sys/cddl/contrib/opensolaris/uts/common/fs/zfs/vdev_queue.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 /*
  27  * Copyright (c) 2012, 2014 by Delphix. All rights reserved.
  28  */
  29
  30 #include <sys/zfs_context.h>
  31 #include <sys/vdev_impl.h>
  32 #include <sys/spa_impl.h>
  33 #include <sys/zio.h>
  34 #include <sys/avl.h>
  35 #include <sys/dsl_pool.h>
  36
  37 /*
  38  * ZFS I/O Scheduler
  39  * ---------------
  40  *
  41  * ZFS issues I/O operations to leaf vdevs to satisfy and complete zios.  The
  42  * I/O scheduler determines when and in what order those operations are
  43  * issued.  The I/O scheduler divides operations into six I/O classes
  44  * prioritized in the following order: sync read, sync write, async read,
  45  * async write, scrub/resilver and trim.  Each queue defines the minimum and
  46  * maximum number of concurrent operations that may be issued to the device.
  47  * In addition, the device has an aggregate maximum. Note that the sum of the
  48  * per-queue minimums must not exceed the aggregate maximum, and if the
  49  * aggregate maximum is equal to or greater than the sum of the per-queue
  50  * maximums, the per-queue minimum has no effect.
  51  *
  52  * For many physical devices, throughput increases with the number of
  53  * concurrent operations, but latency typically suffers. Further, physical
  54  * devices typically have a limit at which more concurrent operations have no
  55  * effect on throughput or can actually cause it to decrease.
  56  *
  57  * The scheduler selects the next operation to issue by first looking for an
  58  * I/O class whose minimum has not been satisfied. Once all are satisfied and
  59  * the aggregate maximum has not been hit, the scheduler looks for classes
  60  * whose maximum has not been satisfied. Iteration through the I/O classes is
  61  * done in the order specified above. No further operations are issued if the
  62  * aggregate maximum number of concurrent operations has been hit or if there
  63  * are no operations queued for an I/O class that has not hit its maximum.
  64  * Every time an I/O is queued or an operation completes, the I/O scheduler
  65  * looks for new operations to issue.
  66  *
  67  * All I/O classes have a fixed maximum number of outstanding operations
  68  * except for the async write class. Asynchronous writes represent the data
  69  * that is committed to stable storage during the syncing stage for
  70  * transaction groups (see txg.c). Transaction groups enter the syncing state
  71  * periodically so the number of queued async writes will quickly burst up and
  72  * then bleed down to zero. Rather than servicing them as quickly as possible,
  73  * the I/O scheduler changes the maximum number of active async write I/Os
  74  * according to the amount of dirty data in the pool (see dsl_pool.c). Since
  75  * both throughput and latency typically increase with the number of
  76  * concurrent operations issued to physical devices, reducing the burstiness
  77  * in the number of concurrent operations also stabilizes the response time of
  78  * operations from other -- and in particular synchronous -- queues. In broad
  79  * strokes, the I/O scheduler will issue more concurrent operations from the
  80  * async write queue as there's more dirty data in the pool.
  81  *
  82  * Async Writes
  83  *
  84  * The number of concurrent operations issued for the async write I/O class
  85  * follows a piece-wise linear function defined by a few adjustable points.
  86  *
  87  *        |                   o---------| <-- zfs_vdev_async_write_max_active
  88  *   ^    |                  /^         |
  89  *   |    |                 / |         |
  90  * active |                /  |         |
  91  *  I/O   |               /   |         |
  92  * count  |              /    |         |
  93  *        |             /     |         |
  94  *        |------------o      |         | <-- zfs_vdev_async_write_min_active
  95  *       0|____________^______|_________|
  96  *        0%           |      |       100% of zfs_dirty_data_max
  97  *                     |      |
  98  *                     |      `-- zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent
  99  *                     `--------- zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent
 100  *
 101  * Until the amount of dirty data exceeds a minimum percentage of the dirty
 102  * data allowed in the pool, the I/O scheduler will limit the number of
 103  * concurrent operations to the minimum. As that threshold is crossed, the
 104  * number of concurrent operations issued increases linearly to the maximum at
 105  * the specified maximum percentage of the dirty data allowed in the pool.
 106  *
 107  * Ideally, the amount of dirty data on a busy pool will stay in the sloped
 108  * part of the function between zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent
 109  * and zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent. If it exceeds the
 110  * maximum percentage, this indicates that the rate of incoming data is
 111  * greater than the rate that the backend storage can handle. In this case, we
 112  * must further throttle incoming writes (see dmu_tx_delay() for details).
 113  */
 114
 115 /*
 116  * The maximum number of I/Os active to each device.  Ideally, this will be >=
 117  * the sum of each queue's max_active.  It must be at least the sum of each
 118  * queue's min_active.
 119  */
 120 uint32_t zfs_vdev_max_active = 1000;
 121
 122 /*
 123  * Per-queue limits on the number of I/Os active to each device.  If the
 124  * sum of the queue's max_active is < zfs_vdev_max_active, then the
 125  * min_active comes into play.  We will send min_active from each queue,
 126  * and then select from queues in the order defined by zio_priority_t.
 127  *
 128  * In general, smaller max_active's will lead to lower latency of synchronous
 129  * operations.  Larger max_active's may lead to higher overall throughput,
 130  * depending on underlying storage.
 131  *
 132  * The ratio of the queues' max_actives determines the balance of performance
 133  * between reads, writes, and scrubs.  E.g., increasing
 134  * zfs_vdev_scrub_max_active will cause the scrub or resilver to complete
 135  * more quickly, but reads and writes to have higher latency and lower
 136  * throughput.
 137  */
 138 uint32_t zfs_vdev_sync_read_min_active = 10;
 139 uint32_t zfs_vdev_sync_read_max_active = 10;
 140 uint32_t zfs_vdev_sync_write_min_active = 10;
 141 uint32_t zfs_vdev_sync_write_max_active = 10;
 142 uint32_t zfs_vdev_async_read_min_active = 1;
 143 uint32_t zfs_vdev_async_read_max_active = 3;
 144 uint32_t zfs_vdev_async_write_min_active = 1;
 145 uint32_t zfs_vdev_async_write_max_active = 10;
 146 uint32_t zfs_vdev_scrub_min_active = 1;
 147 uint32_t zfs_vdev_scrub_max_active = 2;
 148 uint32_t zfs_vdev_trim_min_active = 1;
 149 /*
 150  * TRIM max active is large in comparison to the other values due to the fact
 151  * that TRIM IOs are coalesced at the device layer. This value is set such
 152  * that a typical SSD can process the queued IOs in a single request.
 153  */
 154 uint32_t zfs_vdev_trim_max_active = 64;
 155
 156
 157 /*
 158  * When the pool has less than zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent
 159  * dirty data, use zfs_vdev_async_write_min_active.  When it has more than
 160  * zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent, use
 161  * zfs_vdev_async_write_max_active. The value is linearly interpolated
 162  * between min and max.
 163  */
 164 int zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent = 30;
 165 int zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent = 60;
 166
 167 /*
 168  * To reduce IOPs, we aggregate small adjacent I/Os into one large I/O.
 169  * For read I/Os, we also aggregate across small adjacency gaps; for writes
 170  * we include spans of optional I/Os to aid aggregation at the disk even when
 171  * they aren't able to help us aggregate at this level.
 172  */
 173 int zfs_vdev_aggregation_limit = SPA_OLD_MAXBLOCKSIZE;
 174 int zfs_vdev_read_gap_limit = 32 << 10;
 175 int zfs_vdev_write_gap_limit = 4 << 10;
 176
 177 #ifdef __FreeBSD__
 178 SYSCTL_DECL(_vfs_zfs_vdev);
 179
 180 TUNABLE_INT("vfs.zfs.vdev.async_write_active_min_dirty_percent",
 181     &zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent);
 182 static int sysctl_zfs_async_write_active_min_dirty_percent(SYSCTL_HANDLER_ARGS);
 183 SYSCTL_PROC(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, async_write_active_min_dirty_percent,
 184     CTLTYPE_UINT | CTLFLAG_MPSAFE | CTLFLAG_RWTUN, 0, sizeof(int),
 185     sysctl_zfs_async_write_active_min_dirty_percent, "I",
 186     "Percentage of async write dirty data below which "
 187     "async_write_min_active is used.");
 188
 189 TUNABLE_INT("vfs.zfs.vdev.async_write_active_max_dirty_percent",
 190     &zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent);
 191 static int sysctl_zfs_async_write_active_max_dirty_percent(SYSCTL_HANDLER_ARGS);
 192 SYSCTL_PROC(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, async_write_active_max_dirty_percent,
 193     CTLTYPE_UINT | CTLFLAG_MPSAFE | CTLFLAG_RWTUN, 0, sizeof(int),
 194     sysctl_zfs_async_write_active_max_dirty_percent, "I",
 195     "Percentage of async write dirty data above which "
 196     "async_write_max_active is used.");
 197
 198 TUNABLE_INT("vfs.zfs.vdev.max_active", &zfs_vdev_max_active);
 199 SYSCTL_UINT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, max_active, CTLFLAG_RWTUN,
 200     &zfs_vdev_max_active, 0,
 201     "The maximum number of I/Os of all types active for each device.");
 202
 203 #define ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MIN(name)                                   \
 204 TUNABLE_INT("vfs.zfs.vdev." #name "_min_active",                        \
 205     &zfs_vdev_ ## name ## _min_active);                                 \
 206 SYSCTL_UINT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, name ## _min_active,               \
 207     CTLFLAG_RWTUN, &zfs_vdev_ ## name ## _min_active, 0,                \
 208     "Initial number of I/O requests of type " #name                     \
 209     " active for each device");
 210
 211 #define ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MAX(name)                                   \
 212 TUNABLE_INT("vfs.zfs.vdev." #name "_max_active",                        \
 213     &zfs_vdev_ ## name ## _max_active);                                 \
 214 SYSCTL_UINT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, name ## _max_active,               \
 215     CTLFLAG_RWTUN, &zfs_vdev_ ## name ## _max_active, 0,                \
 216     "Maximum number of I/O requests of type " #name                     \
 217     " active for each device");
 218
 219 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MIN(sync_read);
 220 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MAX(sync_read);
 221 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MIN(sync_write);
 222 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MAX(sync_write);
 223 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MIN(async_read);
 224 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MAX(async_read);
 225 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MIN(async_write);
 226 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MAX(async_write);
 227 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MIN(scrub);
 228 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MAX(scrub);
 229 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MIN(trim);
 230 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MAX(trim);
 231
 232 #undef ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB
 233
 234 TUNABLE_INT("vfs.zfs.vdev.aggregation_limit", &zfs_vdev_aggregation_limit);
 235 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, aggregation_limit, CTLFLAG_RWTUN,
 236     &zfs_vdev_aggregation_limit, 0,
 237     "I/O requests are aggregated up to this size");
 238 TUNABLE_INT("vfs.zfs.vdev.read_gap_limit", &zfs_vdev_read_gap_limit);
 239 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, read_gap_limit, CTLFLAG_RWTUN,
 240     &zfs_vdev_read_gap_limit, 0,
 241     "Acceptable gap between two reads being aggregated");
 242 TUNABLE_INT("vfs.zfs.vdev.write_gap_limit", &zfs_vdev_write_gap_limit);
 243 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, write_gap_limit, CTLFLAG_RWTUN,
 244     &zfs_vdev_write_gap_limit, 0,
 245     "Acceptable gap between two writes being aggregated");
 246
 247 static int
 248 sysctl_zfs_async_write_active_min_dirty_percent(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
 249 {
 250         int val, err;
 251
 252         val = zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent;
 253         err = sysctl_handle_int(oidp, &val, 0, req);
 254         if (err != 0 || req->newptr == NULL)
 255                 return (err);
 256
 257         if (val < 0 || val > 100 ||
 258             val >= zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent)
 259                 return (EINVAL);
 260
 261         zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent = val;
 262
 263         return (0);
 264 }
 265
 266 static int
 267 sysctl_zfs_async_write_active_max_dirty_percent(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
 268 {
 269         int val, err;
 270
 271         val = zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent;
 272         err = sysctl_handle_int(oidp, &val, 0, req);
 273         if (err != 0 || req->newptr == NULL)
 274                 return (err);
 275
 276         if (val < 0 || val > 100 ||
 277             val <= zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent)
 278                 return (EINVAL);
 279
 280         zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent = val;
 281
 282         return (0);
 283 }
 284 #endif
 285
 286 int
 287 vdev_queue_offset_compare(const void *x1, const void *x2)
 288 {
 289         const zio_t *z1 = x1;
 290         const zio_t *z2 = x2;
 291
 292         if (z1->io_offset < z2->io_offset)
 293                 return (-1);
 294         if (z1->io_offset > z2->io_offset)
 295                 return (1);
 296
 297         if (z1 < z2)
 298                 return (-1);
 299         if (z1 > z2)
 300                 return (1);
 301
 302         return (0);
 303 }
 304
 305 int
 306 vdev_queue_timestamp_compare(const void *x1, const void *x2)
 307 {
 308         const zio_t *z1 = x1;
 309         const zio_t *z2 = x2;
 310
 311         if (z1->io_timestamp < z2->io_timestamp)
 312                 return (-1);
 313         if (z1->io_timestamp > z2->io_timestamp)
 314                 return (1);
 315
 316         if (z1->io_offset < z2->io_offset)
 317                 return (-1);
 318         if (z1->io_offset > z2->io_offset)
 319                 return (1);
 320
 321         if (z1 < z2)
 322                 return (-1);
 323         if (z1 > z2)
 324                 return (1);
 325
 326         return (0);
 327 }
 328
 329 void
 330 vdev_queue_init(vdev_t *vd)
 331 {
 332         vdev_queue_t *vq = &vd->vdev_queue;
 333
 334         mutex_init(&vq->vq_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
 335         vq->vq_vdev = vd;
 336
 337         avl_create(&vq->vq_active_tree, vdev_queue_offset_compare,
 338             sizeof (zio_t), offsetof(struct zio, io_queue_node));
 339
 340         for (zio_priority_t p = 0; p < ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE; p++) {
 341                 /*
 342                  * The synchronous i/o queues are FIFO rather than LBA ordered.
 343                  * This provides more consistent latency for these i/os, and
 344                  * they tend to not be tightly clustered anyway so there is
 345                  * little to no throughput loss.
 346                  */
 347                 boolean_t fifo = (p == ZIO_PRIORITY_SYNC_READ ||
 348                     p == ZIO_PRIORITY_SYNC_WRITE);
 349                 avl_create(&vq->vq_class[p].vqc_queued_tree,
 350                     fifo ? vdev_queue_timestamp_compare :
 351                     vdev_queue_offset_compare,
 352                     sizeof (zio_t), offsetof(struct zio, io_queue_node));
 353         }
 354
 355         vq->vq_lastoffset = 0;
 356 }
 357
 358 void
 359 vdev_queue_fini(vdev_t *vd)
 360 {
 361         vdev_queue_t *vq = &vd->vdev_queue;
 362
 363         for (zio_priority_t p = 0; p < ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE; p++)
 364                 avl_destroy(&vq->vq_class[p].vqc_queued_tree);
 365         avl_destroy(&vq->vq_active_tree);
 366
 367         mutex_destroy(&vq->vq_lock);
 368 }
 369
 370 static void
 371 vdev_queue_io_add(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 372 {
 373         spa_t *spa = zio->io_spa;
 374         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 375         ASSERT3U(zio->io_priority, <, ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 376         avl_add(&vq->vq_class[zio->io_priority].vqc_queued_tree, zio);
 377
 378 #ifdef illumos
 379         mutex_enter(&spa->spa_iokstat_lock);
 380         spa->spa_queue_stats[zio->io_priority].spa_queued++;
 381         if (spa->spa_iokstat != NULL)
 382                 kstat_waitq_enter(spa->spa_iokstat->ks_data);
 383         mutex_exit(&spa->spa_iokstat_lock);
 384 #endif
 385 }
 386
 387 static void
 388 vdev_queue_io_remove(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 389 {
 390         spa_t *spa = zio->io_spa;
 391         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 392         ASSERT3U(zio->io_priority, <, ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 393         avl_remove(&vq->vq_class[zio->io_priority].vqc_queued_tree, zio);
 394
 395 #ifdef illumos
 396         mutex_enter(&spa->spa_iokstat_lock);
 397         ASSERT3U(spa->spa_queue_stats[zio->io_priority].spa_queued, >, 0);
 398         spa->spa_queue_stats[zio->io_priority].spa_queued--;
 399         if (spa->spa_iokstat != NULL)
 400                 kstat_waitq_exit(spa->spa_iokstat->ks_data);
 401         mutex_exit(&spa->spa_iokstat_lock);
 402 #endif
 403 }
 404
 405 static void
 406 vdev_queue_pending_add(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 407 {
 408         spa_t *spa = zio->io_spa;
 409         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 410         ASSERT3U(zio->io_priority, <, ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 411         vq->vq_class[zio->io_priority].vqc_active++;
 412         avl_add(&vq->vq_active_tree, zio);
 413
 414 #ifdef illumos
 415         mutex_enter(&spa->spa_iokstat_lock);
 416         spa->spa_queue_stats[zio->io_priority].spa_active++;
 417         if (spa->spa_iokstat != NULL)
 418                 kstat_runq_enter(spa->spa_iokstat->ks_data);
 419         mutex_exit(&spa->spa_iokstat_lock);
 420 #endif
 421 }
 422
 423 static void
 424 vdev_queue_pending_remove(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 425 {
 426         spa_t *spa = zio->io_spa;
 427         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 428         ASSERT3U(zio->io_priority, <, ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 429         vq->vq_class[zio->io_priority].vqc_active--;
 430         avl_remove(&vq->vq_active_tree, zio);
 431
 432 #ifdef illumos
 433         mutex_enter(&spa->spa_iokstat_lock);
 434         ASSERT3U(spa->spa_queue_stats[zio->io_priority].spa_active, >, 0);
 435         spa->spa_queue_stats[zio->io_priority].spa_active--;
 436         if (spa->spa_iokstat != NULL) {
 437                 kstat_io_t *ksio = spa->spa_iokstat->ks_data;
 438
 439                 kstat_runq_exit(spa->spa_iokstat->ks_data);
 440                 if (zio->io_type == ZIO_TYPE_READ) {
 441                         ksio->reads++;
 442                         ksio->nread += zio->io_size;
 443                 } else if (zio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE) {
 444                         ksio->writes++;
 445                         ksio->nwritten += zio->io_size;
 446                 }
 447         }
 448         mutex_exit(&spa->spa_iokstat_lock);
 449 #endif
 450 }
 451
 452 static void
 453 vdev_queue_agg_io_done(zio_t *aio)
 454 {
 455         if (aio->io_type == ZIO_TYPE_READ) {
 456                 zio_t *pio;
 457                 while ((pio = zio_walk_parents(aio)) != NULL) {
 458                         bcopy((char *)aio->io_data + (pio->io_offset -
 459                             aio->io_offset), pio->io_data, pio->io_size);
 460                 }
 461         }
 462
 463         zio_buf_free(aio->io_data, aio->io_size);
 464 }
 465
 466 static int
 467 vdev_queue_class_min_active(zio_priority_t p)
 468 {
 469         switch (p) {
 470         case ZIO_PRIORITY_SYNC_READ:
 471                 return (zfs_vdev_sync_read_min_active);
 472         case ZIO_PRIORITY_SYNC_WRITE:
 473                 return (zfs_vdev_sync_write_min_active);
 474         case ZIO_PRIORITY_ASYNC_READ:
 475                 return (zfs_vdev_async_read_min_active);
 476         case ZIO_PRIORITY_ASYNC_WRITE:
 477                 return (zfs_vdev_async_write_min_active);
 478         case ZIO_PRIORITY_SCRUB:
 479                 return (zfs_vdev_scrub_min_active);
 480         case ZIO_PRIORITY_TRIM:
 481                 return (zfs_vdev_trim_min_active);
 482         default:
 483                 panic("invalid priority %u", p);
 484                 return (0);
 485         }
 486 }
 487
 488 static int
 489 vdev_queue_max_async_writes(spa_t *spa)
 490 {
 491         int writes;
 492         uint64_t dirty = spa->spa_dsl_pool->dp_dirty_total;
 493         uint64_t min_bytes = zfs_dirty_data_max *
 494             zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent / 100;
 495         uint64_t max_bytes = zfs_dirty_data_max *
 496             zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent / 100;
 497
 498         /*
 499          * Sync tasks correspond to interactive user actions. To reduce the
 500          * execution time of those actions we push data out as fast as possible.
 501          */
 502         if (spa_has_pending_synctask(spa)) {
 503                 return (zfs_vdev_async_write_max_active);
 504         }
 505
 506         if (dirty < min_bytes)
 507                 return (zfs_vdev_async_write_min_active);
 508         if (dirty > max_bytes)
 509                 return (zfs_vdev_async_write_max_active);
 510
 511         /*
 512          * linear interpolation:
 513          * slope = (max_writes - min_writes) / (max_bytes - min_bytes)
 514          * move right by min_bytes
 515          * move up by min_writes
 516          */
 517         writes = (dirty - min_bytes) *
 518             (zfs_vdev_async_write_max_active -
 519             zfs_vdev_async_write_min_active) /
 520             (max_bytes - min_bytes) +
 521             zfs_vdev_async_write_min_active;
 522         ASSERT3U(writes, >=, zfs_vdev_async_write_min_active);
 523         ASSERT3U(writes, <=, zfs_vdev_async_write_max_active);
 524         return (writes);
 525 }
 526
 527 static int
 528 vdev_queue_class_max_active(spa_t *spa, zio_priority_t p)
 529 {
 530         switch (p) {
 531         case ZIO_PRIORITY_SYNC_READ:
 532                 return (zfs_vdev_sync_read_max_active);
 533         case ZIO_PRIORITY_SYNC_WRITE:
 534                 return (zfs_vdev_sync_write_max_active);
 535         case ZIO_PRIORITY_ASYNC_READ:
 536                 return (zfs_vdev_async_read_max_active);
 537         case ZIO_PRIORITY_ASYNC_WRITE:
 538                 return (vdev_queue_max_async_writes(spa));
 539         case ZIO_PRIORITY_SCRUB:
 540                 return (zfs_vdev_scrub_max_active);
 541         case ZIO_PRIORITY_TRIM:
 542                 return (zfs_vdev_trim_max_active);
 543         default:
 544                 panic("invalid priority %u", p);
 545                 return (0);
 546         }
 547 }
 548
 549 /*
 550  * Return the i/o class to issue from, or ZIO_PRIORITY_MAX_QUEUEABLE if
 551  * there is no eligible class.
 552  */
 553 static zio_priority_t
 554 vdev_queue_class_to_issue(vdev_queue_t *vq)
 555 {
 556         spa_t *spa = vq->vq_vdev->vdev_spa;
 557         zio_priority_t p;
 558
 559         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 560
 561         if (avl_numnodes(&vq->vq_active_tree) >= zfs_vdev_max_active)
 562                 return (ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 563
 564         /* find a queue that has not reached its minimum # outstanding i/os */
 565         for (p = 0; p < ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE; p++) {
 566                 if (avl_numnodes(&vq->vq_class[p].vqc_queued_tree) > 0 &&
 567                     vq->vq_class[p].vqc_active <
 568                     vdev_queue_class_min_active(p))
 569                         return (p);
 570         }
 571
 572         /*
 573          * If we haven't found a queue, look for one that hasn't reached its
 574          * maximum # outstanding i/os.
 575          */
 576         for (p = 0; p < ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE; p++) {
 577                 if (avl_numnodes(&vq->vq_class[p].vqc_queued_tree) > 0 &&
 578                     vq->vq_class[p].vqc_active <
 579                     vdev_queue_class_max_active(spa, p))
 580                         return (p);
 581         }
 582
 583         /* No eligible queued i/os */
 584         return (ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 585 }
 586
 587 /*
 588  * Compute the range spanned by two i/os, which is the endpoint of the last
 589  * (lio->io_offset + lio->io_size) minus start of the first (fio->io_offset).
 590  * Conveniently, the gap between fio and lio is given by -IO_SPAN(lio, fio);
 591  * thus fio and lio are adjacent if and only if IO_SPAN(lio, fio) == 0.
 592  */
 593 #define IO_SPAN(fio, lio) ((lio)->io_offset + (lio)->io_size - (fio)->io_offset)
 594 #define IO_GAP(fio, lio) (-IO_SPAN(lio, fio))
 595
 596 static zio_t *
 597 vdev_queue_aggregate(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 598 {
 599         zio_t *first, *last, *aio, *dio, *mandatory, *nio;
 600         uint64_t maxgap = 0;
 601         uint64_t size;
 602         boolean_t stretch;
 603         avl_tree_t *t;
 604         enum zio_flag flags;
 605
 606         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 607
 608         if (zio->io_flags & ZIO_FLAG_DONT_AGGREGATE)
 609                 return (NULL);
 610
 611         /*
 612          * The synchronous i/o queues are not sorted by LBA, so we can't
 613          * find adjacent i/os.  These i/os tend to not be tightly clustered,
 614          * or too large to aggregate, so this has little impact on performance.
 615          */
 616         if (zio->io_priority == ZIO_PRIORITY_SYNC_READ ||
 617             zio->io_priority == ZIO_PRIORITY_SYNC_WRITE)
 618                 return (NULL);
 619
 620         first = last = zio;
 621
 622         if (zio->io_type == ZIO_TYPE_READ)
 623                 maxgap = zfs_vdev_read_gap_limit;
 624
 625         /*
 626          * We can aggregate I/Os that are sufficiently adjacent and of
 627          * the same flavor, as expressed by the AGG_INHERIT flags.
 628          * The latter requirement is necessary so that certain
 629          * attributes of the I/O, such as whether it's a normal I/O
 630          * or a scrub/resilver, can be preserved in the aggregate.
 631          * We can include optional I/Os, but don't allow them
 632          * to begin a range as they add no benefit in that situation.
 633          */
 634
 635         /*
 636          * We keep track of the last non-optional I/O.
 637          */
 638         mandatory = (first->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL) ? NULL : first;
 639
 640         /*
 641          * Walk backwards through sufficiently contiguous I/Os
 642          * recording the last non-option I/O.
 643          */
 644         flags = zio->io_flags & ZIO_FLAG_AGG_INHERIT;
 645         t = &vq->vq_class[zio->io_priority].vqc_queued_tree;
 646         while ((dio = AVL_PREV(t, first)) != NULL &&
 647             (dio->io_flags & ZIO_FLAG_AGG_INHERIT) == flags &&
 648             IO_SPAN(dio, last) <= zfs_vdev_aggregation_limit &&
 649             IO_GAP(dio, first) <= maxgap) {
 650                 first = dio;
 651                 if (mandatory == NULL && !(first->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL))
 652                         mandatory = first;
 653         }
 654
 655         /*
 656          * Skip any initial optional I/Os.
 657          */
 658         while ((first->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL) && first != last) {
 659                 first = AVL_NEXT(t, first);
 660                 ASSERT(first != NULL);
 661         }
 662
 663         /*
 664          * Walk forward through sufficiently contiguous I/Os.
 665          */
 666         while ((dio = AVL_NEXT(t, last)) != NULL &&
 667             (dio->io_flags & ZIO_FLAG_AGG_INHERIT) == flags &&
 668             IO_SPAN(first, dio) <= zfs_vdev_aggregation_limit &&
 669             IO_GAP(last, dio) <= maxgap) {
 670                 last = dio;
 671                 if (!(last->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL))
 672                         mandatory = last;
 673         }
 674
 675         /*
 676          * Now that we've established the range of the I/O aggregation
 677          * we must decide what to do with trailing optional I/Os.
 678          * For reads, there's nothing to do. While we are unable to
 679          * aggregate further, it's possible that a trailing optional
 680          * I/O would allow the underlying device to aggregate with
 681          * subsequent I/Os. We must therefore determine if the next
 682          * non-optional I/O is close enough to make aggregation
 683          * worthwhile.
 684          */
 685         stretch = B_FALSE;
 686         if (zio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE && mandatory != NULL) {
 687                 zio_t *nio = last;
 688                 while ((dio = AVL_NEXT(t, nio)) != NULL &&
 689                     IO_GAP(nio, dio) == 0 &&
 690                     IO_GAP(mandatory, dio) <= zfs_vdev_write_gap_limit) {
 691                         nio = dio;
 692                         if (!(nio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL)) {
 693                                 stretch = B_TRUE;
 694                                 break;
 695                         }
 696                 }
 697         }
 698
 699         if (stretch) {
 700                 /* This may be a no-op. */
 701                 dio = AVL_NEXT(t, last);
 702                 dio->io_flags &= ~ZIO_FLAG_OPTIONAL;
 703         } else {
 704                 while (last != mandatory && last != first) {
 705                         ASSERT(last->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL);
 706                         last = AVL_PREV(t, last);
 707                         ASSERT(last != NULL);
 708                 }
 709         }
 710
 711         if (first == last)
 712                 return (NULL);
 713
 714         size = IO_SPAN(first, last);
 715         ASSERT3U(size, <=, zfs_vdev_aggregation_limit);
 716
 717         aio = zio_vdev_delegated_io(first->io_vd, first->io_offset,
 718             zio_buf_alloc(size), size, first->io_type, zio->io_priority,
 719             flags | ZIO_FLAG_DONT_CACHE | ZIO_FLAG_DONT_QUEUE,
 720             vdev_queue_agg_io_done, NULL);
 721         aio->io_timestamp = first->io_timestamp;
 722
 723         nio = first;
 724         do {
 725                 dio = nio;
 726                 nio = AVL_NEXT(t, dio);
 727                 ASSERT3U(dio->io_type, ==, aio->io_type);
 728
 729                 if (dio->io_flags & ZIO_FLAG_NODATA) {
 730                         ASSERT3U(dio->io_type, ==, ZIO_TYPE_WRITE);
 731                         bzero((char *)aio->io_data + (dio->io_offset -
 732                             aio->io_offset), dio->io_size);
 733                 } else if (dio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE) {
 734                         bcopy(dio->io_data, (char *)aio->io_data +
 735                             (dio->io_offset - aio->io_offset),
 736                             dio->io_size);
 737                 }
 738
 739                 zio_add_child(dio, aio);
 740                 vdev_queue_io_remove(vq, dio);
 741                 zio_vdev_io_bypass(dio);
 742                 zio_execute(dio);
 743         } while (dio != last);
 744
 745         return (aio);
 746 }
 747
 748 static zio_t *
 749 vdev_queue_io_to_issue(vdev_queue_t *vq)
 750 {
 751         zio_t *zio, *aio;
 752         zio_priority_t p;
 753         avl_index_t idx;
 754         vdev_queue_class_t *vqc;
 755         zio_t search;
 756
 757 again:
 758         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 759
 760         p = vdev_queue_class_to_issue(vq);
 761
 762         if (p == ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE) {
 763                 /* No eligible queued i/os */
 764                 return (NULL);
 765         }
 766
 767         /*
 768          * For LBA-ordered queues (async / scrub), issue the i/o which follows
 769          * the most recently issued i/o in LBA (offset) order.
 770          *
 771          * For FIFO queues (sync), issue the i/o with the lowest timestamp.
 772          */
 773         vqc = &vq->vq_class[p];
 774         search.io_timestamp = 0;
 775         search.io_offset = vq->vq_last_offset + 1;
 776         VERIFY3P(avl_find(&vqc->vqc_queued_tree, &search, &idx), ==, NULL);
 777         zio = avl_nearest(&vqc->vqc_queued_tree, idx, AVL_AFTER);
 778         if (zio == NULL)
 779                 zio = avl_first(&vqc->vqc_queued_tree);
 780         ASSERT3U(zio->io_priority, ==, p);
 781
 782         aio = vdev_queue_aggregate(vq, zio);
 783         if (aio != NULL)
 784                 zio = aio;
 785         else
 786                 vdev_queue_io_remove(vq, zio);
 787
 788         /*
 789          * If the I/O is or was optional and therefore has no data, we need to
 790          * simply discard it. We need to drop the vdev queue's lock to avoid a
 791          * deadlock that we could encounter since this I/O will complete
 792          * immediately.
 793          */
 794         if (zio->io_flags & ZIO_FLAG_NODATA) {
 795                 mutex_exit(&vq->vq_lock);
 796                 zio_vdev_io_bypass(zio);
 797                 zio_execute(zio);
 798                 mutex_enter(&vq->vq_lock);
 799                 goto again;
 800         }
 801
 802         vdev_queue_pending_add(vq, zio);
 803         vq->vq_last_offset = zio->io_offset;
 804
 805         return (zio);
 806 }
 807
 808 zio_t *
 809 vdev_queue_io(zio_t *zio)
 810 {
 811         vdev_queue_t *vq = &zio->io_vd->vdev_queue;
 812         zio_t *nio;
 813
 814         if (zio->io_flags & ZIO_FLAG_DONT_QUEUE)
 815                 return (zio);
 816
 817         /*
 818          * Children i/os inherent their parent's priority, which might
 819          * not match the child's i/o type.  Fix it up here.
 820          */
 821         if (zio->io_type == ZIO_TYPE_READ) {
 822                 if (zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_SYNC_READ &&
 823                     zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_ASYNC_READ &&
 824                     zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_SCRUB)
 825                         zio->io_priority = ZIO_PRIORITY_ASYNC_READ;
 826         } else if (zio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE) {
 827                 if (zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_SYNC_WRITE &&
 828                     zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_ASYNC_WRITE)
 829                         zio->io_priority = ZIO_PRIORITY_ASYNC_WRITE;
 830         } else {
 831                 ASSERT(zio->io_type == ZIO_TYPE_FREE);
 832                 zio->io_priority = ZIO_PRIORITY_TRIM;
 833         }
 834
 835         zio->io_flags |= ZIO_FLAG_DONT_CACHE | ZIO_FLAG_DONT_QUEUE;
 836
 837         mutex_enter(&vq->vq_lock);
 838         zio->io_timestamp = gethrtime();
 839         vdev_queue_io_add(vq, zio);
 840         nio = vdev_queue_io_to_issue(vq);
 841         mutex_exit(&vq->vq_lock);
 842
 843         if (nio == NULL)
 844                 return (NULL);
 845
 846         if (nio->io_done == vdev_queue_agg_io_done) {
 847                 zio_nowait(nio);
 848                 return (NULL);
 849         }
 850
 851         return (nio);
 852 }
 853
 854 void
 855 vdev_queue_io_done(zio_t *zio)
 856 {
 857         vdev_queue_t *vq = &zio->io_vd->vdev_queue;
 858         zio_t *nio;
 859
 860         if (zio_injection_enabled)
 861                 delay(SEC_TO_TICK(zio_handle_io_delay(zio)));
 862
 863         mutex_enter(&vq->vq_lock);
 864
 865         vdev_queue_pending_remove(vq, zio);
 866
 867         vq->vq_io_complete_ts = gethrtime();
 868
 869         while ((nio = vdev_queue_io_to_issue(vq)) != NULL) {
 870                 mutex_exit(&vq->vq_lock);
 871                 if (nio->io_done == vdev_queue_agg_io_done) {
 872                         zio_nowait(nio);
 873                 } else {
 874                         zio_vdev_io_reissue(nio);
 875                         zio_execute(nio);
 876                 }
 877                 mutex_enter(&vq->vq_lock);
 878         }
 879
 880         mutex_exit(&vq->vq_lock);
 881 }
 882
 883 /*
 884  * As these three methods are only used for load calculations we're not concerned
 885  * if we get an incorrect value on 32bit platforms due to lack of vq_lock mutex
 886  * use here, instead we prefer to keep it lock free for performance.
 887  */
 888 int
 889 vdev_queue_length(vdev_t *vd)
 890 {
 891         return (avl_numnodes(&vd->vdev_queue.vq_active_tree));
 892 }
 893
 894 uint64_t
 895 vdev_queue_lastoffset(vdev_t *vd)
 896 {
 897         return (vd->vdev_queue.vq_lastoffset);
 898 }
 899
 900 void
 901 vdev_queue_register_lastoffset(vdev_t *vd, zio_t *zio)
 902 {
 903         vd->vdev_queue.vq_lastoffset = zio->io_offset + zio->io_size;
 904 }