt)) {
772                 VERIFY3U(sm->sm_object, ==, sm->sm_phys->smp_object);
773                 return;
774         }
775
776         if (maptype == SM_ALLOC)
777                 sm->sm_phys->smp_alloc += range_tree_space(rt);
778         else
779                 sm->sm_phys->smp_alloc -= range_tree_space(rt);
780
781         uint64_t nodes = zfs_btree_numnodes(&rt->rt_root);
782         uint64_t rt_space = range_tree_space(rt);
783
784         space_map_write_impl(sm, rt, maptype, vdev_id, tx);
785
786         /*
787          * Ensure that the space_map's accounting wasn't changed
788          * while we were in the middle of writing it out.
789          */
790         VERIFY3U(nodes, ==, zfs_btree_numnodes(&rt->rt_root));
791         VERIFY3U(range_tree_space(rt), ==, rt_space);
792 }
793
794 static int
795 space_map_open_impl(space_map_t *sm)
796 {
797         int error;
798         u_longlong_t blocks;
799
800         error = dmu_bonus_hold(sm->sm_os, sm->sm_object, sm, &sm->sm_dbuf);
801         if (error)
802                 return (error);
803
804         dmu_object_size_from_db(sm->sm_dbuf, &sm->sm_blksz, &blocks);
805         sm->sm_phys = sm->sm_dbuf->db_data;
806         return (0);
807 }
808
809 int
810 space_map_open(space_map_t **smp, objset_t *os, uint64_t object,
811     uint64_t start, uint64_t size, uint8_t shift)
812 {
813         space_map_t *sm;
814         int error;
815
816         ASSERT(*smp == NULL);
817         ASSERT(os != NULL);
818         ASSERT(object != 0);
819
820         sm = kmem_alloc(sizeof (space_map_t), KM_SLEEP);
821
822         sm->sm_start = start;
823         sm->sm_size = size;
824         sm->sm_shift = shift;
825         sm->sm_os = os;
826         sm->sm_object = object;
827         sm->sm_blksz = 0;
828         sm->sm_dbuf = NULL;
829         sm->sm_phys = NULL;
830
831         error = space_map_open_impl(sm);
832         if (error != 0) {
833                 space_map_close(sm);
834                 return (error);
835         }
836         *smp = sm;
837
838         return (0);
839 }
840
841 void
842 space_map_close(space_map_t *sm)
843 {
844         if (sm == NULL)
845                 return;
846
847         if (sm->sm_dbuf != NULL)
848                 dmu_buf_rele(sm->sm_dbuf, sm);
849         sm->sm_dbuf = NULL;
850         sm->sm_phys = NULL;
851
852         kmem_free(sm, sizeof (*sm));
853 }
854
855 void
856 space_map_truncate(space_map_t *sm, int blocksize, dmu_tx_t *tx)
857 {
858         objset_t *os = sm->sm_os;
859         spa_t *spa = dmu_objset_spa(os);
860         dmu_object_info_t doi;
861
862         ASSERT(dsl_pool_sync_context(dmu_objset_pool(os)));
863         ASSERT(dmu_tx_is_syncing(tx));
864         VERIFY3U(dmu_tx_get_txg(tx), <=, spa_final_dirty_txg(spa));
865
866         dmu_object_info_from_db(sm->sm_dbuf, &doi);
867
868         /*
869          * If the space map has the wrong bonus size (because
870          * SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM has recently been enabled), or
871          * the wrong block size (because space_map_blksz has changed),
872          * free and re-allocate its object with the updated sizes.
873          *
874          * Otherwise, just truncate the current object.
875          */
876         if ((spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM) &&
877             doi.doi_bonus_size != sizeof (space_map_phys_t)) ||
878             doi.doi_data_block_size != blocksize ||
879             doi.doi_metadata_block_size != 1 << space_map_ibs) {
880                 zfs_dbgmsg("txg %llu, spa %s, sm %px, reallocating "
881                     "object[%llu]: old bonus %llu, old blocksz %u",
882                     (u_longlong_t)dmu_tx_get_txg(tx), spa_name(spa), sm,
883                     (u_longlong_t)sm->sm_object,
884                     (u_longlong_t)doi.doi_bonus_size,
885                     doi.doi_data_block_size);
886
887                 space_map_free(sm, tx);
888                 dmu_buf_rele(sm->sm_dbuf, sm);
889
890                 sm->sm_object = space_map_alloc(sm->sm_os, blocksize, tx);
891                 VERIFY0(space_map_open_impl(sm));
892         } else {
893                 VERIFY0(dmu_free_range(os, space_map_object(sm), 0, -1ULL, tx));
894
895                 /*
896                  * If the spacemap is reallocated, its histogram
897                  * will be reset.  Do the same in the common case so that
898                  * bugs related to the uncommon case do not go unnoticed.
899                  */
900                 memset(sm->sm_phys->smp_histogram, 0,
901                     sizeof (sm->sm_phys->smp_histogram));
902         }
903
904         dmu_buf_will_dirty(sm->sm_dbuf, tx);
905         sm->sm_phys->smp_length = 0;
906         sm->sm_phys->smp_alloc = 0;
907 }
908
909 uint64_t
910 space_map_alloc(objset_t *os, int blocksize, dmu_tx_t *tx)
911 {
912         spa_t *spa = dmu_objset_spa(os);
913         uint64_t object;
914         int bonuslen;
915
916         if (spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM)) {
917                 spa_feature_incr(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM, tx);
918                 bonuslen = sizeof (space_map_phys_t);
919                 ASSERT3U(bonuslen, <=, dmu_bonus_max());
920         } else {
921                 bonuslen = SPACE_MAP_SIZE_V0;
922         }
923
924         object = dmu_object_alloc_ibs(os, DMU_OT_SPACE_MAP, blocksize,
925             space_map_ibs, DMU_OT_SPACE_MAP_HEADER, bonuslen, tx);
926
927         return (object);
928 }
929
930 void
931 space_map_free_obj(objset_t *os, uint64_t smobj, dmu_tx_t *tx)
932 {
933         spa_t *spa = dmu_objset_spa(os);
934         if (spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM)) {
935                 dmu_object_info_t doi;
936
937                 VERIFY0(dmu_object_info(os, smobj, &doi));
938                 if (doi.doi_bonus_size != SPACE_MAP_SIZE_V0) {
939                         spa_feature_decr(spa,
940                             SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM, tx);
941                 }
942         }
943
944         VERIFY0(dmu_object_free(os, smobj, tx));
945 }
946
947 void
948 space_map_free(space_map_t *sm, dmu_tx_t *tx)
949 {
950         if (sm == NULL)
951                 return;
952
953         space_map_free_obj(sm->sm_os, space_map_object(sm), tx);
954         sm->sm_object = 0;
955 }
956
957 /*
958  * Given a range tree, it makes a worst-case estimate of how much
959  * space would the tree's segments take if they were written to
960  * the given space map.
961  */
962 uint64_t
963 space_map_estimate_optimal_size(space_map_t *sm, range_tree_t *rt,
964     uint64_t vdev_id)
965 {
966         spa_t *spa = dmu_objset_spa(sm->sm_os);
967         uint64_t shift = sm->sm_shift;
968         uint64_t *histogram = rt->rt_histogram;
969         uint64_t entries_for_seg = 0;
970
971         /*
972          * In order to get a quick estimate of the optimal size that this
973          * range tree would have on-disk as a space map, we iterate through
974          * its histogram buckets instead of iterating through its nodes.
975          *
976          * Note that this is a highest-bound/worst-case estimate for the
977          * following reasons:
978          *
979          * 1] We assume that we always add a debug padding for each block
980          *    we write and we also assume that we start at the last word
981          *    of a block attempting to write a two-word entry.
982          * 2] Rounding up errors due to the way segments are distributed
983          *    in the buckets of the range tree's histogram.
984          * 3] The activation of zfs_force_some_double_word_sm_entries
985          *    (tunable) when testing.
986          *
987          * = Math and Rounding Errors =
988          *
989          * rt_histogram[i] bucket of a range tree represents the number
990          * of entries in [2^i, (2^(i+1))-1] of that range_tree. Given
991          * that, we want to divide the buckets into groups: Buckets that
992          * can be represented using a single-word entry, ones that can
993          * be represented with a double-word entry, and ones that can
994          * only be represented with multiple two-word entries.
995          *
996          * [Note that if the new encoding feature is not enabled there
997          * are only two groups: single-word entry buckets and multiple
998          * single-word entry buckets. The information below assumes
999          * two-word entries enabled, but it can easily applied when
1000          * the feature is not enabled]
1001          *
1002          * To find the highest bucket that can be represented with a
1003          * single-word entry we look at the maximum run that such entry
1004          * can have, which is 2^(SM_RUN_BITS + sm_shift) [remember that
1005          * the run of a space map entry is shifted by sm_shift, thus we
1006          * add it to the exponent]. This way, excluding the value of the
1007          * maximum run that can be represented by a single-word entry,
1008          * all runs that are smaller exist in buckets 0 to
1009          * SM_RUN_BITS + shift - 1.
1010          *
1011          * To find the highest bucket that can be represented with a
1012          * double-word entry, we follow the same approach. Finally, any
1013          * bucket higher than that are represented with multiple two-word
1014          * entries. To be more specific, if the highest bucket whose
1015          * segments can be represented with a single two-word entry is X,
1016          * then bucket X+1 will need 2 two-word entries for each of its
1017          * segments, X+2 will need 4, X+3 will need 8, ...etc.
1018          *
1019          * With all of the above we make our estimation based on bucket
1020          * groups. There is a rounding error though. As we mentioned in
1021          * the example with the one-word entry, the maximum run that can
1022          * be represented in a one-word entry 2^(SM_RUN_BITS + shift) is
1023          * not part of bucket SM_RUN_BITS + shift - 1. Thus, segments of
1024          * that length fall into the next bucket (and bucket group) where
1025          * we start counting two-word entries and this is one more reason
1026          * why the estimated size may end up being bigger than the actual
1027          * size written.
1028          */
1029         uint64_t size = 0;
1030         uint64_t idx = 0;
1031
1032         if (!spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_V2) ||
1033             (vdev_id == SM_NO_VDEVID && sm->sm_size < SM_OFFSET_MAX)) {
1034
1035                 /*
1036                  * If we are trying to force some double word entries just
1037                  * assume the worst-case of every single word entry being
1038                  * written as a double word entry.
1039                  */
1040                 uint64_t entry_size =
1041                     (spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_V2) &&
1042                     zfs_force_some_double_word_sm_entries) ?
1043                     (2 * sizeof (uint64_t)) : sizeof (uint64_t);
1044
1045                 uint64_t single_entry_max_bucket = SM_RUN_BITS + shift - 1;
1046                 for (; idx <= single_entry_max_bucket; idx++)
1047                         size += histogram[idx] * entry_size;
1048
1049                 if (!spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_V2)) {
1050                         for (; idx < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; idx++) {
1051                                 ASSERT3U(idx, >=, single_entry_max_bucket);
1052                                 entries_for_seg =
1053                                     1ULL << (idx - single_entry_max_bucket);
1054                                 size += histogram[idx] *
1055                                     entries_for_seg * entry_size;
1056                         }
1057                         return (size);
1058                 }
1059         }
1060
1061         ASSERT(spa_feature_is_enabled(spa, SPA_FEATURE_SPACEMAP_V2));
1062
1063         uint64_t double_entry_max_bucket = SM2_RUN_BITS + shift - 1;
1064         for (; idx <= double_entry_max_bucket; idx++)
1065                 size += histogram[idx] * 2 * sizeof (uint64_t);
1066
1067         for (; idx < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; idx++) {
1068                 ASSERT3U(idx, >=, double_entry_max_bucket);
1069                 entries_for_seg = 1ULL << (idx - double_entry_max_bucket);
1070                 size += histogram[idx] *
1071                     entries_for_seg * 2 * sizeof (uint64_t);
1072         }
1073
1074         /*
1075          * Assume the worst case where we start with the padding at the end
1076          * of the current block and we add an extra padding entry at the end
1077          * of all subsequent blocks.
1078          */
1079         size += ((size / sm->sm_blksz) + 1) * sizeof (uint64_t);
1080
1081         return (size);
1082 }
1083
1084 uint64_t
1085 space_map_object(space_map_t *sm)
1086 {
1087         return (sm != NULL ? sm->sm_object : 0);
1088 }
1089
1090 int64_t
1091 space_map_allocated(space_map_t *sm)
1092 {
1093         return (sm != NULL ? sm->sm_phys->smp_alloc : 0);
1094 }
1095
1096 uint64_t
1097 space_map_length(space_map_t *sm)
1098 {
1099         return (sm != NULL ? sm->sm_phys->smp_length : 0);
1100 }
1101
1102 uint64_t
1103 space_map_nblocks(space_map_t *sm)
1104 {
1105         if (sm == NULL)
1106                 return (0);
1107         return (DIV_ROUND_UP(space_map_length(sm), sm->sm_blksz));
1108 }