]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/releng/10.3.git/blob - sys/cddl/contrib/opensolaris/uts/common/fs/zfs/metaslab.c
- Copy stable/10@296371 to releng/10.3 in preparation for 10.3-RC1
[FreeBSD/releng/10.3.git] / sys / cddl / contrib / opensolaris / uts / common / fs / zfs / metaslab.c
1 /*
2  * CDDL HEADER START
3  *
4  * The contents of this file are subject to the terms of the
5  * Common Development and Distribution License (the "License").
6  * You may not use this file except in compliance with the License.
7  *
8  * You can obtain a copy of the license at usr/src/OPENSOLARIS.LICENSE
9  * or 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 (c) 2005, 2010, Oracle and/or its affiliates. All rights reserved.
23  * Copyright (c) 2011, 2015 by Delphix. All rights reserved.
24  * Copyright (c) 2013 by Saso Kiselkov. All rights reserved.
25  */
26
27 #include <sys/zfs_context.h>
28 #include <sys/dmu.h>
29 #include <sys/dmu_tx.h>
30 #include <sys/space_map.h>
31 #include <sys/metaslab_impl.h>
32 #include <sys/vdev_impl.h>
33 #include <sys/zio.h>
34 #include <sys/spa_impl.h>
35 #include <sys/zfeature.h>
36
37 SYSCTL_DECL(_vfs_zfs);
38 SYSCTL_NODE(_vfs_zfs, OID_AUTO, metaslab, CTLFLAG_RW, 0, "ZFS metaslab");
39
40 /*
41  * Allow allocations to switch to gang blocks quickly. We do this to
42  * avoid having to load lots of space_maps in a given txg. There are,
43  * however, some cases where we want to avoid "fast" ganging and instead
44  * we want to do an exhaustive search of all metaslabs on this device.
45  * Currently we don't allow any gang, slog, or dump device related allocations
46  * to "fast" gang.
47  */
48 #define CAN_FASTGANG(flags) \
49         (!((flags) & (METASLAB_GANG_CHILD | METASLAB_GANG_HEADER | \
50         METASLAB_GANG_AVOID)))
51
52 #define METASLAB_WEIGHT_PRIMARY         (1ULL << 63)
53 #define METASLAB_WEIGHT_SECONDARY       (1ULL << 62)
54 #define METASLAB_ACTIVE_MASK            \
55         (METASLAB_WEIGHT_PRIMARY | METASLAB_WEIGHT_SECONDARY)
56
57 uint64_t metaslab_aliquot = 512ULL << 10;
58 uint64_t metaslab_gang_bang = SPA_MAXBLOCKSIZE + 1;     /* force gang blocks */
59 TUNABLE_QUAD("vfs.zfs.metaslab.gang_bang", &metaslab_gang_bang);
60 SYSCTL_QUAD(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, gang_bang, CTLFLAG_RWTUN,
61     &metaslab_gang_bang, 0,
62     "Force gang block allocation for blocks larger than or equal to this value");
63
64 /*
65  * The in-core space map representation is more compact than its on-disk form.
66  * The zfs_condense_pct determines how much more compact the in-core
67  * space_map representation must be before we compact it on-disk.
68  * Values should be greater than or equal to 100.
69  */
70 int zfs_condense_pct = 200;
71 TUNABLE_INT("vfs.zfs.condense_pct", &zfs_condense_pct);
72 SYSCTL_INT(_vfs_zfs, OID_AUTO, condense_pct, CTLFLAG_RWTUN,
73     &zfs_condense_pct, 0,
74     "Condense on-disk spacemap when it is more than this many percents"
75     " of in-memory counterpart");
76
77 /*
78  * Condensing a metaslab is not guaranteed to actually reduce the amount of
79  * space used on disk. In particular, a space map uses data in increments of
80  * MAX(1 << ashift, space_map_blksize), so a metaslab might use the
81  * same number of blocks after condensing. Since the goal of condensing is to
82  * reduce the number of IOPs required to read the space map, we only want to
83  * condense when we can be sure we will reduce the number of blocks used by the
84  * space map. Unfortunately, we cannot precisely compute whether or not this is
85  * the case in metaslab_should_condense since we are holding ms_lock. Instead,
86  * we apply the following heuristic: do not condense a spacemap unless the
87  * uncondensed size consumes greater than zfs_metaslab_condense_block_threshold
88  * blocks.
89  */
90 int zfs_metaslab_condense_block_threshold = 4;
91
92 /*
93  * The zfs_mg_noalloc_threshold defines which metaslab groups should
94  * be eligible for allocation. The value is defined as a percentage of
95  * free space. Metaslab groups that have more free space than
96  * zfs_mg_noalloc_threshold are always eligible for allocations. Once
97  * a metaslab group's free space is less than or equal to the
98  * zfs_mg_noalloc_threshold the allocator will avoid allocating to that
99  * group unless all groups in the pool have reached zfs_mg_noalloc_threshold.
100  * Once all groups in the pool reach zfs_mg_noalloc_threshold then all
101  * groups are allowed to accept allocations. Gang blocks are always
102  * eligible to allocate on any metaslab group. The default value of 0 means
103  * no metaslab group will be excluded based on this criterion.
104  */
105 int zfs_mg_noalloc_threshold = 0;
106 TUNABLE_INT("vfs.zfs.mg_noalloc_threshold", &zfs_mg_noalloc_threshold);
107 SYSCTL_INT(_vfs_zfs, OID_AUTO, mg_noalloc_threshold, CTLFLAG_RWTUN,
108     &zfs_mg_noalloc_threshold, 0,
109     "Percentage of metaslab group size that should be free"
110     " to make it eligible for allocation");
111
112 /*
113  * Metaslab groups are considered eligible for allocations if their
114  * fragmenation metric (measured as a percentage) is less than or equal to
115  * zfs_mg_fragmentation_threshold. If a metaslab group exceeds this threshold
116  * then it will be skipped unless all metaslab groups within the metaslab
117  * class have also crossed this threshold.
118  */
119 int zfs_mg_fragmentation_threshold = 85;
120 TUNABLE_INT("vfs.zfs.mg_fragmentation_threshold", &zfs_mg_fragmentation_threshold);
121 SYSCTL_INT(_vfs_zfs, OID_AUTO, mg_fragmentation_threshold, CTLFLAG_RWTUN,
122     &zfs_mg_fragmentation_threshold, 0,
123     "Percentage of metaslab group size that should be considered "
124     "eligible for allocations unless all metaslab groups within the metaslab class "
125     "have also crossed this threshold");
126
127 /*
128  * Allow metaslabs to keep their active state as long as their fragmentation
129  * percentage is less than or equal to zfs_metaslab_fragmentation_threshold. An
130  * active metaslab that exceeds this threshold will no longer keep its active
131  * status allowing better metaslabs to be selected.
132  */
133 int zfs_metaslab_fragmentation_threshold = 70;
134 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.fragmentation_threshold",
135     &zfs_metaslab_fragmentation_threshold);
136 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, fragmentation_threshold, CTLFLAG_RWTUN,
137     &zfs_metaslab_fragmentation_threshold, 0,
138     "Maximum percentage of metaslab fragmentation level to keep their active state");
139
140 /*
141  * When set will load all metaslabs when pool is first opened.
142  */
143 int metaslab_debug_load = 0;
144 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.debug_load", &metaslab_debug_load);
145 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, debug_load, CTLFLAG_RWTUN,
146     &metaslab_debug_load, 0,
147     "Load all metaslabs when pool is first opened");
148
149 /*
150  * When set will prevent metaslabs from being unloaded.
151  */
152 int metaslab_debug_unload = 0;
153 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.debug_unload", &metaslab_debug_unload);
154 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, debug_unload, CTLFLAG_RWTUN,
155     &metaslab_debug_unload, 0,
156     "Prevent metaslabs from being unloaded");
157
158 /*
159  * Minimum size which forces the dynamic allocator to change
160  * it's allocation strategy.  Once the space map cannot satisfy
161  * an allocation of this size then it switches to using more
162  * aggressive strategy (i.e search by size rather than offset).
163  */
164 uint64_t metaslab_df_alloc_threshold = SPA_OLD_MAXBLOCKSIZE;
165 TUNABLE_QUAD("vfs.zfs.metaslab.df_alloc_threshold",
166     &metaslab_df_alloc_threshold);
167 SYSCTL_QUAD(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, df_alloc_threshold, CTLFLAG_RWTUN,
168     &metaslab_df_alloc_threshold, 0,
169     "Minimum size which forces the dynamic allocator to change it's allocation strategy");
170
171 /*
172  * The minimum free space, in percent, which must be available
173  * in a space map to continue allocations in a first-fit fashion.
174  * Once the space_map's free space drops below this level we dynamically
175  * switch to using best-fit allocations.
176  */
177 int metaslab_df_free_pct = 4;
178 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.df_free_pct", &metaslab_df_free_pct);
179 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, df_free_pct, CTLFLAG_RWTUN,
180     &metaslab_df_free_pct, 0,
181     "The minimum free space, in percent, which must be available in a space map to continue allocations in a first-fit fashion");
182
183 /*
184  * A metaslab is considered "free" if it contains a contiguous
185  * segment which is greater than metaslab_min_alloc_size.
186  */
187 uint64_t metaslab_min_alloc_size = DMU_MAX_ACCESS;
188 TUNABLE_QUAD("vfs.zfs.metaslab.min_alloc_size",
189     &metaslab_min_alloc_size);
190 SYSCTL_QUAD(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, min_alloc_size, CTLFLAG_RWTUN,
191     &metaslab_min_alloc_size, 0,
192     "A metaslab is considered \"free\" if it contains a contiguous segment which is greater than vfs.zfs.metaslab.min_alloc_size");
193
194 /*
195  * Percentage of all cpus that can be used by the metaslab taskq.
196  */
197 int metaslab_load_pct = 50;
198 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.load_pct", &metaslab_load_pct);
199 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, load_pct, CTLFLAG_RWTUN,
200     &metaslab_load_pct, 0,
201     "Percentage of cpus that can be used by the metaslab taskq");
202
203 /*
204  * Determines how many txgs a metaslab may remain loaded without having any
205  * allocations from it. As long as a metaslab continues to be used we will
206  * keep it loaded.
207  */
208 int metaslab_unload_delay = TXG_SIZE * 2;
209 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.unload_delay", &metaslab_unload_delay);
210 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, unload_delay, CTLFLAG_RWTUN,
211     &metaslab_unload_delay, 0,
212     "Number of TXGs that an unused metaslab can be kept in memory");
213
214 /*
215  * Max number of metaslabs per group to preload.
216  */
217 int metaslab_preload_limit = SPA_DVAS_PER_BP;
218 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.preload_limit", &metaslab_preload_limit);
219 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, preload_limit, CTLFLAG_RWTUN,
220     &metaslab_preload_limit, 0,
221     "Max number of metaslabs per group to preload");
222
223 /*
224  * Enable/disable preloading of metaslab.
225  */
226 boolean_t metaslab_preload_enabled = B_TRUE;
227 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.preload_enabled", &metaslab_preload_enabled);
228 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, preload_enabled, CTLFLAG_RWTUN,
229     &metaslab_preload_enabled, 0,
230     "Max number of metaslabs per group to preload");
231
232 /*
233  * Enable/disable fragmentation weighting on metaslabs.
234  */
235 boolean_t metaslab_fragmentation_factor_enabled = B_TRUE;
236 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab_fragmentation_factor_enabled",
237     &metaslab_fragmentation_factor_enabled);
238 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, fragmentation_factor_enabled, CTLFLAG_RWTUN,
239     &metaslab_fragmentation_factor_enabled, 0,
240     "Enable fragmentation weighting on metaslabs");
241
242 /*
243  * Enable/disable lba weighting (i.e. outer tracks are given preference).
244  */
245 boolean_t metaslab_lba_weighting_enabled = B_TRUE;
246 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.lba_weighting_enabled",
247     &metaslab_lba_weighting_enabled);
248 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, lba_weighting_enabled, CTLFLAG_RWTUN,
249     &metaslab_lba_weighting_enabled, 0,
250     "Enable LBA weighting (i.e. outer tracks are given preference)");
251
252 /*
253  * Enable/disable metaslab group biasing.
254  */
255 boolean_t metaslab_bias_enabled = B_TRUE;
256 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.bias_enabled",
257     &metaslab_bias_enabled);
258 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, bias_enabled, CTLFLAG_RWTUN,
259     &metaslab_bias_enabled, 0,
260     "Enable metaslab group biasing");
261
262 static uint64_t metaslab_fragmentation(metaslab_t *);
263
264 /*
265  * ==========================================================================
266  * Metaslab classes
267  * ==========================================================================
268  */
269 metaslab_class_t *
270 metaslab_class_create(spa_t *spa, metaslab_ops_t *ops)
271 {
272         metaslab_class_t *mc;
273
274         mc = kmem_zalloc(sizeof (metaslab_class_t), KM_SLEEP);
275
276         mc->mc_spa = spa;
277         mc->mc_rotor = NULL;
278         mc->mc_ops = ops;
279
280         return (mc);
281 }
282
283 void
284 metaslab_class_destroy(metaslab_class_t *mc)
285 {
286         ASSERT(mc->mc_rotor == NULL);
287         ASSERT(mc->mc_alloc == 0);
288         ASSERT(mc->mc_deferred == 0);
289         ASSERT(mc->mc_space == 0);
290         ASSERT(mc->mc_dspace == 0);
291
292         kmem_free(mc, sizeof (metaslab_class_t));
293 }
294
295 int
296 metaslab_class_validate(metaslab_class_t *mc)
297 {
298         metaslab_group_t *mg;
299         vdev_t *vd;
300
301         /*
302          * Must hold one of the spa_config locks.
303          */
304         ASSERT(spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALL, RW_READER) ||
305             spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALL, RW_WRITER));
306
307         if ((mg = mc->mc_rotor) == NULL)
308                 return (0);
309
310         do {
311                 vd = mg->mg_vd;
312                 ASSERT(vd->vdev_mg != NULL);
313                 ASSERT3P(vd->vdev_top, ==, vd);
314                 ASSERT3P(mg->mg_class, ==, mc);
315                 ASSERT3P(vd->vdev_ops, !=, &vdev_hole_ops);
316         } while ((mg = mg->mg_next) != mc->mc_rotor);
317
318         return (0);
319 }
320
321 void
322 metaslab_class_space_update(metaslab_class_t *mc, int64_t alloc_delta,
323     int64_t defer_delta, int64_t space_delta, int64_t dspace_delta)
324 {
325         atomic_add_64(&mc->mc_alloc, alloc_delta);
326         atomic_add_64(&mc->mc_deferred, defer_delta);
327         atomic_add_64(&mc->mc_space, space_delta);
328         atomic_add_64(&mc->mc_dspace, dspace_delta);
329 }
330
331 void
332 metaslab_class_minblocksize_update(metaslab_class_t *mc)
333 {
334         metaslab_group_t *mg;
335         vdev_t *vd;
336         uint64_t minashift = UINT64_MAX;
337
338         if ((mg = mc->mc_rotor) == NULL) {
339                 mc->mc_minblocksize = SPA_MINBLOCKSIZE;
340                 return;
341         }
342
343         do {
344                 vd = mg->mg_vd;
345                 if (vd->vdev_ashift < minashift)
346                         minashift = vd->vdev_ashift;
347         } while ((mg = mg->mg_next) != mc->mc_rotor);
348
349         mc->mc_minblocksize = 1ULL << minashift;
350 }
351
352 uint64_t
353 metaslab_class_get_alloc(metaslab_class_t *mc)
354 {
355         return (mc->mc_alloc);
356 }
357
358 uint64_t
359 metaslab_class_get_deferred(metaslab_class_t *mc)
360 {
361         return (mc->mc_deferred);
362 }
363
364 uint64_t
365 metaslab_class_get_space(metaslab_class_t *mc)
366 {
367         return (mc->mc_space);
368 }
369
370 uint64_t
371 metaslab_class_get_dspace(metaslab_class_t *mc)
372 {
373         return (spa_deflate(mc->mc_spa) ? mc->mc_dspace : mc->mc_space);
374 }
375
376 uint64_t
377 metaslab_class_get_minblocksize(metaslab_class_t *mc)
378 {
379         return (mc->mc_minblocksize);
380 }
381
382 void
383 metaslab_class_histogram_verify(metaslab_class_t *mc)
384 {
385         vdev_t *rvd = mc->mc_spa->spa_root_vdev;
386         uint64_t *mc_hist;
387         int i;
388
389         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_HISTOGRAM_VERIFY) == 0)
390                 return;
391
392         mc_hist = kmem_zalloc(sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE,
393             KM_SLEEP);
394
395         for (int c = 0; c < rvd->vdev_children; c++) {
396                 vdev_t *tvd = rvd->vdev_child[c];
397                 metaslab_group_t *mg = tvd->vdev_mg;
398
399                 /*
400                  * Skip any holes, uninitialized top-levels, or
401                  * vdevs that are not in this metalab class.
402                  */
403                 if (tvd->vdev_ishole || tvd->vdev_ms_shift == 0 ||
404                     mg->mg_class != mc) {
405                         continue;
406                 }
407
408                 for (i = 0; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i++)
409                         mc_hist[i] += mg->mg_histogram[i];
410         }
411
412         for (i = 0; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i++)
413                 VERIFY3U(mc_hist[i], ==, mc->mc_histogram[i]);
414
415         kmem_free(mc_hist, sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE);
416 }
417
418 /*
419  * Calculate the metaslab class's fragmentation metric. The metric
420  * is weighted based on the space contribution of each metaslab group.
421  * The return value will be a number between 0 and 100 (inclusive), or
422  * ZFS_FRAG_INVALID if the metric has not been set. See comment above the
423  * zfs_frag_table for more information about the metric.
424  */
425 uint64_t
426 metaslab_class_fragmentation(metaslab_class_t *mc)
427 {
428         vdev_t *rvd = mc->mc_spa->spa_root_vdev;
429         uint64_t fragmentation = 0;
430
431         spa_config_enter(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
432
433         for (int c = 0; c < rvd->vdev_children; c++) {
434                 vdev_t *tvd = rvd->vdev_child[c];
435                 metaslab_group_t *mg = tvd->vdev_mg;
436
437                 /*
438                  * Skip any holes, uninitialized top-levels, or
439                  * vdevs that are not in this metalab class.
440                  */
441                 if (tvd->vdev_ishole || tvd->vdev_ms_shift == 0 ||
442                     mg->mg_class != mc) {
443                         continue;
444                 }
445
446                 /*
447                  * If a metaslab group does not contain a fragmentation
448                  * metric then just bail out.
449                  */
450                 if (mg->mg_fragmentation == ZFS_FRAG_INVALID) {
451                         spa_config_exit(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG);
452                         return (ZFS_FRAG_INVALID);
453                 }
454
455                 /*
456                  * Determine how much this metaslab_group is contributing
457                  * to the overall pool fragmentation metric.
458                  */
459                 fragmentation += mg->mg_fragmentation *
460                     metaslab_group_get_space(mg);
461         }
462         fragmentation /= metaslab_class_get_space(mc);
463
464         ASSERT3U(fragmentation, <=, 100);
465         spa_config_exit(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG);
466         return (fragmentation);
467 }
468
469 /*
470  * Calculate the amount of expandable space that is available in
471  * this metaslab class. If a device is expanded then its expandable
472  * space will be the amount of allocatable space that is currently not
473  * part of this metaslab class.
474  */
475 uint64_t
476 metaslab_class_expandable_space(metaslab_class_t *mc)
477 {
478         vdev_t *rvd = mc->mc_spa->spa_root_vdev;
479         uint64_t space = 0;
480
481         spa_config_enter(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
482         for (int c = 0; c < rvd->vdev_children; c++) {
483                 vdev_t *tvd = rvd->vdev_child[c];
484                 metaslab_group_t *mg = tvd->vdev_mg;
485
486                 if (tvd->vdev_ishole || tvd->vdev_ms_shift == 0 ||
487                     mg->mg_class != mc) {
488                         continue;
489                 }
490
491                 space += tvd->vdev_max_asize - tvd->vdev_asize;
492         }
493         spa_config_exit(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG);
494         return (space);
495 }
496
497 /*
498  * ==========================================================================
499  * Metaslab groups
500  * ==========================================================================
501  */
502 static int
503 metaslab_compare(const void *x1, const void *x2)
504 {
505         const metaslab_t *m1 = x1;
506         const metaslab_t *m2 = x2;
507
508         if (m1->ms_weight < m2->ms_weight)
509                 return (1);
510         if (m1->ms_weight > m2->ms_weight)
511                 return (-1);
512
513         /*
514          * If the weights are identical, use the offset to force uniqueness.
515          */
516         if (m1->ms_start < m2->ms_start)
517                 return (-1);
518         if (m1->ms_start > m2->ms_start)
519                 return (1);
520
521         ASSERT3P(m1, ==, m2);
522
523         return (0);
524 }
525
526 /*
527  * Update the allocatable flag and the metaslab group's capacity.
528  * The allocatable flag is set to true if the capacity is below
529  * the zfs_mg_noalloc_threshold. If a metaslab group transitions
530  * from allocatable to non-allocatable or vice versa then the metaslab
531  * group's class is updated to reflect the transition.
532  */
533 static void
534 metaslab_group_alloc_update(metaslab_group_t *mg)
535 {
536         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
537         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
538         vdev_stat_t *vs = &vd->vdev_stat;
539         boolean_t was_allocatable;
540
541         ASSERT(vd == vd->vdev_top);
542
543         mutex_enter(&mg->mg_lock);
544         was_allocatable = mg->mg_allocatable;
545
546         mg->mg_free_capacity = ((vs->vs_space - vs->vs_alloc) * 100) /
547             (vs->vs_space + 1);
548
549         /*
550          * A metaslab group is considered allocatable if it has plenty
551          * of free space or is not heavily fragmented. We only take
552          * fragmentation into account if the metaslab group has a valid
553          * fragmentation metric (i.e. a value between 0 and 100).
554          */
555         mg->mg_allocatable = (mg->mg_free_capacity > zfs_mg_noalloc_threshold &&
556             (mg->mg_fragmentation == ZFS_FRAG_INVALID ||
557             mg->mg_fragmentation <= zfs_mg_fragmentation_threshold));
558
559         /*
560          * The mc_alloc_groups maintains a count of the number of
561          * groups in this metaslab class that are still above the
562          * zfs_mg_noalloc_threshold. This is used by the allocating
563          * threads to determine if they should avoid allocations to
564          * a given group. The allocator will avoid allocations to a group
565          * if that group has reached or is below the zfs_mg_noalloc_threshold
566          * and there are still other groups that are above the threshold.
567          * When a group transitions from allocatable to non-allocatable or
568          * vice versa we update the metaslab class to reflect that change.
569          * When the mc_alloc_groups value drops to 0 that means that all
570          * groups have reached the zfs_mg_noalloc_threshold making all groups
571          * eligible for allocations. This effectively means that all devices
572          * are balanced again.
573          */
574         if (was_allocatable && !mg->mg_allocatable)
575                 mc->mc_alloc_groups--;
576         else if (!was_allocatable && mg->mg_allocatable)
577                 mc->mc_alloc_groups++;
578
579         mutex_exit(&mg->mg_lock);
580 }
581
582 metaslab_group_t *
583 metaslab_group_create(metaslab_class_t *mc, vdev_t *vd)
584 {
585         metaslab_group_t *mg;
586
587         mg = kmem_zalloc(sizeof (metaslab_group_t), KM_SLEEP);
588         mutex_init(&mg->mg_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
589         avl_create(&mg->mg_metaslab_tree, metaslab_compare,
590             sizeof (metaslab_t), offsetof(struct metaslab, ms_group_node));
591         mg->mg_vd = vd;
592         mg->mg_class = mc;
593         mg->mg_activation_count = 0;
594
595         mg->mg_taskq = taskq_create("metaslab_group_taskq", metaslab_load_pct,
596             minclsyspri, 10, INT_MAX, TASKQ_THREADS_CPU_PCT);
597
598         return (mg);
599 }
600
601 void
602 metaslab_group_destroy(metaslab_group_t *mg)
603 {
604         ASSERT(mg->mg_prev == NULL);
605         ASSERT(mg->mg_next == NULL);
606         /*
607          * We may have gone below zero with the activation count
608          * either because we never activated in the first place or
609          * because we're done, and possibly removing the vdev.
610          */
611         ASSERT(mg->mg_activation_count <= 0);
612
613         taskq_destroy(mg->mg_taskq);
614         avl_destroy(&mg->mg_metaslab_tree);
615         mutex_destroy(&mg->mg_lock);
616         kmem_free(mg, sizeof (metaslab_group_t));
617 }
618
619 void
620 metaslab_group_activate(metaslab_group_t *mg)
621 {
622         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
623         metaslab_group_t *mgprev, *mgnext;
624
625         ASSERT(spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALLOC, RW_WRITER));
626
627         ASSERT(mc->mc_rotor != mg);
628         ASSERT(mg->mg_prev == NULL);
629         ASSERT(mg->mg_next == NULL);
630         ASSERT(mg->mg_activation_count <= 0);
631
632         if (++mg->mg_activation_count <= 0)
633                 return;
634
635         mg->mg_aliquot = metaslab_aliquot * MAX(1, mg->mg_vd->vdev_children);
636         metaslab_group_alloc_update(mg);
637
638         if ((mgprev = mc->mc_rotor) == NULL) {
639                 mg->mg_prev = mg;
640                 mg->mg_next = mg;
641         } else {
642                 mgnext = mgprev->mg_next;
643                 mg->mg_prev = mgprev;
644                 mg->mg_next = mgnext;
645                 mgprev->mg_next = mg;
646                 mgnext->mg_prev = mg;
647         }
648         mc->mc_rotor = mg;
649         metaslab_class_minblocksize_update(mc);
650 }
651
652 void
653 metaslab_group_passivate(metaslab_group_t *mg)
654 {
655         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
656         metaslab_group_t *mgprev, *mgnext;
657
658         ASSERT(spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALLOC, RW_WRITER));
659
660         if (--mg->mg_activation_count != 0) {
661                 ASSERT(mc->mc_rotor != mg);
662                 ASSERT(mg->mg_prev == NULL);
663                 ASSERT(mg->mg_next == NULL);
664                 ASSERT(mg->mg_activation_count < 0);
665                 return;
666         }
667
668         taskq_wait(mg->mg_taskq);
669         metaslab_group_alloc_update(mg);
670
671         mgprev = mg->mg_prev;
672         mgnext = mg->mg_next;
673
674         if (mg == mgnext) {
675                 mc->mc_rotor = NULL;
676         } else {
677                 mc->mc_rotor = mgnext;
678                 mgprev->mg_next = mgnext;
679                 mgnext->mg_prev = mgprev;
680         }
681
682         mg->mg_prev = NULL;
683         mg->mg_next = NULL;
684         metaslab_class_minblocksize_update(mc);
685 }
686
687 uint64_t
688 metaslab_group_get_space(metaslab_group_t *mg)
689 {
690         return ((1ULL << mg->mg_vd->vdev_ms_shift) * mg->mg_vd->vdev_ms_count);
691 }
692
693 void
694 metaslab_group_histogram_verify(metaslab_group_t *mg)
695 {
696         uint64_t *mg_hist;
697         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
698         uint64_t ashift = vd->vdev_ashift;
699         int i;
700
701         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_HISTOGRAM_VERIFY) == 0)
702                 return;
703
704         mg_hist = kmem_zalloc(sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE,
705             KM_SLEEP);
706
707         ASSERT3U(RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE, >=,
708             SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE + ashift);
709
710         for (int m = 0; m < vd->vdev_ms_count; m++) {
711                 metaslab_t *msp = vd->vdev_ms[m];
712
713                 if (msp->ms_sm == NULL)
714                         continue;
715
716                 for (i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++)
717                         mg_hist[i + ashift] +=
718                             msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
719         }
720
721         for (i = 0; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i ++)
722                 VERIFY3U(mg_hist[i], ==, mg->mg_histogram[i]);
723
724         kmem_free(mg_hist, sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE);
725 }
726
727 static void
728 metaslab_group_histogram_add(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
729 {
730         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
731         uint64_t ashift = mg->mg_vd->vdev_ashift;
732
733         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
734         if (msp->ms_sm == NULL)
735                 return;
736
737         mutex_enter(&mg->mg_lock);
738         for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
739                 mg->mg_histogram[i + ashift] +=
740                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
741                 mc->mc_histogram[i + ashift] +=
742                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
743         }
744         mutex_exit(&mg->mg_lock);
745 }
746
747 void
748 metaslab_group_histogram_remove(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
749 {
750         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
751         uint64_t ashift = mg->mg_vd->vdev_ashift;
752
753         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
754         if (msp->ms_sm == NULL)
755                 return;
756
757         mutex_enter(&mg->mg_lock);
758         for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
759                 ASSERT3U(mg->mg_histogram[i + ashift], >=,
760                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i]);
761                 ASSERT3U(mc->mc_histogram[i + ashift], >=,
762                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i]);
763
764                 mg->mg_histogram[i + ashift] -=
765                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
766                 mc->mc_histogram[i + ashift] -=
767                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
768         }
769         mutex_exit(&mg->mg_lock);
770 }
771
772 static void
773 metaslab_group_add(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
774 {
775         ASSERT(msp->ms_group == NULL);
776         mutex_enter(&mg->mg_lock);
777         msp->ms_group = mg;
778         msp->ms_weight = 0;
779         avl_add(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
780         mutex_exit(&mg->mg_lock);
781
782         mutex_enter(&msp->ms_lock);
783         metaslab_group_histogram_add(mg, msp);
784         mutex_exit(&msp->ms_lock);
785 }
786
787 static void
788 metaslab_group_remove(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
789 {
790         mutex_enter(&msp->ms_lock);
791         metaslab_group_histogram_remove(mg, msp);
792         mutex_exit(&msp->ms_lock);
793
794         mutex_enter(&mg->mg_lock);
795         ASSERT(msp->ms_group == mg);
796         avl_remove(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
797         msp->ms_group = NULL;
798         mutex_exit(&mg->mg_lock);
799 }
800
801 static void
802 metaslab_group_sort(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp, uint64_t weight)
803 {
804         /*
805          * Although in principle the weight can be any value, in
806          * practice we do not use values in the range [1, 511].
807          */
808         ASSERT(weight >= SPA_MINBLOCKSIZE || weight == 0);
809         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
810
811         mutex_enter(&mg->mg_lock);
812         ASSERT(msp->ms_group == mg);
813         avl_remove(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
814         msp->ms_weight = weight;
815         avl_add(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
816         mutex_exit(&mg->mg_lock);
817 }
818
819 /*
820  * Calculate the fragmentation for a given metaslab group. We can use
821  * a simple average here since all metaslabs within the group must have
822  * the same size. The return value will be a value between 0 and 100
823  * (inclusive), or ZFS_FRAG_INVALID if less than half of the metaslab in this
824  * group have a fragmentation metric.
825  */
826 uint64_t
827 metaslab_group_fragmentation(metaslab_group_t *mg)
828 {
829         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
830         uint64_t fragmentation = 0;
831         uint64_t valid_ms = 0;
832
833         for (int m = 0; m < vd->vdev_ms_count; m++) {
834                 metaslab_t *msp = vd->vdev_ms[m];
835
836                 if (msp->ms_fragmentation == ZFS_FRAG_INVALID)
837                         continue;
838
839                 valid_ms++;
840                 fragmentation += msp->ms_fragmentation;
841         }
842
843         if (valid_ms <= vd->vdev_ms_count / 2)
844                 return (ZFS_FRAG_INVALID);
845
846         fragmentation /= valid_ms;
847         ASSERT3U(fragmentation, <=, 100);
848         return (fragmentation);
849 }
850
851 /*
852  * Determine if a given metaslab group should skip allocations. A metaslab
853  * group should avoid allocations if its free capacity is less than the
854  * zfs_mg_noalloc_threshold or its fragmentation metric is greater than
855  * zfs_mg_fragmentation_threshold and there is at least one metaslab group
856  * that can still handle allocations.
857  */
858 static boolean_t
859 metaslab_group_allocatable(metaslab_group_t *mg)
860 {
861         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
862         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
863         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
864
865         /*
866          * We use two key metrics to determine if a metaslab group is
867          * considered allocatable -- free space and fragmentation. If
868          * the free space is greater than the free space threshold and
869          * the fragmentation is less than the fragmentation threshold then
870          * consider the group allocatable. There are two case when we will
871          * not consider these key metrics. The first is if the group is
872          * associated with a slog device and the second is if all groups
873          * in this metaslab class have already been consider ineligible
874          * for allocations.
875          */
876         return ((mg->mg_free_capacity > zfs_mg_noalloc_threshold &&
877             (mg->mg_fragmentation == ZFS_FRAG_INVALID ||
878             mg->mg_fragmentation <= zfs_mg_fragmentation_threshold)) ||
879             mc != spa_normal_class(spa) || mc->mc_alloc_groups == 0);
880 }
881
882 /*
883  * ==========================================================================
884  * Range tree callbacks
885  * ==========================================================================
886  */
887
888 /*
889  * Comparison function for the private size-ordered tree. Tree is sorted
890  * by size, larger sizes at the end of the tree.
891  */
892 static int
893 metaslab_rangesize_compare(const void *x1, const void *x2)
894 {
895         const range_seg_t *r1 = x1;
896         const range_seg_t *r2 = x2;
897         uint64_t rs_size1 = r1->rs_end - r1->rs_start;
898         uint64_t rs_size2 = r2->rs_end - r2->rs_start;
899
900         if (rs_size1 < rs_size2)
901                 return (-1);
902         if (rs_size1 > rs_size2)
903                 return (1);
904
905         if (r1->rs_start < r2->rs_start)
906                 return (-1);
907
908         if (r1->rs_start > r2->rs_start)
909                 return (1);
910
911         return (0);
912 }
913
914 /*
915  * Create any block allocator specific components. The current allocators
916  * rely on using both a size-ordered range_tree_t and an array of uint64_t's.
917  */
918 static void
919 metaslab_rt_create(range_tree_t *rt, void *arg)
920 {
921         metaslab_t *msp = arg;
922
923         ASSERT3P(rt->rt_arg, ==, msp);
924         ASSERT(msp->ms_tree == NULL);
925
926         avl_create(&msp->ms_size_tree, metaslab_rangesize_compare,
927             sizeof (range_seg_t), offsetof(range_seg_t, rs_pp_node));
928 }
929
930 /*
931  * Destroy the block allocator specific components.
932  */
933 static void
934 metaslab_rt_destroy(range_tree_t *rt, void *arg)
935 {
936         metaslab_t *msp = arg;
937
938         ASSERT3P(rt->rt_arg, ==, msp);
939         ASSERT3P(msp->ms_tree, ==, rt);
940         ASSERT0(avl_numnodes(&msp->ms_size_tree));
941
942         avl_destroy(&msp->ms_size_tree);
943 }
944
945 static void
946 metaslab_rt_add(range_tree_t *rt, range_seg_t *rs, void *arg)
947 {
948         metaslab_t *msp = arg;
949
950         ASSERT3P(rt->rt_arg, ==, msp);
951         ASSERT3P(msp->ms_tree, ==, rt);
952         VERIFY(!msp->ms_condensing);
953         avl_add(&msp->ms_size_tree, rs);
954 }
955
956 static void
957 metaslab_rt_remove(range_tree_t *rt, range_seg_t *rs, void *arg)
958 {
959         metaslab_t *msp = arg;
960
961         ASSERT3P(rt->rt_arg, ==, msp);
962         ASSERT3P(msp->ms_tree, ==, rt);
963         VERIFY(!msp->ms_condensing);
964         avl_remove(&msp->ms_size_tree, rs);
965 }
966
967 static void
968 metaslab_rt_vacate(range_tree_t *rt, void *arg)
969 {
970         metaslab_t *msp = arg;
971
972         ASSERT3P(rt->rt_arg, ==, msp);
973         ASSERT3P(msp->ms_tree, ==, rt);
974
975         /*
976          * Normally one would walk the tree freeing nodes along the way.
977          * Since the nodes are shared with the range trees we can avoid
978          * walking all nodes and just reinitialize the avl tree. The nodes
979          * will be freed by the range tree, so we don't want to free them here.
980          */
981         avl_create(&msp->ms_size_tree, metaslab_rangesize_compare,
982             sizeof (range_seg_t), offsetof(range_seg_t, rs_pp_node));
983 }
984
985 static range_tree_ops_t metaslab_rt_ops = {
986         metaslab_rt_create,
987         metaslab_rt_destroy,
988         metaslab_rt_add,
989         metaslab_rt_remove,
990         metaslab_rt_vacate
991 };
992
993 /*
994  * ==========================================================================
995  * Metaslab block operations
996  * ==========================================================================
997  */
998
999 /*
1000  * Return the maximum contiguous segment within the metaslab.
1001  */
1002 uint64_t
1003 metaslab_block_maxsize(metaslab_t *msp)
1004 {
1005         avl_tree_t *t = &msp->ms_size_tree;
1006         range_seg_t *rs;
1007
1008         if (t == NULL || (rs = avl_last(t)) == NULL)
1009                 return (0ULL);
1010
1011         return (rs->rs_end - rs->rs_start);
1012 }
1013
1014 uint64_t
1015 metaslab_block_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1016 {
1017         uint64_t start;
1018         range_tree_t *rt = msp->ms_tree;
1019
1020         VERIFY(!msp->ms_condensing);
1021
1022         start = msp->ms_ops->msop_alloc(msp, size);
1023         if (start != -1ULL) {
1024                 vdev_t *vd = msp->ms_group->mg_vd;
1025
1026                 VERIFY0(P2PHASE(start, 1ULL << vd->vdev_ashift));
1027                 VERIFY0(P2PHASE(size, 1ULL << vd->vdev_ashift));
1028                 VERIFY3U(range_tree_space(rt) - size, <=, msp->ms_size);
1029                 range_tree_remove(rt, start, size);
1030         }
1031         return (start);
1032 }
1033
1034 /*
1035  * ==========================================================================
1036  * Common allocator routines
1037  * ==========================================================================
1038  */
1039
1040 /*
1041  * This is a helper function that can be used by the allocator to find
1042  * a suitable block to allocate. This will search the specified AVL
1043  * tree looking for a block that matches the specified criteria.
1044  */
1045 static uint64_t
1046 metaslab_block_picker(avl_tree_t *t, uint64_t *cursor, uint64_t size,
1047     uint64_t align)
1048 {
1049         range_seg_t *rs, rsearch;
1050         avl_index_t where;
1051
1052         rsearch.rs_start = *cursor;
1053         rsearch.rs_end = *cursor + size;
1054
1055         rs = avl_find(t, &rsearch, &where);
1056         if (rs == NULL)
1057                 rs = avl_nearest(t, where, AVL_AFTER);
1058
1059         while (rs != NULL) {
1060                 uint64_t offset = P2ROUNDUP(rs->rs_start, align);
1061
1062                 if (offset + size <= rs->rs_end) {
1063                         *cursor = offset + size;
1064                         return (offset);
1065                 }
1066                 rs = AVL_NEXT(t, rs);
1067         }
1068
1069         /*
1070          * If we know we've searched the whole map (*cursor == 0), give up.
1071          * Otherwise, reset the cursor to the beginning and try again.
1072          */
1073         if (*cursor == 0)
1074                 return (-1ULL);
1075
1076         *cursor = 0;
1077         return (metaslab_block_picker(t, cursor, size, align));
1078 }
1079
1080 /*
1081  * ==========================================================================
1082  * The first-fit block allocator
1083  * ==========================================================================
1084  */
1085 static uint64_t
1086 metaslab_ff_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1087 {
1088         /*
1089          * Find the largest power of 2 block size that evenly divides the
1090          * requested size. This is used to try to allocate blocks with similar
1091          * alignment from the same area of the metaslab (i.e. same cursor
1092          * bucket) but it does not guarantee that other allocations sizes
1093          * may exist in the same region.
1094          */
1095         uint64_t align = size & -size;
1096         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[highbit64(align) - 1];
1097         avl_tree_t *t = &msp->ms_tree->rt_root;
1098
1099         return (metaslab_block_picker(t, cursor, size, align));
1100 }
1101
1102 static metaslab_ops_t metaslab_ff_ops = {
1103         metaslab_ff_alloc
1104 };
1105
1106 /*
1107  * ==========================================================================
1108  * Dynamic block allocator -
1109  * Uses the first fit allocation scheme until space get low and then
1110  * adjusts to a best fit allocation method. Uses metaslab_df_alloc_threshold
1111  * and metaslab_df_free_pct to determine when to switch the allocation scheme.
1112  * ==========================================================================
1113  */
1114 static uint64_t
1115 metaslab_df_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1116 {
1117         /*
1118          * Find the largest power of 2 block size that evenly divides the
1119          * requested size. This is used to try to allocate blocks with similar
1120          * alignment from the same area of the metaslab (i.e. same cursor
1121          * bucket) but it does not guarantee that other allocations sizes
1122          * may exist in the same region.
1123          */
1124         uint64_t align = size & -size;
1125         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[highbit64(align) - 1];
1126         range_tree_t *rt = msp->ms_tree;
1127         avl_tree_t *t = &rt->rt_root;
1128         uint64_t max_size = metaslab_block_maxsize(msp);
1129         int free_pct = range_tree_space(rt) * 100 / msp->ms_size;
1130
1131         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1132         ASSERT3U(avl_numnodes(t), ==, avl_numnodes(&msp->ms_size_tree));
1133
1134         if (max_size < size)
1135                 return (-1ULL);
1136
1137         /*
1138          * If we're running low on space switch to using the size
1139          * sorted AVL tree (best-fit).
1140          */
1141         if (max_size < metaslab_df_alloc_threshold ||
1142             free_pct < metaslab_df_free_pct) {
1143                 t = &msp->ms_size_tree;
1144                 *cursor = 0;
1145         }
1146
1147         return (metaslab_block_picker(t, cursor, size, 1ULL));
1148 }
1149
1150 static metaslab_ops_t metaslab_df_ops = {
1151         metaslab_df_alloc
1152 };
1153
1154 /*
1155  * ==========================================================================
1156  * Cursor fit block allocator -
1157  * Select the largest region in the metaslab, set the cursor to the beginning
1158  * of the range and the cursor_end to the end of the range. As allocations
1159  * are made advance the cursor. Continue allocating from the cursor until
1160  * the range is exhausted and then find a new range.
1161  * ==========================================================================
1162  */
1163 static uint64_t
1164 metaslab_cf_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1165 {
1166         range_tree_t *rt = msp->ms_tree;
1167         avl_tree_t *t = &msp->ms_size_tree;
1168         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[0];
1169         uint64_t *cursor_end = &msp->ms_lbas[1];
1170         uint64_t offset = 0;
1171
1172         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1173         ASSERT3U(avl_numnodes(t), ==, avl_numnodes(&rt->rt_root));
1174
1175         ASSERT3U(*cursor_end, >=, *cursor);
1176
1177         if ((*cursor + size) > *cursor_end) {
1178                 range_seg_t *rs;
1179
1180                 rs = avl_last(&msp->ms_size_tree);
1181                 if (rs == NULL || (rs->rs_end - rs->rs_start) < size)
1182                         return (-1ULL);
1183
1184                 *cursor = rs->rs_start;
1185                 *cursor_end = rs->rs_end;
1186         }
1187
1188         offset = *cursor;
1189         *cursor += size;
1190
1191         return (offset);
1192 }
1193
1194 static metaslab_ops_t metaslab_cf_ops = {
1195         metaslab_cf_alloc
1196 };
1197
1198 /*
1199  * ==========================================================================
1200  * New dynamic fit allocator -
1201  * Select a region that is large enough to allocate 2^metaslab_ndf_clump_shift
1202  * contiguous blocks. If no region is found then just use the largest segment
1203  * that remains.
1204  * ==========================================================================
1205  */
1206
1207 /*
1208  * Determines desired number of contiguous blocks (2^metaslab_ndf_clump_shift)
1209  * to request from the allocator.
1210  */
1211 uint64_t metaslab_ndf_clump_shift = 4;
1212
1213 static uint64_t
1214 metaslab_ndf_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1215 {
1216         avl_tree_t *t = &msp->ms_tree->rt_root;
1217         avl_index_t where;
1218         range_seg_t *rs, rsearch;
1219         uint64_t hbit = highbit64(size);
1220         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[hbit - 1];
1221         uint64_t max_size = metaslab_block_maxsize(msp);
1222
1223         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1224         ASSERT3U(avl_numnodes(t), ==, avl_numnodes(&msp->ms_size_tree));
1225
1226         if (max_size < size)
1227                 return (-1ULL);
1228
1229         rsearch.rs_start = *cursor;
1230         rsearch.rs_end = *cursor + size;
1231
1232         rs = avl_find(t, &rsearch, &where);
1233         if (rs == NULL || (rs->rs_end - rs->rs_start) < size) {
1234                 t = &msp->ms_size_tree;
1235
1236                 rsearch.rs_start = 0;
1237                 rsearch.rs_end = MIN(max_size,
1238                     1ULL << (hbit + metaslab_ndf_clump_shift));
1239                 rs = avl_find(t, &rsearch, &where);
1240                 if (rs == NULL)
1241                         rs = avl_nearest(t, where, AVL_AFTER);
1242                 ASSERT(rs != NULL);
1243         }
1244
1245         if ((rs->rs_end - rs->rs_start) >= size) {
1246                 *cursor = rs->rs_start + size;
1247                 return (rs->rs_start);
1248         }
1249         return (-1ULL);
1250 }
1251
1252 static metaslab_ops_t metaslab_ndf_ops = {
1253         metaslab_ndf_alloc
1254 };
1255
1256 metaslab_ops_t *zfs_metaslab_ops = &metaslab_df_ops;
1257
1258 /*
1259  * ==========================================================================
1260  * Metaslabs
1261  * ==========================================================================
1262  */
1263
1264 /*
1265  * Wait for any in-progress metaslab loads to complete.
1266  */
1267 void
1268 metaslab_load_wait(metaslab_t *msp)
1269 {
1270         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1271
1272         while (msp->ms_loading) {
1273                 ASSERT(!msp->ms_loaded);
1274                 cv_wait(&msp->ms_load_cv, &msp->ms_lock);
1275         }
1276 }
1277
1278 int
1279 metaslab_load(metaslab_t *msp)
1280 {
1281         int error = 0;
1282
1283         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1284         ASSERT(!msp->ms_loaded);
1285         ASSERT(!msp->ms_loading);
1286
1287         msp->ms_loading = B_TRUE;
1288
1289         /*
1290          * If the space map has not been allocated yet, then treat
1291          * all the space in the metaslab as free and add it to the
1292          * ms_tree.
1293          */
1294         if (msp->ms_sm != NULL)
1295                 error = space_map_load(msp->ms_sm, msp->ms_tree, SM_FREE);
1296         else
1297                 range_tree_add(msp->ms_tree, msp->ms_start, msp->ms_size);
1298
1299         msp->ms_loaded = (error == 0);
1300         msp->ms_loading = B_FALSE;
1301
1302         if (msp->ms_loaded) {
1303                 for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
1304                         range_tree_walk(msp->ms_defertree[t],
1305                             range_tree_remove, msp->ms_tree);
1306                 }
1307         }
1308         cv_broadcast(&msp->ms_load_cv);
1309         return (error);
1310 }
1311
1312 void
1313 metaslab_unload(metaslab_t *msp)
1314 {
1315         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1316         range_tree_vacate(msp->ms_tree, NULL, NULL);
1317         msp->ms_loaded = B_FALSE;
1318         msp->ms_weight &= ~METASLAB_ACTIVE_MASK;
1319 }
1320
1321 int
1322 metaslab_init(metaslab_group_t *mg, uint64_t id, uint64_t object, uint64_t txg,
1323     metaslab_t **msp)
1324 {
1325         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
1326         objset_t *mos = vd->vdev_spa->spa_meta_objset;
1327         metaslab_t *ms;
1328         int error;
1329
1330         ms = kmem_zalloc(sizeof (metaslab_t), KM_SLEEP);
1331         mutex_init(&ms->ms_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
1332         cv_init(&ms->ms_load_cv, NULL, CV_DEFAULT, NULL);
1333         ms->ms_id = id;
1334         ms->ms_start = id << vd->vdev_ms_shift;
1335         ms->ms_size = 1ULL << vd->vdev_ms_shift;
1336
1337         /*
1338          * We only open space map objects that already exist. All others
1339          * will be opened when we finally allocate an object for it.
1340          */
1341         if (object != 0) {
1342                 error = space_map_open(&ms->ms_sm, mos, object, ms->ms_start,
1343                     ms->ms_size, vd->vdev_ashift, &ms->ms_lock);
1344
1345                 if (error != 0) {
1346                         kmem_free(ms, sizeof (metaslab_t));
1347                         return (error);
1348                 }
1349
1350                 ASSERT(ms->ms_sm != NULL);
1351         }
1352
1353         /*
1354          * We create the main range tree here, but we don't create the
1355          * alloctree and freetree until metaslab_sync_done().  This serves
1356          * two purposes: it allows metaslab_sync_done() to detect the
1357          * addition of new space; and for debugging, it ensures that we'd
1358          * data fault on any attempt to use this metaslab before it's ready.
1359          */
1360         ms->ms_tree = range_tree_create(&metaslab_rt_ops, ms, &ms->ms_lock);
1361         metaslab_group_add(mg, ms);
1362
1363         ms->ms_fragmentation = metaslab_fragmentation(ms);
1364         ms->ms_ops = mg->mg_class->mc_ops;
1365
1366         /*
1367          * If we're opening an existing pool (txg == 0) or creating
1368          * a new one (txg == TXG_INITIAL), all space is available now.
1369          * If we're adding space to an existing pool, the new space
1370          * does not become available until after this txg has synced.
1371          */
1372         if (txg <= TXG_INITIAL)
1373                 metaslab_sync_done(ms, 0);
1374
1375         /*
1376          * If metaslab_debug_load is set and we're initializing a metaslab
1377          * that has an allocated space_map object then load the its space
1378          * map so that can verify frees.
1379          */
1380         if (metaslab_debug_load && ms->ms_sm != NULL) {
1381                 mutex_enter(&ms->ms_lock);
1382                 VERIFY0(metaslab_load(ms));
1383                 mutex_exit(&ms->ms_lock);
1384         }
1385
1386         if (txg != 0) {
1387                 vdev_dirty(vd, 0, NULL, txg);
1388                 vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, ms, txg);
1389         }
1390
1391         *msp = ms;
1392
1393         return (0);
1394 }
1395
1396 void
1397 metaslab_fini(metaslab_t *msp)
1398 {
1399         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
1400
1401         metaslab_group_remove(mg, msp);
1402
1403         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1404
1405         VERIFY(msp->ms_group == NULL);
1406         vdev_space_update(mg->mg_vd, -space_map_allocated(msp->ms_sm),
1407             0, -msp->ms_size);
1408         space_map_close(msp->ms_sm);
1409
1410         metaslab_unload(msp);
1411         range_tree_destroy(msp->ms_tree);
1412
1413         for (int t = 0; t < TXG_SIZE; t++) {
1414                 range_tree_destroy(msp->ms_alloctree[t]);
1415                 range_tree_destroy(msp->ms_freetree[t]);
1416         }
1417
1418         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
1419                 range_tree_destroy(msp->ms_defertree[t]);
1420         }
1421
1422         ASSERT0(msp->ms_deferspace);
1423
1424         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1425         cv_destroy(&msp->ms_load_cv);
1426         mutex_destroy(&msp->ms_lock);
1427
1428         kmem_free(msp, sizeof (metaslab_t));
1429 }
1430
1431 #define FRAGMENTATION_TABLE_SIZE        17
1432
1433 /*
1434  * This table defines a segment size based fragmentation metric that will
1435  * allow each metaslab to derive its own fragmentation value. This is done
1436  * by calculating the space in each bucket of the spacemap histogram and
1437  * multiplying that by the fragmetation metric in this table. Doing
1438  * this for all buckets and dividing it by the total amount of free
1439  * space in this metaslab (i.e. the total free space in all buckets) gives
1440  * us the fragmentation metric. This means that a high fragmentation metric
1441  * equates to most of the free space being comprised of small segments.
1442  * Conversely, if the metric is low, then most of the free space is in
1443  * large segments. A 10% change in fragmentation equates to approximately
1444  * double the number of segments.
1445  *
1446  * This table defines 0% fragmented space using 16MB segments. Testing has
1447  * shown that segments that are greater than or equal to 16MB do not suffer
1448  * from drastic performance problems. Using this value, we derive the rest
1449  * of the table. Since the fragmentation value is never stored on disk, it
1450  * is possible to change these calculations in the future.
1451  */
1452 int zfs_frag_table[FRAGMENTATION_TABLE_SIZE] = {
1453         100,    /* 512B */
1454         100,    /* 1K   */
1455         98,     /* 2K   */
1456         95,     /* 4K   */
1457         90,     /* 8K   */
1458         80,     /* 16K  */
1459         70,     /* 32K  */
1460         60,     /* 64K  */
1461         50,     /* 128K */
1462         40,     /* 256K */
1463         30,     /* 512K */
1464         20,     /* 1M   */
1465         15,     /* 2M   */
1466         10,     /* 4M   */
1467         5,      /* 8M   */
1468         0       /* 16M  */
1469 };
1470
1471 /*
1472  * Calclate the metaslab's fragmentation metric. A return value
1473  * of ZFS_FRAG_INVALID means that the metaslab has not been upgraded and does
1474  * not support this metric. Otherwise, the return value should be in the
1475  * range [0, 100].
1476  */
1477 static uint64_t
1478 metaslab_fragmentation(metaslab_t *msp)
1479 {
1480         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
1481         uint64_t fragmentation = 0;
1482         uint64_t total = 0;
1483         boolean_t feature_enabled = spa_feature_is_enabled(spa,
1484             SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM);
1485
1486         if (!feature_enabled)
1487                 return (ZFS_FRAG_INVALID);
1488
1489         /*
1490          * A null space map means that the entire metaslab is free
1491          * and thus is not fragmented.
1492          */
1493         if (msp->ms_sm == NULL)
1494                 return (0);
1495
1496         /*
1497          * If this metaslab's space_map has not been upgraded, flag it
1498          * so that we upgrade next time we encounter it.
1499          */
1500         if (msp->ms_sm->sm_dbuf->db_size != sizeof (space_map_phys_t)) {
1501                 uint64_t txg = spa_syncing_txg(spa);
1502                 vdev_t *vd = msp->ms_group->mg_vd;
1503
1504                 if (spa_writeable(spa)) {
1505                         msp->ms_condense_wanted = B_TRUE;
1506                         vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg + 1);
1507                         spa_dbgmsg(spa, "txg %llu, requesting force condense: "
1508                             "msp %p, vd %p", txg, msp, vd);
1509                 }
1510                 return (ZFS_FRAG_INVALID);
1511         }
1512
1513         for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
1514                 uint64_t space = 0;
1515                 uint8_t shift = msp->ms_sm->sm_shift;
1516                 int idx = MIN(shift - SPA_MINBLOCKSHIFT + i,
1517                     FRAGMENTATION_TABLE_SIZE - 1);
1518
1519                 if (msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i] == 0)
1520                         continue;
1521
1522                 space = msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i] << (i + shift);
1523                 total += space;
1524
1525                 ASSERT3U(idx, <, FRAGMENTATION_TABLE_SIZE);
1526                 fragmentation += space * zfs_frag_table[idx];
1527         }
1528
1529         if (total > 0)
1530                 fragmentation /= total;
1531         ASSERT3U(fragmentation, <=, 100);
1532         return (fragmentation);
1533 }
1534
1535 /*
1536  * Compute a weight -- a selection preference value -- for the given metaslab.
1537  * This is based on the amount of free space, the level of fragmentation,
1538  * the LBA range, and whether the metaslab is loaded.
1539  */
1540 static uint64_t
1541 metaslab_weight(metaslab_t *msp)
1542 {
1543         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
1544         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
1545         uint64_t weight, space;
1546
1547         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1548
1549         /*
1550          * This vdev is in the process of being removed so there is nothing
1551          * for us to do here.
1552          */
1553         if (vd->vdev_removing) {
1554                 ASSERT0(space_map_allocated(msp->ms_sm));
1555                 ASSERT0(vd->vdev_ms_shift);
1556                 return (0);
1557         }
1558
1559         /*
1560          * The baseline weight is the metaslab's free space.
1561          */
1562         space = msp->ms_size - space_map_allocated(msp->ms_sm);
1563
1564         msp->ms_fragmentation = metaslab_fragmentation(msp);
1565         if (metaslab_fragmentation_factor_enabled &&
1566             msp->ms_fragmentation != ZFS_FRAG_INVALID) {
1567                 /*
1568                  * Use the fragmentation information to inversely scale
1569                  * down the baseline weight. We need to ensure that we
1570                  * don't exclude this metaslab completely when it's 100%
1571                  * fragmented. To avoid this we reduce the fragmented value
1572                  * by 1.
1573                  */
1574                 space = (space * (100 - (msp->ms_fragmentation - 1))) / 100;
1575
1576                 /*
1577                  * If space < SPA_MINBLOCKSIZE, then we will not allocate from
1578                  * this metaslab again. The fragmentation metric may have
1579                  * decreased the space to something smaller than
1580                  * SPA_MINBLOCKSIZE, so reset the space to SPA_MINBLOCKSIZE
1581                  * so that we can consume any remaining space.
1582                  */
1583                 if (space > 0 && space < SPA_MINBLOCKSIZE)
1584                         space = SPA_MINBLOCKSIZE;
1585         }
1586         weight = space;
1587
1588         /*
1589          * Modern disks have uniform bit density and constant angular velocity.
1590          * Therefore, the outer recording zones are faster (higher bandwidth)
1591          * than the inner zones by the ratio of outer to inner track diameter,
1592          * which is typically around 2:1.  We account for this by assigning
1593          * higher weight to lower metaslabs (multiplier ranging from 2x to 1x).
1594          * In effect, this means that we'll select the metaslab with the most
1595          * free bandwidth rather than simply the one with the most free space.
1596          */
1597         if (metaslab_lba_weighting_enabled) {
1598                 weight = 2 * weight - (msp->ms_id * weight) / vd->vdev_ms_count;
1599                 ASSERT(weight >= space && weight <= 2 * space);
1600         }
1601
1602         /*
1603          * If this metaslab is one we're actively using, adjust its
1604          * weight to make it preferable to any inactive metaslab so
1605          * we'll polish it off. If the fragmentation on this metaslab
1606          * has exceed our threshold, then don't mark it active.
1607          */
1608         if (msp->ms_loaded && msp->ms_fragmentation != ZFS_FRAG_INVALID &&
1609             msp->ms_fragmentation <= zfs_metaslab_fragmentation_threshold) {
1610                 weight |= (msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
1611         }
1612
1613         return (weight);
1614 }
1615
1616 static int
1617 metaslab_activate(metaslab_t *msp, uint64_t activation_weight)
1618 {
1619         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1620
1621         if ((msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) == 0) {
1622                 metaslab_load_wait(msp);
1623                 if (!msp->ms_loaded) {
1624                         int error = metaslab_load(msp);
1625                         if (error) {
1626                                 metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp, 0);
1627                                 return (error);
1628                         }
1629                 }
1630
1631                 metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp,
1632                     msp->ms_weight | activation_weight);
1633         }
1634         ASSERT(msp->ms_loaded);
1635         ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
1636
1637         return (0);
1638 }
1639
1640 static void
1641 metaslab_passivate(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1642 {
1643         /*
1644          * If size < SPA_MINBLOCKSIZE, then we will not allocate from
1645          * this metaslab again.  In that case, it had better be empty,
1646          * or we would be leaving space on the table.
1647          */
1648         ASSERT(size >= SPA_MINBLOCKSIZE || range_tree_space(msp->ms_tree) == 0);
1649         metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp, MIN(msp->ms_weight, size));
1650         ASSERT((msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) == 0);
1651 }
1652
1653 static void
1654 metaslab_preload(void *arg)
1655 {
1656         metaslab_t *msp = arg;
1657         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
1658
1659         ASSERT(!MUTEX_HELD(&msp->ms_group->mg_lock));
1660
1661         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1662         metaslab_load_wait(msp);
1663         if (!msp->ms_loaded)
1664                 (void) metaslab_load(msp);
1665
1666         /*
1667          * Set the ms_access_txg value so that we don't unload it right away.
1668          */
1669         msp->ms_access_txg = spa_syncing_txg(spa) + metaslab_unload_delay + 1;
1670         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1671 }
1672
1673 static void
1674 metaslab_group_preload(metaslab_group_t *mg)
1675 {
1676         spa_t *spa = mg->mg_vd->vdev_spa;
1677         metaslab_t *msp;
1678         avl_tree_t *t = &mg->mg_metaslab_tree;
1679         int m = 0;
1680
1681         if (spa_shutting_down(spa) || !metaslab_preload_enabled) {
1682                 taskq_wait(mg->mg_taskq);
1683                 return;
1684         }
1685
1686         mutex_enter(&mg->mg_lock);
1687         /*
1688          * Load the next potential metaslabs
1689          */
1690         msp = avl_first(t);
1691         while (msp != NULL) {
1692                 metaslab_t *msp_next = AVL_NEXT(t, msp);
1693
1694                 /*
1695                  * We preload only the maximum number of metaslabs specified
1696                  * by metaslab_preload_limit. If a metaslab is being forced
1697                  * to condense then we preload it too. This will ensure
1698                  * that force condensing happens in the next txg.
1699                  */
1700                 if (++m > metaslab_preload_limit && !msp->ms_condense_wanted) {
1701                         msp = msp_next;
1702                         continue;
1703                 }
1704
1705                 /*
1706                  * We must drop the metaslab group lock here to preserve
1707                  * lock ordering with the ms_lock (when grabbing both
1708                  * the mg_lock and the ms_lock, the ms_lock must be taken
1709                  * first).  As a result, it is possible that the ordering
1710                  * of the metaslabs within the avl tree may change before
1711                  * we reacquire the lock. The metaslab cannot be removed from
1712                  * the tree while we're in syncing context so it is safe to
1713                  * drop the mg_lock here. If the metaslabs are reordered
1714                  * nothing will break -- we just may end up loading a
1715                  * less than optimal one.
1716                  */
1717                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
1718                 VERIFY(taskq_dispatch(mg->mg_taskq, metaslab_preload,
1719                     msp, TQ_SLEEP) != 0);
1720                 mutex_enter(&mg->mg_lock);
1721                 msp = msp_next;
1722         }
1723         mutex_exit(&mg->mg_lock);
1724 }
1725
1726 /*
1727  * Determine if the space map's on-disk footprint is past our tolerance
1728  * for inefficiency. We would like to use the following criteria to make
1729  * our decision:
1730  *
1731  * 1. The size of the space map object should not dramatically increase as a
1732  * result of writing out the free space range tree.
1733  *
1734  * 2. The minimal on-disk space map representation is zfs_condense_pct/100
1735  * times the size than the free space range tree representation
1736  * (i.e. zfs_condense_pct = 110 and in-core = 1MB, minimal = 1.1.MB).
1737  *
1738  * 3. The on-disk size of the space map should actually decrease.
1739  *
1740  * Checking the first condition is tricky since we don't want to walk
1741  * the entire AVL tree calculating the estimated on-disk size. Instead we
1742  * use the size-ordered range tree in the metaslab and calculate the
1743  * size required to write out the largest segment in our free tree. If the
1744  * size required to represent that segment on disk is larger than the space
1745  * map object then we avoid condensing this map.
1746  *
1747  * To determine the second criterion we use a best-case estimate and assume
1748  * each segment can be represented on-disk as a single 64-bit entry. We refer
1749  * to this best-case estimate as the space map's minimal form.
1750  *
1751  * Unfortunately, we cannot compute the on-disk size of the space map in this
1752  * context because we cannot accurately compute the effects of compression, etc.
1753  * Instead, we apply the heuristic described in the block comment for
1754  * zfs_metaslab_condense_block_threshold - we only condense if the space used
1755  * is greater than a threshold number of blocks.
1756  */
1757 static boolean_t
1758 metaslab_should_condense(metaslab_t *msp)
1759 {
1760         space_map_t *sm = msp->ms_sm;
1761         range_seg_t *rs;
1762         uint64_t size, entries, segsz, object_size, optimal_size, record_size;
1763         dmu_object_info_t doi;
1764         uint64_t vdev_blocksize = 1 << msp->ms_group->mg_vd->vdev_ashift;
1765
1766         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1767         ASSERT(msp->ms_loaded);
1768
1769         /*
1770          * Use the ms_size_tree range tree, which is ordered by size, to
1771          * obtain the largest segment in the free tree. We always condense
1772          * metaslabs that are empty and metaslabs for which a condense
1773          * request has been made.
1774          */
1775         rs = avl_last(&msp->ms_size_tree);
1776         if (rs == NULL || msp->ms_condense_wanted)
1777                 return (B_TRUE);
1778
1779         /*
1780          * Calculate the number of 64-bit entries this segment would
1781          * require when written to disk. If this single segment would be
1782          * larger on-disk than the entire current on-disk structure, then
1783          * clearly condensing will increase the on-disk structure size.
1784          */
1785         size = (rs->rs_end - rs->rs_start) >> sm->sm_shift;
1786         entries = size / (MIN(size, SM_RUN_MAX));
1787         segsz = entries * sizeof (uint64_t);
1788
1789         optimal_size = sizeof (uint64_t) * avl_numnodes(&msp->ms_tree->rt_root);
1790         object_size = space_map_length(msp->ms_sm);
1791
1792         dmu_object_info_from_db(sm->sm_dbuf, &doi);
1793         record_size = MAX(doi.doi_data_block_size, vdev_blocksize);
1794
1795         return (segsz <= object_size &&
1796             object_size >= (optimal_size * zfs_condense_pct / 100) &&
1797             object_size > zfs_metaslab_condense_block_threshold * record_size);
1798 }
1799
1800 /*
1801  * Condense the on-disk space map representation to its minimized form.
1802  * The minimized form consists of a small number of allocations followed by
1803  * the entries of the free range tree.
1804  */
1805 static void
1806 metaslab_condense(metaslab_t *msp, uint64_t txg, dmu_tx_t *tx)
1807 {
1808         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
1809         range_tree_t *freetree = msp->ms_freetree[txg & TXG_MASK];
1810         range_tree_t *condense_tree;
1811         space_map_t *sm = msp->ms_sm;
1812
1813         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1814         ASSERT3U(spa_sync_pass(spa), ==, 1);
1815         ASSERT(msp->ms_loaded);
1816
1817
1818         spa_dbgmsg(spa, "condensing: txg %llu, msp[%llu] %p, vdev id %llu, "
1819             "spa %s, smp size %llu, segments %lu, forcing condense=%s", txg,
1820             msp->ms_id, msp, msp->ms_group->mg_vd->vdev_id,
1821             msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa->spa_name,
1822             space_map_length(msp->ms_sm), avl_numnodes(&msp->ms_tree->rt_root),
1823             msp->ms_condense_wanted ? "TRUE" : "FALSE");
1824
1825         msp->ms_condense_wanted = B_FALSE;
1826
1827         /*
1828          * Create an range tree that is 100% allocated. We remove segments
1829          * that have been freed in this txg, any deferred frees that exist,
1830          * and any allocation in the future. Removing segments should be
1831          * a relatively inexpensive operation since we expect these trees to
1832          * have a small number of nodes.
1833          */
1834         condense_tree = range_tree_create(NULL, NULL, &msp->ms_lock);
1835         range_tree_add(condense_tree, msp->ms_start, msp->ms_size);
1836
1837         /*
1838          * Remove what's been freed in this txg from the condense_tree.
1839          * Since we're in sync_pass 1, we know that all the frees from
1840          * this txg are in the freetree.
1841          */
1842         range_tree_walk(freetree, range_tree_remove, condense_tree);
1843
1844         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
1845                 range_tree_walk(msp->ms_defertree[t],
1846                     range_tree_remove, condense_tree);
1847         }
1848
1849         for (int t = 1; t < TXG_CONCURRENT_STATES; t++) {
1850                 range_tree_walk(msp->ms_alloctree[(txg + t) & TXG_MASK],
1851                     range_tree_remove, condense_tree);
1852         }
1853
1854         /*
1855          * We're about to drop the metaslab's lock thus allowing
1856          * other consumers to change it's content. Set the
1857          * metaslab's ms_condensing flag to ensure that
1858          * allocations on this metaslab do not occur while we're
1859          * in the middle of committing it to disk. This is only critical
1860          * for the ms_tree as all other range trees use per txg
1861          * views of their content.
1862          */
1863         msp->ms_condensing = B_TRUE;
1864
1865         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1866         space_map_truncate(sm, tx);
1867         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1868
1869         /*
1870          * While we would ideally like to create a space_map representation
1871          * that consists only of allocation records, doing so can be
1872          * prohibitively expensive because the in-core free tree can be
1873          * large, and therefore computationally expensive to subtract
1874          * from the condense_tree. Instead we sync out two trees, a cheap
1875          * allocation only tree followed by the in-core free tree. While not
1876          * optimal, this is typically close to optimal, and much cheaper to
1877          * compute.
1878          */
1879         space_map_write(sm, condense_tree, SM_ALLOC, tx);
1880         range_tree_vacate(condense_tree, NULL, NULL);
1881         range_tree_destroy(condense_tree);
1882
1883         space_map_write(sm, msp->ms_tree, SM_FREE, tx);
1884         msp->ms_condensing = B_FALSE;
1885 }
1886
1887 /*
1888  * Write a metaslab to disk in the context of the specified transaction group.
1889  */
1890 void
1891 metaslab_sync(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
1892 {
1893         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
1894         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
1895         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
1896         objset_t *mos = spa_meta_objset(spa);
1897         range_tree_t *alloctree = msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK];
1898         range_tree_t **freetree = &msp->ms_freetree[txg & TXG_MASK];
1899         range_tree_t **freed_tree =
1900             &msp->ms_freetree[TXG_CLEAN(txg) & TXG_MASK];
1901         dmu_tx_t *tx;
1902         uint64_t object = space_map_object(msp->ms_sm);
1903
1904         ASSERT(!vd->vdev_ishole);
1905
1906         /*
1907          * This metaslab has just been added so there's no work to do now.
1908          */
1909         if (*freetree == NULL) {
1910                 ASSERT3P(alloctree, ==, NULL);
1911                 return;
1912         }
1913
1914         ASSERT3P(alloctree, !=, NULL);
1915         ASSERT3P(*freetree, !=, NULL);
1916         ASSERT3P(*freed_tree, !=, NULL);
1917
1918         /*
1919          * Normally, we don't want to process a metaslab if there
1920          * are no allocations or frees to perform. However, if the metaslab
1921          * is being forced to condense we need to let it through.
1922          */
1923         if (range_tree_space(alloctree) == 0 &&
1924             range_tree_space(*freetree) == 0 &&
1925             !msp->ms_condense_wanted)
1926                 return;
1927
1928         /*
1929          * The only state that can actually be changing concurrently with
1930          * metaslab_sync() is the metaslab's ms_tree.  No other thread can
1931          * be modifying this txg's alloctree, freetree, freed_tree, or
1932          * space_map_phys_t. Therefore, we only hold ms_lock to satify
1933          * space_map ASSERTs. We drop it whenever we call into the DMU,
1934          * because the DMU can call down to us (e.g. via zio_free()) at
1935          * any time.
1936          */
1937
1938         tx = dmu_tx_create_assigned(spa_get_dsl(spa), txg);
1939
1940         if (msp->ms_sm == NULL) {
1941                 uint64_t new_object;
1942
1943                 new_object = space_map_alloc(mos, tx);
1944                 VERIFY3U(new_object, !=, 0);
1945
1946                 VERIFY0(space_map_open(&msp->ms_sm, mos, new_object,
1947                     msp->ms_start, msp->ms_size, vd->vdev_ashift,
1948                     &msp->ms_lock));
1949                 ASSERT(msp->ms_sm != NULL);
1950         }
1951
1952         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1953
1954         /*
1955          * Note: metaslab_condense() clears the space_map's histogram.
1956          * Therefore we must verify and remove this histogram before
1957          * condensing.
1958          */
1959         metaslab_group_histogram_verify(mg);
1960         metaslab_class_histogram_verify(mg->mg_class);
1961         metaslab_group_histogram_remove(mg, msp);
1962
1963         if (msp->ms_loaded && spa_sync_pass(spa) == 1 &&
1964             metaslab_should_condense(msp)) {
1965                 metaslab_condense(msp, txg, tx);
1966         } else {
1967                 space_map_write(msp->ms_sm, alloctree, SM_ALLOC, tx);
1968                 space_map_write(msp->ms_sm, *freetree, SM_FREE, tx);
1969         }
1970
1971         if (msp->ms_loaded) {
1972                 /*
1973                  * When the space map is loaded, we have an accruate
1974                  * histogram in the range tree. This gives us an opportunity
1975                  * to bring the space map's histogram up-to-date so we clear
1976                  * it first before updating it.
1977                  */
1978                 space_map_histogram_clear(msp->ms_sm);
1979                 space_map_histogram_add(msp->ms_sm, msp->ms_tree, tx);
1980         } else {
1981                 /*
1982                  * Since the space map is not loaded we simply update the
1983                  * exisiting histogram with what was freed in this txg. This
1984                  * means that the on-disk histogram may not have an accurate
1985                  * view of the free space but it's close enough to allow
1986                  * us to make allocation decisions.
1987                  */
1988                 space_map_histogram_add(msp->ms_sm, *freetree, tx);
1989         }
1990         metaslab_group_histogram_add(mg, msp);
1991         metaslab_group_histogram_verify(mg);
1992         metaslab_class_histogram_verify(mg->mg_class);
1993
1994         /*
1995          * For sync pass 1, we avoid traversing this txg's free range tree
1996          * and instead will just swap the pointers for freetree and
1997          * freed_tree. We can safely do this since the freed_tree is
1998          * guaranteed to be empty on the initial pass.
1999          */
2000         if (spa_sync_pass(spa) == 1) {
2001                 range_tree_swap(freetree, freed_tree);
2002         } else {
2003                 range_tree_vacate(*freetree, range_tree_add, *freed_tree);
2004         }
2005         range_tree_vacate(alloctree, NULL, NULL);
2006
2007         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK]));
2008         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freetree[txg & TXG_MASK]));
2009
2010         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2011
2012         if (object != space_map_object(msp->ms_sm)) {
2013                 object = space_map_object(msp->ms_sm);
2014                 dmu_write(mos, vd->vdev_ms_array, sizeof (uint64_t) *
2015                     msp->ms_id, sizeof (uint64_t), &object, tx);
2016         }
2017         dmu_tx_commit(tx);
2018 }
2019
2020 /*
2021  * Called after a transaction group has completely synced to mark
2022  * all of the metaslab's free space as usable.
2023  */
2024 void
2025 metaslab_sync_done(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
2026 {
2027         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
2028         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
2029         range_tree_t **freed_tree;
2030         range_tree_t **defer_tree;
2031         int64_t alloc_delta, defer_delta;
2032
2033         ASSERT(!vd->vdev_ishole);
2034
2035         mutex_enter(&msp->ms_lock);
2036
2037         /*
2038          * If this metaslab is just becoming available, initialize its
2039          * alloctrees, freetrees, and defertree and add its capacity to
2040          * the vdev.
2041          */
2042         if (msp->ms_freetree[TXG_CLEAN(txg) & TXG_MASK] == NULL) {
2043                 for (int t = 0; t < TXG_SIZE; t++) {
2044                         ASSERT(msp->ms_alloctree[t] == NULL);
2045                         ASSERT(msp->ms_freetree[t] == NULL);
2046
2047                         msp->ms_alloctree[t] = range_tree_create(NULL, msp,
2048                             &msp->ms_lock);
2049                         msp->ms_freetree[t] = range_tree_create(NULL, msp,
2050                             &msp->ms_lock);
2051                 }
2052
2053                 for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
2054                         ASSERT(msp->ms_defertree[t] == NULL);
2055
2056                         msp->ms_defertree[t] = range_tree_create(NULL, msp,
2057                             &msp->ms_lock);
2058                 }
2059
2060                 vdev_space_update(vd, 0, 0, msp->ms_size);
2061         }
2062
2063         freed_tree = &msp->ms_freetree[TXG_CLEAN(txg) & TXG_MASK];
2064         defer_tree = &msp->ms_defertree[txg % TXG_DEFER_SIZE];
2065
2066         alloc_delta = space_map_alloc_delta(msp->ms_sm);
2067         defer_delta = range_tree_space(*freed_tree) -
2068             range_tree_space(*defer_tree);
2069
2070         vdev_space_update(vd, alloc_delta + defer_delta, defer_delta, 0);
2071
2072         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK]));
2073         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freetree[txg & TXG_MASK]));
2074
2075         /*
2076          * If there's a metaslab_load() in progress, wait for it to complete
2077          * so that we have a consistent view of the in-core space map.
2078          */
2079         metaslab_load_wait(msp);
2080
2081         /*
2082          * Move the frees from the defer_tree back to the free
2083          * range tree (if it's loaded). Swap the freed_tree and the
2084          * defer_tree -- this is safe to do because we've just emptied out
2085          * the defer_tree.
2086          */
2087         range_tree_vacate(*defer_tree,
2088             msp->ms_loaded ? range_tree_add : NULL, msp->ms_tree);
2089         range_tree_swap(freed_tree, defer_tree);
2090
2091         space_map_update(msp->ms_sm);
2092
2093         msp->ms_deferspace += defer_delta;
2094         ASSERT3S(msp->ms_deferspace, >=, 0);
2095         ASSERT3S(msp->ms_deferspace, <=, msp->ms_size);
2096         if (msp->ms_deferspace != 0) {
2097                 /*
2098                  * Keep syncing this metaslab until all deferred frees
2099                  * are back in circulation.
2100                  */
2101                 vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg + 1);
2102         }
2103
2104         if (msp->ms_loaded && msp->ms_access_txg < txg) {
2105                 for (int t = 1; t < TXG_CONCURRENT_STATES; t++) {
2106                         VERIFY0(range_tree_space(
2107                             msp->ms_alloctree[(txg + t) & TXG_MASK]));
2108                 }
2109
2110                 if (!metaslab_debug_unload)
2111                         metaslab_unload(msp);
2112         }
2113
2114         metaslab_group_sort(mg, msp, metaslab_weight(msp));
2115         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2116 }
2117
2118 void
2119 metaslab_sync_reassess(metaslab_group_t *mg)
2120 {
2121         metaslab_group_alloc_update(mg);
2122         mg->mg_fragmentation = metaslab_group_fragmentation(mg);
2123
2124         /*
2125          * Preload the next potential metaslabs
2126          */
2127         metaslab_group_preload(mg);
2128 }
2129
2130 static uint64_t
2131 metaslab_distance(metaslab_t *msp, dva_t *dva)
2132 {
2133         uint64_t ms_shift = msp->ms_group->mg_vd->vdev_ms_shift;
2134         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva) >> ms_shift;
2135         uint64_t start = msp->ms_id;
2136
2137         if (msp->ms_group->mg_vd->vdev_id != DVA_GET_VDEV(dva))
2138                 return (1ULL << 63);
2139
2140         if (offset < start)
2141                 return ((start - offset) << ms_shift);
2142         if (offset > start)
2143                 return ((offset - start) << ms_shift);
2144         return (0);
2145 }
2146
2147 static uint64_t
2148 metaslab_group_alloc(metaslab_group_t *mg, uint64_t psize, uint64_t asize,
2149     uint64_t txg, uint64_t min_distance, dva_t *dva, int d)
2150 {
2151         spa_t *spa = mg->mg_vd->vdev_spa;
2152         metaslab_t *msp = NULL;
2153         uint64_t offset = -1ULL;
2154         avl_tree_t *t = &mg->mg_metaslab_tree;
2155         uint64_t activation_weight;
2156         uint64_t target_distance;
2157         int i;
2158
2159         activation_weight = METASLAB_WEIGHT_PRIMARY;
2160         for (i = 0; i < d; i++) {
2161                 if (DVA_GET_VDEV(&dva[i]) == mg->mg_vd->vdev_id) {
2162                         activation_weight = METASLAB_WEIGHT_SECONDARY;
2163                         break;
2164                 }
2165         }
2166
2167         for (;;) {
2168                 boolean_t was_active;
2169
2170                 mutex_enter(&mg->mg_lock);
2171                 for (msp = avl_first(t); msp; msp = AVL_NEXT(t, msp)) {
2172                         if (msp->ms_weight < asize) {
2173                                 spa_dbgmsg(spa, "%s: failed to meet weight "
2174                                     "requirement: vdev %llu, txg %llu, mg %p, "
2175                                     "msp %p, psize %llu, asize %llu, "
2176                                     "weight %llu", spa_name(spa),
2177                                     mg->mg_vd->vdev_id, txg,
2178                                     mg, msp, psize, asize, msp->ms_weight);
2179                                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
2180                                 return (-1ULL);
2181                         }
2182
2183                         /*
2184                          * If the selected metaslab is condensing, skip it.
2185                          */
2186                         if (msp->ms_condensing)
2187                                 continue;
2188
2189                         was_active = msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK;
2190                         if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY)
2191                                 break;
2192
2193                         target_distance = min_distance +
2194                             (space_map_allocated(msp->ms_sm) != 0 ? 0 :
2195                             min_distance >> 1);
2196
2197                         for (i = 0; i < d; i++)
2198                                 if (metaslab_distance(msp, &dva[i]) <
2199                                     target_distance)
2200                                         break;
2201                         if (i == d)
2202                                 break;
2203                 }
2204                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
2205                 if (msp == NULL)
2206                         return (-1ULL);
2207
2208                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
2209
2210                 /*
2211                  * Ensure that the metaslab we have selected is still
2212                  * capable of handling our request. It's possible that
2213                  * another thread may have changed the weight while we
2214                  * were blocked on the metaslab lock.
2215                  */
2216                 if (msp->ms_weight < asize || (was_active &&
2217                     !(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) &&
2218                     activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY)) {
2219                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2220                         continue;
2221                 }
2222
2223                 if ((msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_SECONDARY) &&
2224                     activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY) {
2225                         metaslab_passivate(msp,
2226                             msp->ms_weight & ~METASLAB_ACTIVE_MASK);
2227                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2228                         continue;
2229                 }
2230
2231                 if (metaslab_activate(msp, activation_weight) != 0) {
2232                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2233                         continue;
2234                 }
2235
2236                 /*
2237                  * If this metaslab is currently condensing then pick again as
2238                  * we can't manipulate this metaslab until it's committed
2239                  * to disk.
2240                  */
2241                 if (msp->ms_condensing) {
2242                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2243                         continue;
2244                 }
2245
2246                 if ((offset = metaslab_block_alloc(msp, asize)) != -1ULL)
2247                         break;
2248
2249                 metaslab_passivate(msp, metaslab_block_maxsize(msp));
2250                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
2251         }
2252
2253         if (range_tree_space(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK]) == 0)
2254                 vdev_dirty(mg->mg_vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
2255
2256         range_tree_add(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK], offset, asize);
2257         msp->ms_access_txg = txg + metaslab_unload_delay;
2258
2259         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2260
2261         return (offset);
2262 }
2263
2264 /*
2265  * Allocate a block for the specified i/o.
2266  */
2267 static int
2268 metaslab_alloc_dva(spa_t *spa, metaslab_class_t *mc, uint64_t psize,
2269     dva_t *dva, int d, dva_t *hintdva, uint64_t txg, int flags)
2270 {
2271         metaslab_group_t *mg, *rotor;
2272         vdev_t *vd;
2273         int dshift = 3;
2274         int all_zero;
2275         int zio_lock = B_FALSE;
2276         boolean_t allocatable;
2277         uint64_t offset = -1ULL;
2278         uint64_t asize;
2279         uint64_t distance;
2280
2281         ASSERT(!DVA_IS_VALID(&dva[d]));
2282
2283         /*
2284          * For testing, make some blocks above a certain size be gang blocks.
2285          */
2286         if (psize >= metaslab_gang_bang && (ddi_get_lbolt() & 3) == 0)
2287                 return (SET_ERROR(ENOSPC));
2288
2289         /*
2290          * Start at the rotor and loop through all mgs until we find something.
2291          * Note that there's no locking on mc_rotor or mc_aliquot because
2292          * nothing actually breaks if we miss a few updates -- we just won't
2293          * allocate quite as evenly.  It all balances out over time.
2294          *
2295          * If we are doing ditto or log blocks, try to spread them across
2296          * consecutive vdevs.  If we're forced to reuse a vdev before we've
2297          * allocated all of our ditto blocks, then try and spread them out on
2298          * that vdev as much as possible.  If it turns out to not be possible,
2299          * gradually lower our standards until anything becomes acceptable.
2300          * Also, allocating on consecutive vdevs (as opposed to random vdevs)
2301          * gives us hope of containing our fault domains to something we're
2302          * able to reason about.  Otherwise, any two top-level vdev failures
2303          * will guarantee the loss of data.  With consecutive allocation,
2304          * only two adjacent top-level vdev failures will result in data loss.
2305          *
2306          * If we are doing gang blocks (hintdva is non-NULL), try to keep
2307          * ourselves on the same vdev as our gang block header.  That
2308          * way, we can hope for locality in vdev_cache, plus it makes our
2309          * fault domains something tractable.
2310          */
2311         if (hintdva) {
2312                 vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&hintdva[d]));
2313
2314                 /*
2315                  * It's possible the vdev we're using as the hint no
2316                  * longer exists (i.e. removed). Consult the rotor when
2317                  * all else fails.
2318                  */
2319                 if (vd != NULL) {
2320                         mg = vd->vdev_mg;
2321
2322                         if (flags & METASLAB_HINTBP_AVOID &&
2323                             mg->mg_next != NULL)
2324                                 mg = mg->mg_next;
2325                 } else {
2326                         mg = mc->mc_rotor;
2327                 }
2328         } else if (d != 0) {
2329                 vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&dva[d - 1]));
2330                 mg = vd->vdev_mg->mg_next;
2331         } else {
2332                 mg = mc->mc_rotor;
2333         }
2334
2335         /*
2336          * If the hint put us into the wrong metaslab class, or into a
2337          * metaslab group that has been passivated, just follow the rotor.
2338          */
2339         if (mg->mg_class != mc || mg->mg_activation_count <= 0)
2340                 mg = mc->mc_rotor;
2341
2342         rotor = mg;
2343 top:
2344         all_zero = B_TRUE;
2345         do {
2346                 ASSERT(mg->mg_activation_count == 1);
2347
2348                 vd = mg->mg_vd;
2349
2350                 /*
2351                  * Don't allocate from faulted devices.
2352                  */
2353                 if (zio_lock) {
2354                         spa_config_enter(spa, SCL_ZIO, FTAG, RW_READER);
2355                         allocatable = vdev_allocatable(vd);
2356                         spa_config_exit(spa, SCL_ZIO, FTAG);
2357                 } else {
2358                         allocatable = vdev_allocatable(vd);
2359                 }
2360
2361                 /*
2362                  * Determine if the selected metaslab group is eligible
2363                  * for allocations. If we're ganging or have requested
2364                  * an allocation for the smallest gang block size
2365                  * then we don't want to avoid allocating to the this
2366                  * metaslab group. If we're in this condition we should
2367                  * try to allocate from any device possible so that we
2368                  * don't inadvertently return ENOSPC and suspend the pool
2369                  * even though space is still available.
2370                  */
2371                 if (allocatable && CAN_FASTGANG(flags) &&
2372                     psize > SPA_GANGBLOCKSIZE)
2373                         allocatable = metaslab_group_allocatable(mg);
2374
2375                 if (!allocatable)
2376                         goto next;
2377
2378                 /*
2379                  * Avoid writing single-copy data to a failing vdev
2380                  * unless the user instructs us that it is okay.
2381                  */
2382                 if ((vd->vdev_stat.vs_write_errors > 0 ||
2383                     vd->vdev_state < VDEV_STATE_HEALTHY) &&
2384                     d == 0 && dshift == 3 && vd->vdev_children == 0) {
2385                         all_zero = B_FALSE;
2386                         goto next;
2387                 }
2388
2389                 ASSERT(mg->mg_class == mc);
2390
2391                 distance = vd->vdev_asize >> dshift;
2392                 if (distance <= (1ULL << vd->vdev_ms_shift))
2393                         distance = 0;
2394                 else
2395                         all_zero = B_FALSE;
2396
2397                 asize = vdev_psize_to_asize(vd, psize);
2398                 ASSERT(P2PHASE(asize, 1ULL << vd->vdev_ashift) == 0);
2399
2400                 offset = metaslab_group_alloc(mg, psize, asize, txg, distance,
2401                     dva, d);
2402                 if (offset != -1ULL) {
2403                         /*
2404                          * If we've just selected this metaslab group,
2405                          * figure out whether the corresponding vdev is
2406                          * over- or under-used relative to the pool,
2407                          * and set an allocation bias to even it out.
2408                          */
2409                         if (mc->mc_aliquot == 0 && metaslab_bias_enabled) {
2410                                 vdev_stat_t *vs = &vd->vdev_stat;
2411                                 int64_t vu, cu;
2412
2413                                 vu = (vs->vs_alloc * 100) / (vs->vs_space + 1);
2414                                 cu = (mc->mc_alloc * 100) / (mc->mc_space + 1);
2415
2416                                 /*
2417                                  * Calculate how much more or less we should
2418                                  * try to allocate from this device during
2419                                  * this iteration around the rotor.
2420                                  * For example, if a device is 80% full
2421                                  * and the pool is 20% full then we should
2422                                  * reduce allocations by 60% on this device.
2423                                  *
2424                                  * mg_bias = (20 - 80) * 512K / 100 = -307K
2425                                  *
2426                                  * This reduces allocations by 307K for this
2427                                  * iteration.
2428                                  */
2429                                 mg->mg_bias = ((cu - vu) *
2430                                     (int64_t)mg->mg_aliquot) / 100;
2431                         } else if (!metaslab_bias_enabled) {
2432                                 mg->mg_bias = 0;
2433                         }
2434
2435                         if (atomic_add_64_nv(&mc->mc_aliquot, asize) >=
2436                             mg->mg_aliquot + mg->mg_bias) {
2437                                 mc->mc_rotor = mg->mg_next;
2438                                 mc->mc_aliquot = 0;
2439                         }
2440
2441                         DVA_SET_VDEV(&dva[d], vd->vdev_id);
2442                         DVA_SET_OFFSET(&dva[d], offset);
2443                         DVA_SET_GANG(&dva[d], !!(flags & METASLAB_GANG_HEADER));
2444                         DVA_SET_ASIZE(&dva[d], asize);
2445
2446                         return (0);
2447                 }
2448 next:
2449                 mc->mc_rotor = mg->mg_next;
2450                 mc->mc_aliquot = 0;
2451         } while ((mg = mg->mg_next) != rotor);
2452
2453         if (!all_zero) {
2454                 dshift++;
2455                 ASSERT(dshift < 64);
2456                 goto top;
2457         }
2458
2459         if (!allocatable && !zio_lock) {
2460                 dshift = 3;
2461                 zio_lock = B_TRUE;
2462                 goto top;
2463         }
2464
2465         bzero(&dva[d], sizeof (dva_t));
2466
2467         return (SET_ERROR(ENOSPC));
2468 }
2469
2470 /*
2471  * Free the block represented by DVA in the context of the specified
2472  * transaction group.
2473  */
2474 static void
2475 metaslab_free_dva(spa_t *spa, const dva_t *dva, uint64_t txg, boolean_t now)
2476 {
2477         uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(dva);
2478         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
2479         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
2480         vdev_t *vd;
2481         metaslab_t *msp;
2482
2483         ASSERT(DVA_IS_VALID(dva));
2484
2485         if (txg > spa_freeze_txg(spa))
2486                 return;
2487
2488         if ((vd = vdev_lookup_top(spa, vdev)) == NULL ||
2489             (offset >> vd->vdev_ms_shift) >= vd->vdev_ms_count) {
2490                 cmn_err(CE_WARN, "metaslab_free_dva(): bad DVA %llu:%llu",
2491                     (u_longlong_t)vdev, (u_longlong_t)offset);
2492                 ASSERT(0);
2493                 return;
2494         }
2495
2496         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
2497
2498         if (DVA_GET_GANG(dva))
2499                 size = vdev_psize_to_asize(vd, SPA_GANGBLOCKSIZE);
2500
2501         mutex_enter(&msp->ms_lock);
2502
2503         if (now) {
2504                 range_tree_remove(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK],
2505                     offset, size);
2506
2507                 VERIFY(!msp->ms_condensing);
2508                 VERIFY3U(offset, >=, msp->ms_start);
2509                 VERIFY3U(offset + size, <=, msp->ms_start + msp->ms_size);
2510                 VERIFY3U(range_tree_space(msp->ms_tree) + size, <=,
2511                     msp->ms_size);
2512                 VERIFY0(P2PHASE(offset, 1ULL << vd->vdev_ashift));
2513                 VERIFY0(P2PHASE(size, 1ULL << vd->vdev_ashift));
2514                 range_tree_add(msp->ms_tree, offset, size);
2515         } else {
2516                 if (range_tree_space(msp->ms_freetree[txg & TXG_MASK]) == 0)
2517                         vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
2518                 range_tree_add(msp->ms_freetree[txg & TXG_MASK],
2519                     offset, size);
2520         }
2521
2522         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2523 }
2524
2525 /*
2526  * Intent log support: upon opening the pool after a crash, notify the SPA
2527  * of blocks that the intent log has allocated for immediate write, but
2528  * which are still considered free by the SPA because the last transaction
2529  * group didn't commit yet.
2530  */
2531 static int
2532 metaslab_claim_dva(spa_t *spa, const dva_t *dva, uint64_t txg)
2533 {
2534         uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(dva);
2535         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
2536         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
2537         vdev_t *vd;
2538         metaslab_t *msp;
2539         int error = 0;
2540
2541         ASSERT(DVA_IS_VALID(dva));
2542
2543         if ((vd = vdev_lookup_top(spa, vdev)) == NULL ||
2544             (offset >> vd->vdev_ms_shift) >= vd->vdev_ms_count)
2545                 return (SET_ERROR(ENXIO));
2546
2547         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
2548
2549         if (DVA_GET_GANG(dva))
2550                 size = vdev_psize_to_asize(vd, SPA_GANGBLOCKSIZE);
2551
2552         mutex_enter(&msp->ms_lock);
2553
2554         if ((txg != 0 && spa_writeable(spa)) || !msp->ms_loaded)
2555                 error = metaslab_activate(msp, METASLAB_WEIGHT_SECONDARY);
2556
2557         if (error == 0 && !range_tree_contains(msp->ms_tree, offset, size))
2558                 error = SET_ERROR(ENOENT);
2559
2560         if (error || txg == 0) {        /* txg == 0 indicates dry run */
2561                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
2562                 return (error);
2563         }
2564
2565         VERIFY(!msp->ms_condensing);
2566         VERIFY0(P2PHASE(offset, 1ULL << vd->vdev_ashift));
2567         VERIFY0(P2PHASE(size, 1ULL << vd->vdev_ashift));
2568         VERIFY3U(range_tree_space(msp->ms_tree) - size, <=, msp->ms_size);
2569         range_tree_remove(msp->ms_tree, offset, size);
2570
2571         if (spa_writeable(spa)) {       /* don't dirty if we're zdb(1M) */
2572                 if (range_tree_space(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK]) == 0)
2573                         vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
2574                 range_tree_add(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK], offset, size);
2575         }
2576
2577         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2578
2579         return (0);
2580 }
2581
2582 int
2583 metaslab_alloc(spa_t *spa, metaslab_class_t *mc, uint64_t psize, blkptr_t *bp,
2584     int ndvas, uint64_t txg, blkptr_t *hintbp, int flags)
2585 {
2586         dva_t *dva = bp->blk_dva;
2587         dva_t *hintdva = hintbp->blk_dva;
2588         int error = 0;
2589
2590         ASSERT(bp->blk_birth == 0);
2591         ASSERT(BP_PHYSICAL_BIRTH(bp) == 0);
2592
2593         spa_config_enter(spa, SCL_ALLOC, FTAG, RW_READER);
2594
2595         if (mc->mc_rotor == NULL) {     /* no vdevs in this class */
2596                 spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
2597                 return (SET_ERROR(ENOSPC));
2598         }
2599
2600         ASSERT(ndvas > 0 && ndvas <= spa_max_replication(spa));
2601         ASSERT(BP_GET_NDVAS(bp) == 0);
2602         ASSERT(hintbp == NULL || ndvas <= BP_GET_NDVAS(hintbp));
2603
2604         for (int d = 0; d < ndvas; d++) {
2605                 error = metaslab_alloc_dva(spa, mc, psize, dva, d, hintdva,
2606                     txg, flags);
2607                 if (error != 0) {
2608                         for (d--; d >= 0; d--) {
2609                                 metaslab_free_dva(spa, &dva[d], txg, B_TRUE);
2610                                 bzero(&dva[d], sizeof (dva_t));
2611                         }
2612                         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
2613                         return (error);
2614                 }
2615         }
2616         ASSERT(error == 0);
2617         ASSERT(BP_GET_NDVAS(bp) == ndvas);
2618
2619         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
2620
2621         BP_SET_BIRTH(bp, txg, txg);
2622
2623         return (0);
2624 }
2625
2626 void
2627 metaslab_free(spa_t *spa, const blkptr_t *bp, uint64_t txg, boolean_t now)
2628 {
2629         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
2630         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
2631
2632         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
2633         ASSERT(!now || bp->blk_birth >= spa_syncing_txg(spa));
2634
2635         spa_config_enter(spa, SCL_FREE, FTAG, RW_READER);
2636
2637         for (int d = 0; d < ndvas; d++)
2638                 metaslab_free_dva(spa, &dva[d], txg, now);
2639
2640         spa_config_exit(spa, SCL_FREE, FTAG);
2641 }
2642
2643 int
2644 metaslab_claim(spa_t *spa, const blkptr_t *bp, uint64_t txg)
2645 {
2646         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
2647         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
2648         int error = 0;
2649
2650         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
2651
2652         if (txg != 0) {
2653                 /*
2654                  * First do a dry run to make sure all DVAs are claimable,
2655                  * so we don't have to unwind from partial failures below.
2656                  */
2657                 if ((error = metaslab_claim(spa, bp, 0)) != 0)
2658                         return (error);
2659         }
2660
2661         spa_config_enter(spa, SCL_ALLOC, FTAG, RW_READER);
2662
2663         for (int d = 0; d < ndvas; d++)
2664                 if ((error = metaslab_claim_dva(spa, &dva[d], txg)) != 0)
2665                         break;
2666
2667         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
2668
2669         ASSERT(error == 0 || txg == 0);
2670
2671         return (error);
2672 }
2673
2674 void
2675 metaslab_check_free(spa_t *spa, const blkptr_t *bp)
2676 {
2677         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_ZIO_FREE) == 0)
2678                 return;
2679
2680         spa_config_enter(spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
2681         for (int i = 0; i < BP_GET_NDVAS(bp); i++) {
2682                 uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(&bp->blk_dva[i]);
2683                 vdev_t *vd = vdev_lookup_top(spa, vdev);
2684                 uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(&bp->blk_dva[i]);
2685                 uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(&bp->blk_dva[i]);
2686                 metaslab_t *msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
2687
2688                 if (msp->ms_loaded)
2689                         range_tree_verify(msp->ms_tree, offset, size);
2690
2691                 for (int j = 0; j < TXG_SIZE; j++)
2692                         range_tree_verify(msp->ms_freetree[j], offset, size);
2693                 for (int j = 0; j < TXG_DEFER_SIZE; j++)
2694                         range_tree_verify(msp->ms_defertree[j], offset, size);
2695         }
2696         spa_config_exit(spa, SCL_VDEV, FTAG);
2697 }