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 #include <sys/zfs_context.h>
  27 #include <sys/vdev_impl.h>
  28 #include <sys/zio.h>
  29 #include <sys/avl.h>
  30
  31 /*
  32  * These tunables are for performance analysis.
  33  */
  34 /*
  35  * zfs_vdev_max_pending is the maximum number of i/os concurrently
  36  * pending to each device.  zfs_vdev_min_pending is the initial number
  37  * of i/os pending to each device (before it starts ramping up to
  38  * max_pending).
  39  */
  40 int zfs_vdev_max_pending = 10;
  41 int zfs_vdev_min_pending = 4;
  42
  43 /* deadline = pri + ddi_get_lbolt64() >> time_shift) */
  44 int zfs_vdev_time_shift = 6;
  45
  46 /* exponential I/O issue ramp-up rate */
  47 int zfs_vdev_ramp_rate = 2;
  48
  49 /*
  50  * To reduce IOPs, we aggregate small adjacent I/Os into one large I/O.
  51  * For read I/Os, we also aggregate across small adjacency gaps; for writes
  52  * we include spans of optional I/Os to aid aggregation at the disk even when
  53  * they aren't able to help us aggregate at this level.
  54  */
  55 int zfs_vdev_aggregation_limit = SPA_MAXBLOCKSIZE;
  56 int zfs_vdev_read_gap_limit = 32 << 10;
  57 int zfs_vdev_write_gap_limit = 4 << 10;
  58
  59 SYSCTL_DECL(_vfs_zfs_vdev);
  60 TUNABLE_INT("vfs.zfs.vdev.max_pending", &zfs_vdev_max_pending);
  61 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, max_pending, CTLFLAG_RW,
  62     &zfs_vdev_max_pending, 0, "Maximum I/O requests pending on each device");
  63 TUNABLE_INT("vfs.zfs.vdev.min_pending", &zfs_vdev_min_pending);
  64 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, min_pending, CTLFLAG_RW,
  65     &zfs_vdev_min_pending, 0,
  66     "Initial number of I/O requests pending to each device");
  67 TUNABLE_INT("vfs.zfs.vdev.time_shift", &zfs_vdev_time_shift);
  68 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, time_shift, CTLFLAG_RW,
  69     &zfs_vdev_time_shift, 0, "Used for calculating I/O request deadline");
  70 TUNABLE_INT("vfs.zfs.vdev.ramp_rate", &zfs_vdev_ramp_rate);
  71 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, ramp_rate, CTLFLAG_RW,
  72     &zfs_vdev_ramp_rate, 0, "Exponential I/O issue ramp-up rate");
  73 TUNABLE_INT("vfs.zfs.vdev.aggregation_limit", &zfs_vdev_aggregation_limit);
  74 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, aggregation_limit, CTLFLAG_RW,
  75     &zfs_vdev_aggregation_limit, 0,
  76     "I/O requests are aggregated up to this size");
  77 TUNABLE_INT("vfs.zfs.vdev.read_gap_limit", &zfs_vdev_read_gap_limit);
  78 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, read_gap_limit, CTLFLAG_RW,
  79     &zfs_vdev_read_gap_limit, 0,
  80     "Acceptable gap between two reads being aggregated");
  81 TUNABLE_INT("vfs.zfs.vdev.write_gap_limit", &zfs_vdev_write_gap_limit);
  82 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, write_gap_limit, CTLFLAG_RW,
  83     &zfs_vdev_write_gap_limit, 0,
  84     "Acceptable gap between two writes being aggregated");
  85
  86 /*
  87  * Virtual device vector for disk I/O scheduling.
  88  */
  89 int
  90 vdev_queue_deadline_compare(const void *x1, const void *x2)
  91 {
  92         const zio_t *z1 = x1;
  93         const zio_t *z2 = x2;
  94
  95         if (z1->io_deadline < z2->io_deadline)
  96                 return (-1);
  97         if (z1->io_deadline > z2->io_deadline)
  98                 return (1);
  99
 100         if (z1->io_offset < z2->io_offset)
 101                 return (-1);
 102         if (z1->io_offset > z2->io_offset)
 103                 return (1);
 104
 105         if (z1 < z2)
 106                 return (-1);
 107         if (z1 > z2)
 108                 return (1);
 109
 110         return (0);
 111 }
 112
 113 int
 114 vdev_queue_offset_compare(const void *x1, const void *x2)
 115 {
 116         const zio_t *z1 = x1;
 117         const zio_t *z2 = x2;
 118
 119         if (z1->io_offset < z2->io_offset)
 120                 return (-1);
 121         if (z1->io_offset > z2->io_offset)
 122                 return (1);
 123
 124         if (z1 < z2)
 125                 return (-1);
 126         if (z1 > z2)
 127                 return (1);
 128
 129         return (0);
 130 }
 131
 132 void
 133 vdev_queue_init(vdev_t *vd)
 134 {
 135         vdev_queue_t *vq = &vd->vdev_queue;
 136
 137         mutex_init(&vq->vq_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
 138
 139         avl_create(&vq->vq_deadline_tree, vdev_queue_deadline_compare,
 140             sizeof (zio_t), offsetof(struct zio, io_deadline_node));
 141
 142         avl_create(&vq->vq_read_tree, vdev_queue_offset_compare,
 143             sizeof (zio_t), offsetof(struct zio, io_offset_node));
 144
 145         avl_create(&vq->vq_write_tree, vdev_queue_offset_compare,
 146             sizeof (zio_t), offsetof(struct zio, io_offset_node));
 147
 148         avl_create(&vq->vq_pending_tree, vdev_queue_offset_compare,
 149             sizeof (zio_t), offsetof(struct zio, io_offset_node));
 150 }
 151
 152 void
 153 vdev_queue_fini(vdev_t *vd)
 154 {
 155         vdev_queue_t *vq = &vd->vdev_queue;
 156
 157         avl_destroy(&vq->vq_deadline_tree);
 158         avl_destroy(&vq->vq_read_tree);
 159         avl_destroy(&vq->vq_write_tree);
 160         avl_destroy(&vq->vq_pending_tree);
 161
 162         mutex_destroy(&vq->vq_lock);
 163 }
 164
 165 static void
 166 vdev_queue_io_add(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 167 {
 168         avl_add(&vq->vq_deadline_tree, zio);
 169         avl_add(zio->io_vdev_tree, zio);
 170 }
 171
 172 static void
 173 vdev_queue_io_remove(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 174 {
 175         avl_remove(&vq->vq_deadline_tree, zio);
 176         avl_remove(zio->io_vdev_tree, zio);
 177 }
 178
 179 static void
 180 vdev_queue_agg_io_done(zio_t *aio)
 181 {
 182         zio_t *pio;
 183
 184         while ((pio = zio_walk_parents(aio)) != NULL)
 185                 if (aio->io_type == ZIO_TYPE_READ)
 186                         bcopy((char *)aio->io_data + (pio->io_offset -
 187                             aio->io_offset), pio->io_data, pio->io_size);
 188
 189         zio_buf_free(aio->io_data, aio->io_size);
 190 }
 191
 192 /*
 193  * Compute the range spanned by two i/os, which is the endpoint of the last
 194  * (lio->io_offset + lio->io_size) minus start of the first (fio->io_offset).
 195  * Conveniently, the gap between fio and lio is given by -IO_SPAN(lio, fio);
 196  * thus fio and lio are adjacent if and only if IO_SPAN(lio, fio) == 0.
 197  */
 198 #define IO_SPAN(fio, lio) ((lio)->io_offset + (lio)->io_size - (fio)->io_offset)
 199 #define IO_GAP(fio, lio) (-IO_SPAN(lio, fio))
 200
 201 static zio_t *
 202 vdev_queue_io_to_issue(vdev_queue_t *vq, uint64_t pending_limit)
 203 {
 204         zio_t *fio, *lio, *aio, *dio, *nio, *mio;
 205         avl_tree_t *t;
 206         int flags;
 207         uint64_t maxspan = zfs_vdev_aggregation_limit;
 208         uint64_t maxgap;
 209         int stretch;
 210
 211 again:
 212         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 213
 214         if (avl_numnodes(&vq->vq_pending_tree) >= pending_limit ||
 215             avl_numnodes(&vq->vq_deadline_tree) == 0)
 216                 return (NULL);
 217
 218         fio = lio = avl_first(&vq->vq_deadline_tree);
 219
 220         t = fio->io_vdev_tree;
 221         flags = fio->io_flags & ZIO_FLAG_AGG_INHERIT;
 222         maxgap = (t == &vq->vq_read_tree) ? zfs_vdev_read_gap_limit : 0;
 223
 224         if (!(flags & ZIO_FLAG_DONT_AGGREGATE)) {
 225                 /*
 226                  * We can aggregate I/Os that are sufficiently adjacent and of
 227                  * the same flavor, as expressed by the AGG_INHERIT flags.
 228                  * The latter requirement is necessary so that certain
 229                  * attributes of the I/O, such as whether it's a normal I/O
 230                  * or a scrub/resilver, can be preserved in the aggregate.
 231                  * We can include optional I/Os, but don't allow them
 232                  * to begin a range as they add no benefit in that situation.
 233                  */
 234
 235                 /*
 236                  * We keep track of the last non-optional I/O.
 237                  */
 238                 mio = (fio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL) ? NULL : fio;
 239
 240                 /*
 241                  * Walk backwards through sufficiently contiguous I/Os
 242                  * recording the last non-option I/O.
 243                  */
 244                 while ((dio = AVL_PREV(t, fio)) != NULL &&
 245                     (dio->io_flags & ZIO_FLAG_AGG_INHERIT) == flags &&
 246                     IO_SPAN(dio, lio) <= maxspan &&
 247                     IO_GAP(dio, fio) <= maxgap) {
 248                         fio = dio;
 249                         if (mio == NULL && !(fio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL))
 250                                 mio = fio;
 251                 }
 252
 253                 /*
 254                  * Skip any initial optional I/Os.
 255                  */
 256                 while ((fio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL) && fio != lio) {
 257                         fio = AVL_NEXT(t, fio);
 258                         ASSERT(fio != NULL);
 259                 }
 260
 261                 /*
 262                  * Walk forward through sufficiently contiguous I/Os.
 263                  */
 264                 while ((dio = AVL_NEXT(t, lio)) != NULL &&
 265                     (dio->io_flags & ZIO_FLAG_AGG_INHERIT) == flags &&
 266                     IO_SPAN(fio, dio) <= maxspan &&
 267                     IO_GAP(lio, dio) <= maxgap) {
 268                         lio = dio;
 269                         if (!(lio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL))
 270                                 mio = lio;
 271                 }
 272
 273                 /*
 274                  * Now that we've established the range of the I/O aggregation
 275                  * we must decide what to do with trailing optional I/Os.
 276                  * For reads, there's nothing to do. While we are unable to
 277                  * aggregate further, it's possible that a trailing optional
 278                  * I/O would allow the underlying device to aggregate with
 279                  * subsequent I/Os. We must therefore determine if the next
 280                  * non-optional I/O is close enough to make aggregation
 281                  * worthwhile.
 282                  */
 283                 stretch = B_FALSE;
 284                 if (t != &vq->vq_read_tree && mio != NULL) {
 285                         nio = lio;
 286                         while ((dio = AVL_NEXT(t, nio)) != NULL &&
 287                             IO_GAP(nio, dio) == 0 &&
 288                             IO_GAP(mio, dio) <= zfs_vdev_write_gap_limit) {
 289                                 nio = dio;
 290                                 if (!(nio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL)) {
 291                                         stretch = B_TRUE;
 292                                         break;
 293                                 }
 294                         }
 295                 }
 296
 297                 if (stretch) {
 298                         /* This may be a no-op. */
 299                         VERIFY((dio = AVL_NEXT(t, lio)) != NULL);
 300                         dio->io_flags &= ~ZIO_FLAG_OPTIONAL;
 301                 } else {
 302                         while (lio != mio && lio != fio) {
 303                                 ASSERT(lio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL);
 304                                 lio = AVL_PREV(t, lio);
 305                                 ASSERT(lio != NULL);
 306                         }
 307                 }
 308         }
 309
 310         if (fio != lio) {
 311                 uint64_t size = IO_SPAN(fio, lio);
 312                 ASSERT(size <= zfs_vdev_aggregation_limit);
 313
 314                 aio = zio_vdev_delegated_io(fio->io_vd, fio->io_offset,
 315                     zio_buf_alloc(size), size, fio->io_type, ZIO_PRIORITY_AGG,
 316                     flags | ZIO_FLAG_DONT_CACHE | ZIO_FLAG_DONT_QUEUE,
 317                     vdev_queue_agg_io_done, NULL);
 318
 319                 nio = fio;
 320                 do {
 321                         dio = nio;
 322                         nio = AVL_NEXT(t, dio);
 323                         ASSERT(dio->io_type == aio->io_type);
 324                         ASSERT(dio->io_vdev_tree == t);
 325
 326                         if (dio->io_flags & ZIO_FLAG_NODATA) {
 327                                 ASSERT(dio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE);
 328                                 bzero((char *)aio->io_data + (dio->io_offset -
 329                                     aio->io_offset), dio->io_size);
 330                         } else if (dio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE) {
 331                                 bcopy(dio->io_data, (char *)aio->io_data +
 332                                     (dio->io_offset - aio->io_offset),
 333                                     dio->io_size);
 334                         }
 335
 336                         zio_add_child(dio, aio);
 337                         vdev_queue_io_remove(vq, dio);
 338                         zio_vdev_io_bypass(dio);
 339                         zio_execute(dio);
 340                 } while (dio != lio);
 341
 342                 avl_add(&vq->vq_pending_tree, aio);
 343
 344                 return (aio);
 345         }
 346
 347         ASSERT(fio->io_vdev_tree == t);
 348         vdev_queue_io_remove(vq, fio);
 349
 350         /*
 351          * If the I/O is or was optional and therefore has no data, we need to
 352          * simply discard it. We need to drop the vdev queue's lock to avoid a
 353          * deadlock that we could encounter since this I/O will complete
 354          * immediately.
 355          */
 356         if (fio->io_flags & ZIO_FLAG_NODATA) {
 357                 mutex_exit(&vq->vq_lock);
 358                 zio_vdev_io_bypass(fio);
 359                 zio_execute(fio);
 360                 mutex_enter(&vq->vq_lock);
 361                 goto again;
 362         }
 363
 364         avl_add(&vq->vq_pending_tree, fio);
 365
 366         return (fio);
 367 }
 368
 369 zio_t *
 370 vdev_queue_io(zio_t *zio)
 371 {
 372         vdev_queue_t *vq = &zio->io_vd->vdev_queue;
 373         zio_t *nio;
 374
 375         ASSERT(zio->io_type == ZIO_TYPE_READ || zio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE);
 376
 377         if (zio->io_flags & ZIO_FLAG_DONT_QUEUE)
 378                 return (zio);
 379
 380         zio->io_flags |= ZIO_FLAG_DONT_CACHE | ZIO_FLAG_DONT_QUEUE;
 381
 382         if (zio->io_type == ZIO_TYPE_READ)
 383                 zio->io_vdev_tree = &vq->vq_read_tree;
 384         else
 385                 zio->io_vdev_tree = &vq->vq_write_tree;
 386
 387         mutex_enter(&vq->vq_lock);
 388
 389         zio->io_deadline = (ddi_get_lbolt64() >> zfs_vdev_time_shift) +
 390             zio->io_priority;
 391
 392         vdev_queue_io_add(vq, zio);
 393
 394         nio = vdev_queue_io_to_issue(vq, zfs_vdev_min_pending);
 395
 396         mutex_exit(&vq->vq_lock);
 397
 398         if (nio == NULL)
 399                 return (NULL);
 400
 401         if (nio->io_done == vdev_queue_agg_io_done) {
 402                 zio_nowait(nio);
 403                 return (NULL);
 404         }
 405
 406         return (nio);
 407 }
 408
 409 void
 410 vdev_queue_io_done(zio_t *zio)
 411 {
 412         vdev_queue_t *vq = &zio->io_vd->vdev_queue;
 413
 414         mutex_enter(&vq->vq_lock);
 415
 416         avl_remove(&vq->vq_pending_tree, zio);
 417
 418         for (int i = 0; i < zfs_vdev_ramp_rate; i++) {
 419                 zio_t *nio = vdev_queue_io_to_issue(vq, zfs_vdev_max_pending);
 420                 if (nio == NULL)
 421                         break;
 422                 mutex_exit(&vq->vq_lock);
 423                 if (nio->io_done == vdev_queue_agg_io_done) {
 424                         zio_nowait(nio);
 425                 } else {
 426                         zio_vdev_io_reissue(nio);
 427                         zio_execute(nio);
 428                 }
 429                 mutex_enter(&vq->vq_lock);
 430         }
 431
 432         mutex_exit(&vq->vq_lock);
 433 }