sys/cddl/contrib/opensolaris/uts/common/fs/zfs/vdev_queue.c

   1 /*
   2  * CDDL HEADER START
   3  *
   4  * The contents of this file are subject to the terms of the
   5  * Common Development and Distribution License (the "License").
   6  * You may not use this file except in compliance with the License.
   7  *
   8  * You can obtain a copy of the license at usr/src/OPENSOLARIS.LICENSE
   9  * or http://www.opensolaris.org/os/licensing.
  10  * See the License for the specific language governing permissions
  11  * and limitations under the License.
  12  *
  13  * When distributing Covered Code, include this CDDL HEADER in each
  14  * file and include the License file at usr/src/OPENSOLARIS.LICENSE.
  15  * If applicable, add the following below this CDDL HEADER, with the
  16  * fields enclosed by brackets "[]" replaced with your own identifying
  17  * information: Portions Copyright [yyyy] [name of copyright owner]
  18  *
  19  * CDDL HEADER END
  20  */
  21 /*
  22  * Copyright 2009 Sun Microsystems, Inc.  All rights reserved.
  23  * Use is subject to license terms.
  24  */
  25
  26 /*
  27  * Copyright (c) 2012, 2014 by Delphix. All rights reserved.
  28  */
  29
  30 #include <sys/zfs_context.h>
  31 #include <sys/vdev_impl.h>
  32 #include <sys/spa_impl.h>
  33 #include <sys/zio.h>
  34 #include <sys/avl.h>
  35 #include <sys/dsl_pool.h>
  36
  37 /*
  38  * ZFS I/O Scheduler
  39  * ---------------
  40  *
  41  * ZFS issues I/O operations to leaf vdevs to satisfy and complete zios.  The
  42  * I/O scheduler determines when and in what order those operations are
  43  * issued.  The I/O scheduler divides operations into six I/O classes
  44  * prioritized in the following order: sync read, sync write, async read,
  45  * async write, scrub/resilver and trim.  Each queue defines the minimum and
  46  * maximum number of concurrent operations that may be issued to the device.
  47  * In addition, the device has an aggregate maximum. Note that the sum of the
  48  * per-queue minimums must not exceed the aggregate maximum, and if the
  49  * aggregate maximum is equal to or greater than the sum of the per-queue
  50  * maximums, the per-queue minimum has no effect.
  51  *
  52  * For many physical devices, throughput increases with the number of
  53  * concurrent operations, but latency typically suffers. Further, physical
  54  * devices typically have a limit at which more concurrent operations have no
  55  * effect on throughput or can actually cause it to decrease.
  56  *
  57  * The scheduler selects the next operation to issue by first looking for an
  58  * I/O class whose minimum has not been satisfied. Once all are satisfied and
  59  * the aggregate maximum has not been hit, the scheduler looks for classes
  60  * whose maximum has not been satisfied. Iteration through the I/O classes is
  61  * done in the order specified above. No further operations are issued if the
  62  * aggregate maximum number of concurrent operations has been hit or if there
  63  * are no operations queued for an I/O class that has not hit its maximum.
  64  * Every time an I/O is queued or an operation completes, the I/O scheduler
  65  * looks for new operations to issue.
  66  *
  67  * All I/O classes have a fixed maximum number of outstanding operations
  68  * except for the async write class. Asynchronous writes represent the data
  69  * that is committed to stable storage during the syncing stage for
  70  * transaction groups (see txg.c). Transaction groups enter the syncing state
  71  * periodically so the number of queued async writes will quickly burst up and
  72  * then bleed down to zero. Rather than servicing them as quickly as possible,
  73  * the I/O scheduler changes the maximum number of active async write I/Os
  74  * according to the amount of dirty data in the pool (see dsl_pool.c). Since
  75  * both throughput and latency typically increase with the number of
  76  * concurrent operations issued to physical devices, reducing the burstiness
  77  * in the number of concurrent operations also stabilizes the response time of
  78  * operations from other -- and in particular synchronous -- queues. In broad
  79  * strokes, the I/O scheduler will issue more concurrent operations from the
  80  * async write queue as there's more dirty data in the pool.
  81  *
  82  * Async Writes
  83  *
  84  * The number of concurrent operations issued for the async write I/O class
  85  * follows a piece-wise linear function defined by a few adjustable points.
  86  *
  87  *        |                   o---------| <-- zfs_vdev_async_write_max_active
  88  *   ^    |                  /^         |
  89  *   |    |                 / |         |
  90  * active |                /  |         |
  91  *  I/O   |               /   |         |
  92  * count  |              /    |         |
  93  *        |             /     |         |
  94  *        |------------o      |         | <-- zfs_vdev_async_write_min_active
  95  *       0|____________^______|_________|
  96  *        0%           |      |       100% of zfs_dirty_data_max
  97  *                     |      |
  98  *                     |      `-- zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent
  99  *                     `--------- zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent
 100  *
 101  * Until the amount of dirty data exceeds a minimum percentage of the dirty
 102  * data allowed in the pool, the I/O scheduler will limit the number of
 103  * concurrent operations to the minimum. As that threshold is crossed, the
 104  * number of concurrent operations issued increases linearly to the maximum at
 105  * the specified maximum percentage of the dirty data allowed in the pool.
 106  *
 107  * Ideally, the amount of dirty data on a busy pool will stay in the sloped
 108  * part of the function between zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent
 109  * and zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent. If it exceeds the
 110  * maximum percentage, this indicates that the rate of incoming data is
 111  * greater than the rate that the backend storage can handle. In this case, we
 112  * must further throttle incoming writes (see dmu_tx_delay() for details).
 113  */
 114
 115 /*
 116  * The maximum number of I/Os active to each device.  Ideally, this will be >=
 117  * the sum of each queue's max_active.  It must be at least the sum of each
 118  * queue's min_active.
 119  */
 120 uint32_t zfs_vdev_max_active = 1000;
 121
 122 /*
 123  * Per-queue limits on the number of I/Os active to each device.  If the
 124  * sum of the queue's max_active is < zfs_vdev_max_active, then the
 125  * min_active comes into play.  We will send min_active from each queue,
 126  * and then select from queues in the order defined by zio_priority_t.
 127  *
 128  * In general, smaller max_active's will lead to lower latency of synchronous
 129  * operations.  Larger max_active's may lead to higher overall throughput,
 130  * depending on underlying storage.
 131  *
 132  * The ratio of the queues' max_actives determines the balance of performance
 133  * between reads, writes, and scrubs.  E.g., increasing
 134  * zfs_vdev_scrub_max_active will cause the scrub or resilver to complete
 135  * more quickly, but reads and writes to have higher latency and lower
 136  * throughput.
 137  */
 138 uint32_t zfs_vdev_sync_read_min_active = 10;
 139 uint32_t zfs_vdev_sync_read_max_active = 10;
 140 uint32_t zfs_vdev_sync_write_min_active = 10;
 141 uint32_t zfs_vdev_sync_write_max_active = 10;
 142 uint32_t zfs_vdev_async_read_min_active = 1;
 143 uint32_t zfs_vdev_async_read_max_active = 3;
 144 uint32_t zfs_vdev_async_write_min_active = 1;
 145 uint32_t zfs_vdev_async_write_max_active = 10;
 146 uint32_t zfs_vdev_scrub_min_active = 1;
 147 uint32_t zfs_vdev_scrub_max_active = 2;
 148 uint32_t zfs_vdev_trim_min_active = 1;
 149 /*
 150  * TRIM max active is large in comparison to the other values due to the fact
 151  * that TRIM IOs are coalesced at the device layer. This value is set such
 152  * that a typical SSD can process the queued IOs in a single request.
 153  */
 154 uint32_t zfs_vdev_trim_max_active = 64;
 155
 156
 157 /*
 158  * When the pool has less than zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent
 159  * dirty data, use zfs_vdev_async_write_min_active.  When it has more than
 160  * zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent, use
 161  * zfs_vdev_async_write_max_active. The value is linearly interpolated
 162  * between min and max.
 163  */
 164 int zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent = 30;
 165 int zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent = 60;
 166
 167 /*
 168  * To reduce IOPs, we aggregate small adjacent I/Os into one large I/O.
 169  * For read I/Os, we also aggregate across small adjacency gaps; for writes
 170  * we include spans of optional I/Os to aid aggregation at the disk even when
 171  * they aren't able to help us aggregate at this level.
 172  */
 173 int zfs_vdev_aggregation_limit = SPA_OLD_MAXBLOCKSIZE;
 174 int zfs_vdev_read_gap_limit = 32 << 10;
 175 int zfs_vdev_write_gap_limit = 4 << 10;
 176
 177 #ifdef __FreeBSD__
 178 SYSCTL_DECL(_vfs_zfs_vdev);
 179
 180 TUNABLE_INT("vfs.zfs.vdev.async_write_active_min_dirty_percent",
 181     &zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent);
 182 static int sysctl_zfs_async_write_active_min_dirty_percent(SYSCTL_HANDLER_ARGS);
 183 SYSCTL_PROC(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, async_write_active_min_dirty_percent,
 184     CTLTYPE_UINT | CTLFLAG_MPSAFE | CTLFLAG_RWTUN, 0, sizeof(int),
 185     sysctl_zfs_async_write_active_min_dirty_percent, "I",
 186     "Percentage of async write dirty data below which "
 187     "async_write_min_active is used.");
 188
 189 TUNABLE_INT("vfs.zfs.vdev.async_write_active_max_dirty_percent",
 190     &zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent);
 191 static int sysctl_zfs_async_write_active_max_dirty_percent(SYSCTL_HANDLER_ARGS);
 192 SYSCTL_PROC(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, async_write_active_max_dirty_percent,
 193     CTLTYPE_UINT | CTLFLAG_MPSAFE | CTLFLAG_RWTUN, 0, sizeof(int),
 194     sysctl_zfs_async_write_active_max_dirty_percent, "I",
 195     "Percentage of async write dirty data above which "
 196     "async_write_max_active is used.");
 197
 198 TUNABLE_INT("vfs.zfs.vdev.max_active", &zfs_vdev_max_active);
 199 SYSCTL_UINT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, max_active, CTLFLAG_RWTUN,
 200     &zfs_vdev_max_active, 0,
 201     "The maximum number of I/Os of all types active for each device.");
 202
 203 #define ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MIN(name)                                   \
 204 TUNABLE_INT("vfs.zfs.vdev." #name "_min_active",                        \
 205     &zfs_vdev_ ## name ## _min_active);                                 \
 206 SYSCTL_UINT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, name ## _min_active,               \
 207     CTLFLAG_RWTUN, &zfs_vdev_ ## name ## _min_active, 0,                \
 208     "Initial number of I/O requests of type " #name                     \
 209     " active for each device");
 210
 211 #define ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MAX(name)                                   \
 212 TUNABLE_INT("vfs.zfs.vdev." #name "_max_active",                        \
 213     &zfs_vdev_ ## name ## _max_active);                                 \
 214 SYSCTL_UINT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, name ## _max_active,               \
 215     CTLFLAG_RWTUN, &zfs_vdev_ ## name ## _max_active, 0,                \
 216     "Maximum number of I/O requests of type " #name                     \
 217     " active for each device");
 218
 219 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MIN(sync_read);
 220 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MAX(sync_read);
 221 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MIN(sync_write);
 222 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MAX(sync_write);
 223 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MIN(async_read);
 224 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MAX(async_read);
 225 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MIN(async_write);
 226 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MAX(async_write);
 227 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MIN(scrub);
 228 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MAX(scrub);
 229 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MIN(trim);
 230 ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB_MAX(trim);
 231
 232 #undef ZFS_VDEV_QUEUE_KNOB
 233
 234 TUNABLE_INT("vfs.zfs.vdev.aggregation_limit", &zfs_vdev_aggregation_limit);
 235 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, aggregation_limit, CTLFLAG_RWTUN,
 236     &zfs_vdev_aggregation_limit, 0,
 237     "I/O requests are aggregated up to this size");
 238 TUNABLE_INT("vfs.zfs.vdev.read_gap_limit", &zfs_vdev_read_gap_limit);
 239 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, read_gap_limit, CTLFLAG_RWTUN,
 240     &zfs_vdev_read_gap_limit, 0,
 241     "Acceptable gap between two reads being aggregated");
 242 TUNABLE_INT("vfs.zfs.vdev.write_gap_limit", &zfs_vdev_write_gap_limit);
 243 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, write_gap_limit, CTLFLAG_RWTUN,
 244     &zfs_vdev_write_gap_limit, 0,
 245     "Acceptable gap between two writes being aggregated");
 246
 247 static int
 248 sysctl_zfs_async_write_active_min_dirty_percent(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
 249 {
 250         int val, err;
 251
 252         val = zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent;
 253         err = sysctl_handle_int(oidp, &val, 0, req);
 254         if (err != 0 || req->newptr == NULL)
 255                 return (err);
 256
 257         if (val < 0 || val > 100 ||
 258             val >= zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent)
 259                 return (EINVAL);
 260
 261         zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent = val;
 262
 263         return (0);
 264 }
 265
 266 static int
 267 sysctl_zfs_async_write_active_max_dirty_percent(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
 268 {
 269         int val, err;
 270
 271         val = zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent;
 272         err = sysctl_handle_int(oidp, &val, 0, req);
 273         if (err != 0 || req->newptr == NULL)
 274                 return (err);
 275
 276         if (val < 0 || val > 100 ||
 277             val <= zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent)
 278                 return (EINVAL);
 279
 280         zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent = val;
 281
 282         return (0);
 283 }
 284 #endif
 285
 286 int
 287 vdev_queue_offset_compare(const void *x1, const void *x2)
 288 {
 289         const zio_t *z1 = x1;
 290         const zio_t *z2 = x2;
 291
 292         if (z1->io_offset < z2->io_offset)
 293                 return (-1);
 294         if (z1->io_offset > z2->io_offset)
 295                 return (1);
 296
 297         if (z1 < z2)
 298                 return (-1);
 299         if (z1 > z2)
 300                 return (1);
 301
 302         return (0);
 303 }
 304
 305 static inline avl_tree_t *
 306 vdev_queue_class_tree(vdev_queue_t *vq, zio_priority_t p)
 307 {
 308         return (&vq->vq_class[p].vqc_queued_tree);
 309 }
 310
 311 static inline avl_tree_t *
 312 vdev_queue_type_tree(vdev_queue_t *vq, zio_type_t t)
 313 {
 314         if (t == ZIO_TYPE_READ)
 315                 return (&vq->vq_read_offset_tree);
 316         else if (t == ZIO_TYPE_WRITE)
 317                 return (&vq->vq_write_offset_tree);
 318         else
 319                 return (NULL);
 320 }
 321
 322 int
 323 vdev_queue_timestamp_compare(const void *x1, const void *x2)
 324 {
 325         const zio_t *z1 = x1;
 326         const zio_t *z2 = x2;
 327
 328         if (z1->io_timestamp < z2->io_timestamp)
 329                 return (-1);
 330         if (z1->io_timestamp > z2->io_timestamp)
 331                 return (1);
 332
 333         if (z1->io_offset < z2->io_offset)
 334                 return (-1);
 335         if (z1->io_offset > z2->io_offset)
 336                 return (1);
 337
 338         if (z1 < z2)
 339                 return (-1);
 340         if (z1 > z2)
 341                 return (1);
 342
 343         return (0);
 344 }
 345
 346 void
 347 vdev_queue_init(vdev_t *vd)
 348 {
 349         vdev_queue_t *vq = &vd->vdev_queue;
 350
 351         mutex_init(&vq->vq_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
 352         vq->vq_vdev = vd;
 353
 354         avl_create(&vq->vq_active_tree, vdev_queue_offset_compare,
 355             sizeof (zio_t), offsetof(struct zio, io_queue_node));
 356         avl_create(vdev_queue_type_tree(vq, ZIO_TYPE_READ),
 357             vdev_queue_offset_compare, sizeof (zio_t),
 358             offsetof(struct zio, io_offset_node));
 359         avl_create(vdev_queue_type_tree(vq, ZIO_TYPE_WRITE),
 360             vdev_queue_offset_compare, sizeof (zio_t),
 361             offsetof(struct zio, io_offset_node));
 362
 363         for (zio_priority_t p = 0; p < ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE; p++) {
 364                 int (*compfn) (const void *, const void *);
 365
 366                 /*
 367                  * The synchronous i/o queues are dispatched in FIFO rather
 368                  * than LBA order.  This provides more consistent latency for
 369                  * these i/os.
 370                  */
 371                 if (p == ZIO_PRIORITY_SYNC_READ || p == ZIO_PRIORITY_SYNC_WRITE)
 372                         compfn = vdev_queue_timestamp_compare;
 373                 else
 374                         compfn = vdev_queue_offset_compare;
 375
 376                 avl_create(vdev_queue_class_tree(vq, p), compfn,
 377                     sizeof (zio_t), offsetof(struct zio, io_queue_node));
 378         }
 379
 380         vq->vq_lastoffset = 0;
 381 }
 382
 383 void
 384 vdev_queue_fini(vdev_t *vd)
 385 {
 386         vdev_queue_t *vq = &vd->vdev_queue;
 387
 388         for (zio_priority_t p = 0; p < ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE; p++)
 389                 avl_destroy(vdev_queue_class_tree(vq, p));
 390         avl_destroy(&vq->vq_active_tree);
 391         avl_destroy(vdev_queue_type_tree(vq, ZIO_TYPE_READ));
 392         avl_destroy(vdev_queue_type_tree(vq, ZIO_TYPE_WRITE));
 393
 394         mutex_destroy(&vq->vq_lock);
 395 }
 396
 397 static void
 398 vdev_queue_io_add(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 399 {
 400         spa_t *spa = zio->io_spa;
 401         avl_tree_t *qtt;
 402         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 403         ASSERT3U(zio->io_priority, <, ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 404         avl_add(vdev_queue_class_tree(vq, zio->io_priority), zio);
 405         qtt = vdev_queue_type_tree(vq, zio->io_type);
 406         if (qtt)
 407                 avl_add(qtt, zio);
 408
 409 #ifdef illumos
 410         mutex_enter(&spa->spa_iokstat_lock);
 411         spa->spa_queue_stats[zio->io_priority].spa_queued++;
 412         if (spa->spa_iokstat != NULL)
 413                 kstat_waitq_enter(spa->spa_iokstat->ks_data);
 414         mutex_exit(&spa->spa_iokstat_lock);
 415 #endif
 416 }
 417
 418 static void
 419 vdev_queue_io_remove(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 420 {
 421         spa_t *spa = zio->io_spa;
 422         avl_tree_t *qtt;
 423         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 424         ASSERT3U(zio->io_priority, <, ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 425         avl_remove(vdev_queue_class_tree(vq, zio->io_priority), zio);
 426         qtt = vdev_queue_type_tree(vq, zio->io_type);
 427         if (qtt)
 428                 avl_remove(qtt, zio);
 429
 430 #ifdef illumos
 431         mutex_enter(&spa->spa_iokstat_lock);
 432         ASSERT3U(spa->spa_queue_stats[zio->io_priority].spa_queued, >, 0);
 433         spa->spa_queue_stats[zio->io_priority].spa_queued--;
 434         if (spa->spa_iokstat != NULL)
 435                 kstat_waitq_exit(spa->spa_iokstat->ks_data);
 436         mutex_exit(&spa->spa_iokstat_lock);
 437 #endif
 438 }
 439
 440 static void
 441 vdev_queue_pending_add(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 442 {
 443         spa_t *spa = zio->io_spa;
 444         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 445         ASSERT3U(zio->io_priority, <, ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 446         vq->vq_class[zio->io_priority].vqc_active++;
 447         avl_add(&vq->vq_active_tree, zio);
 448
 449 #ifdef illumos
 450         mutex_enter(&spa->spa_iokstat_lock);
 451         spa->spa_queue_stats[zio->io_priority].spa_active++;
 452         if (spa->spa_iokstat != NULL)
 453                 kstat_runq_enter(spa->spa_iokstat->ks_data);
 454         mutex_exit(&spa->spa_iokstat_lock);
 455 #endif
 456 }
 457
 458 static void
 459 vdev_queue_pending_remove(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 460 {
 461         spa_t *spa = zio->io_spa;
 462         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 463         ASSERT3U(zio->io_priority, <, ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 464         vq->vq_class[zio->io_priority].vqc_active--;
 465         avl_remove(&vq->vq_active_tree, zio);
 466
 467 #ifdef illumos
 468         mutex_enter(&spa->spa_iokstat_lock);
 469         ASSERT3U(spa->spa_queue_stats[zio->io_priority].spa_active, >, 0);
 470         spa->spa_queue_stats[zio->io_priority].spa_active--;
 471         if (spa->spa_iokstat != NULL) {
 472                 kstat_io_t *ksio = spa->spa_iokstat->ks_data;
 473
 474                 kstat_runq_exit(spa->spa_iokstat->ks_data);
 475                 if (zio->io_type == ZIO_TYPE_READ) {
 476                         ksio->reads++;
 477                         ksio->nread += zio->io_size;
 478                 } else if (zio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE) {
 479                         ksio->writes++;
 480                         ksio->nwritten += zio->io_size;
 481                 }
 482         }
 483         mutex_exit(&spa->spa_iokstat_lock);
 484 #endif
 485 }
 486
 487 static void
 488 vdev_queue_agg_io_done(zio_t *aio)
 489 {
 490         if (aio->io_type == ZIO_TYPE_READ) {
 491                 zio_t *pio;
 492                 while ((pio = zio_walk_parents(aio)) != NULL) {
 493                         bcopy((char *)aio->io_data + (pio->io_offset -
 494                             aio->io_offset), pio->io_data, pio->io_size);
 495                 }
 496         }
 497
 498         zio_buf_free(aio->io_data, aio->io_size);
 499 }
 500
 501 static int
 502 vdev_queue_class_min_active(zio_priority_t p)
 503 {
 504         switch (p) {
 505         case ZIO_PRIORITY_SYNC_READ:
 506                 return (zfs_vdev_sync_read_min_active);
 507         case ZIO_PRIORITY_SYNC_WRITE:
 508                 return (zfs_vdev_sync_write_min_active);
 509         case ZIO_PRIORITY_ASYNC_READ:
 510                 return (zfs_vdev_async_read_min_active);
 511         case ZIO_PRIORITY_ASYNC_WRITE:
 512                 return (zfs_vdev_async_write_min_active);
 513         case ZIO_PRIORITY_SCRUB:
 514                 return (zfs_vdev_scrub_min_active);
 515         case ZIO_PRIORITY_TRIM:
 516                 return (zfs_vdev_trim_min_active);
 517         default:
 518                 panic("invalid priority %u", p);
 519                 return (0);
 520         }
 521 }
 522
 523 static __noinline int
 524 vdev_queue_max_async_writes(spa_t *spa)
 525 {
 526         int writes;
 527         uint64_t dirty = spa->spa_dsl_pool->dp_dirty_total;
 528         uint64_t min_bytes = zfs_dirty_data_max *
 529             zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent / 100;
 530         uint64_t max_bytes = zfs_dirty_data_max *
 531             zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent / 100;
 532
 533         /*
 534          * Sync tasks correspond to interactive user actions. To reduce the
 535          * execution time of those actions we push data out as fast as possible.
 536          */
 537         if (spa_has_pending_synctask(spa)) {
 538                 return (zfs_vdev_async_write_max_active);
 539         }
 540
 541         if (dirty < min_bytes)
 542                 return (zfs_vdev_async_write_min_active);
 543         if (dirty > max_bytes)
 544                 return (zfs_vdev_async_write_max_active);
 545
 546         /*
 547          * linear interpolation:
 548          * slope = (max_writes - min_writes) / (max_bytes - min_bytes)
 549          * move right by min_bytes
 550          * move up by min_writes
 551          */
 552         writes = (dirty - min_bytes) *
 553             (zfs_vdev_async_write_max_active -
 554             zfs_vdev_async_write_min_active) /
 555             (max_bytes - min_bytes) +
 556             zfs_vdev_async_write_min_active;
 557         ASSERT3U(writes, >=, zfs_vdev_async_write_min_active);
 558         ASSERT3U(writes, <=, zfs_vdev_async_write_max_active);
 559         return (writes);
 560 }
 561
 562 static int
 563 vdev_queue_class_max_active(spa_t *spa, zio_priority_t p)
 564 {
 565         switch (p) {
 566         case ZIO_PRIORITY_SYNC_READ:
 567                 return (zfs_vdev_sync_read_max_active);
 568         case ZIO_PRIORITY_SYNC_WRITE:
 569                 return (zfs_vdev_sync_write_max_active);
 570         case ZIO_PRIORITY_ASYNC_READ:
 571                 return (zfs_vdev_async_read_max_active);
 572         case ZIO_PRIORITY_ASYNC_WRITE:
 573                 return (vdev_queue_max_async_writes(spa));
 574         case ZIO_PRIORITY_SCRUB:
 575                 return (zfs_vdev_scrub_max_active);
 576         case ZIO_PRIORITY_TRIM:
 577                 return (zfs_vdev_trim_max_active);
 578         default:
 579                 panic("invalid priority %u", p);
 580                 return (0);
 581         }
 582 }
 583
 584 /*
 585  * Return the i/o class to issue from, or ZIO_PRIORITY_MAX_QUEUEABLE if
 586  * there is no eligible class.
 587  */
 588 static zio_priority_t
 589 vdev_queue_class_to_issue(vdev_queue_t *vq)
 590 {
 591         spa_t *spa = vq->vq_vdev->vdev_spa;
 592         zio_priority_t p;
 593
 594         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 595
 596         if (avl_numnodes(&vq->vq_active_tree) >= zfs_vdev_max_active)
 597                 return (ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 598
 599         /* find a queue that has not reached its minimum # outstanding i/os */
 600         for (p = 0; p < ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE; p++) {
 601                 if (avl_numnodes(vdev_queue_class_tree(vq, p)) > 0 &&
 602                     vq->vq_class[p].vqc_active <
 603                     vdev_queue_class_min_active(p))
 604                         return (p);
 605         }
 606
 607         /*
 608          * If we haven't found a queue, look for one that hasn't reached its
 609          * maximum # outstanding i/os.
 610          */
 611         for (p = 0; p < ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE; p++) {
 612                 if (avl_numnodes(vdev_queue_class_tree(vq, p)) > 0 &&
 613                     vq->vq_class[p].vqc_active <
 614                     vdev_queue_class_max_active(spa, p))
 615                         return (p);
 616         }
 617
 618         /* No eligible queued i/os */
 619         return (ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 620 }
 621
 622 /*
 623  * Compute the range spanned by two i/os, which is the endpoint of the last
 624  * (lio->io_offset + lio->io_size) minus start of the first (fio->io_offset).
 625  * Conveniently, the gap between fio and lio is given by -IO_SPAN(lio, fio);
 626  * thus fio and lio are adjacent if and only if IO_SPAN(lio, fio) == 0.
 627  */
 628 #define IO_SPAN(fio, lio) ((lio)->io_offset + (lio)->io_size - (fio)->io_offset)
 629 #define IO_GAP(fio, lio) (-IO_SPAN(lio, fio))
 630
 631 static zio_t *
 632 vdev_queue_aggregate(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 633 {
 634         zio_t *first, *last, *aio, *dio, *mandatory, *nio;
 635         uint64_t maxgap = 0;
 636         uint64_t size;
 637         boolean_t stretch;
 638         avl_tree_t *t;
 639         enum zio_flag flags;
 640
 641         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 642
 643         if (zio->io_flags & ZIO_FLAG_DONT_AGGREGATE)
 644                 return (NULL);
 645
 646         first = last = zio;
 647
 648         if (zio->io_type == ZIO_TYPE_READ)
 649                 maxgap = zfs_vdev_read_gap_limit;
 650
 651         /*
 652          * We can aggregate I/Os that are sufficiently adjacent and of
 653          * the same flavor, as expressed by the AGG_INHERIT flags.
 654          * The latter requirement is necessary so that certain
 655          * attributes of the I/O, such as whether it's a normal I/O
 656          * or a scrub/resilver, can be preserved in the aggregate.
 657          * We can include optional I/Os, but don't allow them
 658          * to begin a range as they add no benefit in that situation.
 659          */
 660
 661         /*
 662          * We keep track of the last non-optional I/O.
 663          */
 664         mandatory = (first->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL) ? NULL : first;
 665
 666         /*
 667          * Walk backwards through sufficiently contiguous I/Os
 668          * recording the last non-option I/O.
 669          */
 670         flags = zio->io_flags & ZIO_FLAG_AGG_INHERIT;
 671         t = vdev_queue_type_tree(vq, zio->io_type);
 672         while (t != NULL && (dio = AVL_PREV(t, first)) != NULL &&
 673             (dio->io_flags & ZIO_FLAG_AGG_INHERIT) == flags &&
 674             IO_SPAN(dio, last) <= zfs_vdev_aggregation_limit &&
 675             IO_GAP(dio, first) <= maxgap) {
 676                 first = dio;
 677                 if (mandatory == NULL && !(first->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL))
 678                         mandatory = first;
 679         }
 680
 681         /*
 682          * Skip any initial optional I/Os.
 683          */
 684         while ((first->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL) && first != last) {
 685                 first = AVL_NEXT(t, first);
 686                 ASSERT(first != NULL);
 687         }
 688
 689         /*
 690          * Walk forward through sufficiently contiguous I/Os.
 691          */
 692         while ((dio = AVL_NEXT(t, last)) != NULL &&
 693             (dio->io_flags & ZIO_FLAG_AGG_INHERIT) == flags &&
 694             IO_SPAN(first, dio) <= zfs_vdev_aggregation_limit &&
 695             IO_GAP(last, dio) <= maxgap) {
 696                 last = dio;
 697                 if (!(last->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL))
 698                         mandatory = last;
 699         }
 700
 701         /*
 702          * Now that we've established the range of the I/O aggregation
 703          * we must decide what to do with trailing optional I/Os.
 704          * For reads, there's nothing to do. While we are unable to
 705          * aggregate further, it's possible that a trailing optional
 706          * I/O would allow the underlying device to aggregate with
 707          * subsequent I/Os. We must therefore determine if the next
 708          * non-optional I/O is close enough to make aggregation
 709          * worthwhile.
 710          */
 711         stretch = B_FALSE;
 712         if (zio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE && mandatory != NULL) {
 713                 zio_t *nio = last;
 714                 while ((dio = AVL_NEXT(t, nio)) != NULL &&
 715                     IO_GAP(nio, dio) == 0 &&
 716                     IO_GAP(mandatory, dio) <= zfs_vdev_write_gap_limit) {
 717                         nio = dio;
 718                         if (!(nio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL)) {
 719                                 stretch = B_TRUE;
 720                                 break;
 721                         }
 722                 }
 723         }
 724
 725         if (stretch) {
 726                 /* This may be a no-op. */
 727                 dio = AVL_NEXT(t, last);
 728                 dio->io_flags &= ~ZIO_FLAG_OPTIONAL;
 729         } else {
 730                 while (last != mandatory && last != first) {
 731                         ASSERT(last->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL);
 732                         last = AVL_PREV(t, last);
 733                         ASSERT(last != NULL);
 734                 }
 735         }
 736
 737         if (first == last)
 738                 return (NULL);
 739
 740         size = IO_SPAN(first, last);
 741         ASSERT3U(size, <=, zfs_vdev_aggregation_limit);
 742
 743         aio = zio_vdev_delegated_io(first->io_vd, first->io_offset,
 744             zio_buf_alloc(size), size, first->io_type, zio->io_priority,
 745             flags | ZIO_FLAG_DONT_CACHE | ZIO_FLAG_DONT_QUEUE,
 746             vdev_queue_agg_io_done, NULL);
 747         aio->io_timestamp = first->io_timestamp;
 748
 749         nio = first;
 750         do {
 751                 dio = nio;
 752                 nio = AVL_NEXT(t, dio);
 753                 ASSERT3U(dio->io_type, ==, aio->io_type);
 754
 755                 if (dio->io_flags & ZIO_FLAG_NODATA) {
 756                         ASSERT3U(dio->io_type, ==, ZIO_TYPE_WRITE);
 757                         bzero((char *)aio->io_data + (dio->io_offset -
 758                             aio->io_offset), dio->io_size);
 759                 } else if (dio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE) {
 760                         bcopy(dio->io_data, (char *)aio->io_data +
 761                             (dio->io_offset - aio->io_offset),
 762                             dio->io_size);
 763                 }
 764
 765                 zio_add_child(dio, aio);
 766                 vdev_queue_io_remove(vq, dio);
 767                 zio_vdev_io_bypass(dio);
 768                 zio_execute(dio);
 769         } while (dio != last);
 770
 771         return (aio);
 772 }
 773
 774 static zio_t *
 775 vdev_queue_io_to_issue(vdev_queue_t *vq)
 776 {
 777         zio_t *zio, *aio;
 778         zio_priority_t p;
 779         avl_index_t idx;
 780         avl_tree_t *tree;
 781         zio_t search;
 782
 783 again:
 784         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 785
 786         p = vdev_queue_class_to_issue(vq);
 787
 788         if (p == ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE) {
 789                 /* No eligible queued i/os */
 790                 return (NULL);
 791         }
 792
 793         /*
 794          * For LBA-ordered queues (async / scrub), issue the i/o which follows
 795          * the most recently issued i/o in LBA (offset) order.
 796          *
 797          * For FIFO queues (sync), issue the i/o with the lowest timestamp.
 798          */
 799         tree = vdev_queue_class_tree(vq, p);
 800         search.io_timestamp = 0;
 801         search.io_offset = vq->vq_last_offset + 1;
 802         VERIFY3P(avl_find(tree, &search, &idx), ==, NULL);
 803         zio = avl_nearest(tree, idx, AVL_AFTER);
 804         if (zio == NULL)
 805                 zio = avl_first(tree);
 806         ASSERT3U(zio->io_priority, ==, p);
 807
 808         aio = vdev_queue_aggregate(vq, zio);
 809         if (aio != NULL)
 810                 zio = aio;
 811         else
 812                 vdev_queue_io_remove(vq, zio);
 813
 814         /*
 815          * If the I/O is or was optional and therefore has no data, we need to
 816          * simply discard it. We need to drop the vdev queue's lock to avoid a
 817          * deadlock that we could encounter since this I/O will complete
 818          * immediately.
 819          */
 820         if (zio->io_flags & ZIO_FLAG_NODATA) {
 821                 mutex_exit(&vq->vq_lock);
 822                 zio_vdev_io_bypass(zio);
 823                 zio_execute(zio);
 824                 mutex_enter(&vq->vq_lock);
 825                 goto again;
 826         }
 827
 828         vdev_queue_pending_add(vq, zio);
 829         vq->vq_last_offset = zio->io_offset;
 830
 831         return (zio);
 832 }
 833
 834 zio_t *
 835 vdev_queue_io(zio_t *zio)
 836 {
 837         vdev_queue_t *vq = &zio->io_vd->vdev_queue;
 838         zio_t *nio;
 839
 840         if (zio->io_flags & ZIO_FLAG_DONT_QUEUE)
 841                 return (zio);
 842
 843         /*
 844          * Children i/os inherent their parent's priority, which might
 845          * not match the child's i/o type.  Fix it up here.
 846          */
 847         if (zio->io_type == ZIO_TYPE_READ) {
 848                 if (zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_SYNC_READ &&
 849                     zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_ASYNC_READ &&
 850                     zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_SCRUB)
 851                         zio->io_priority = ZIO_PRIORITY_ASYNC_READ;
 852         } else if (zio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE) {
 853                 if (zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_SYNC_WRITE &&
 854                     zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_ASYNC_WRITE)
 855                         zio->io_priority = ZIO_PRIORITY_ASYNC_WRITE;
 856         } else {
 857                 ASSERT(zio->io_type == ZIO_TYPE_FREE);
 858                 zio->io_priority = ZIO_PRIORITY_TRIM;
 859         }
 860
 861         zio->io_flags |= ZIO_FLAG_DONT_CACHE | ZIO_FLAG_DONT_QUEUE;
 862
 863         mutex_enter(&vq->vq_lock);
 864         zio->io_timestamp = gethrtime();
 865         vdev_queue_io_add(vq, zio);
 866         nio = vdev_queue_io_to_issue(vq);
 867         mutex_exit(&vq->vq_lock);
 868
 869         if (nio == NULL)
 870                 return (NULL);
 871
 872         if (nio->io_done == vdev_queue_agg_io_done) {
 873                 zio_nowait(nio);
 874                 return (NULL);
 875         }
 876
 877         return (nio);
 878 }
 879
 880 void
 881 vdev_queue_io_done(zio_t *zio)
 882 {
 883         vdev_queue_t *vq = &zio->io_vd->vdev_queue;
 884         zio_t *nio;
 885
 886         if (zio_injection_enabled)
 887                 delay(SEC_TO_TICK(zio_handle_io_delay(zio)));
 888
 889         mutex_enter(&vq->vq_lock);
 890
 891         vdev_queue_pending_remove(vq, zio);
 892
 893         vq->vq_io_complete_ts = gethrtime();
 894
 895         while ((nio = vdev_queue_io_to_issue(vq)) != NULL) {
 896                 mutex_exit(&vq->vq_lock);
 897                 if (nio->io_done == vdev_queue_agg_io_done) {
 898                         zio_nowait(nio);
 899                 } else {
 900                         zio_vdev_io_reissue(nio);
 901                         zio_execute(nio);
 902                 }
 903                 mutex_enter(&vq->vq_lock);
 904         }
 905
 906         mutex_exit(&vq->vq_lock);
 907 }
 908
 909 /*
 910  * As these three methods are only used for load calculations we're not concerned
 911  * if we get an incorrect value on 32bit platforms due to lack of vq_lock mutex
 912  * use here, instead we prefer to keep it lock free for performance.
 913  */
 914 int
 915 vdev_queue_length(vdev_t *vd)
 916 {
 917         return (avl_numnodes(&vd->vdev_queue.vq_active_tree));
 918 }
 919
 920 uint64_t
 921 vdev_queue_lastoffset(vdev_t *vd)
 922 {
 923         return (vd->vdev_queue.vq_lastoffset);
 924 }
 925
 926 void
 927 vdev_queue_register_lastoffset(vdev_t *vd, zio_t *zio)
 928 {
 929         vd->vdev_queue.vq_lastoffset = zio->io_offset + zio->io_size;
 930 }