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 by Delphix. All rights reserved.
  28  */
  29
  30 #include <sys/zfs_context.h>
  31 #include <sys/vdev_impl.h>
  32 #include <sys/zio.h>
  33 #include <sys/avl.h>
  34
  35 /*
  36  * These tunables are for performance analysis.
  37  */
  38
  39 /* The maximum number of I/Os concurrently pending to each device. */
  40 int zfs_vdev_max_pending = 10;
  41
  42 /*
  43  * The initial number of I/Os pending to each device, before it starts ramping
  44  * up to zfs_vdev_max_pending.
  45  */
  46 int zfs_vdev_min_pending = 4;
  47
  48 /*
  49  * The deadlines are grouped into buckets based on zfs_vdev_time_shift:
  50  * deadline = pri + gethrtime() >> time_shift)
  51  */
  52 int zfs_vdev_time_shift = 29; /* each bucket is 0.537 seconds */
  53
  54 /* exponential I/O issue ramp-up rate */
  55 int zfs_vdev_ramp_rate = 2;
  56
  57 /*
  58  * To reduce IOPs, we aggregate small adjacent I/Os into one large I/O.
  59  * For read I/Os, we also aggregate across small adjacency gaps; for writes
  60  * we include spans of optional I/Os to aid aggregation at the disk even when
  61  * they aren't able to help us aggregate at this level.
  62  */
  63 int zfs_vdev_aggregation_limit = SPA_MAXBLOCKSIZE;
  64 int zfs_vdev_read_gap_limit = 32 << 10;
  65 int zfs_vdev_write_gap_limit = 4 << 10;
  66
  67 SYSCTL_DECL(_vfs_zfs_vdev);
  68 TUNABLE_INT("vfs.zfs.vdev.max_pending", &zfs_vdev_max_pending);
  69 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, max_pending, CTLFLAG_RW,
  70     &zfs_vdev_max_pending, 0, "Maximum I/O requests pending on each device");
  71 TUNABLE_INT("vfs.zfs.vdev.min_pending", &zfs_vdev_min_pending);
  72 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, min_pending, CTLFLAG_RW,
  73     &zfs_vdev_min_pending, 0,
  74     "Initial number of I/O requests pending to each device");
  75 TUNABLE_INT("vfs.zfs.vdev.time_shift", &zfs_vdev_time_shift);
  76 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, time_shift, CTLFLAG_RW,
  77     &zfs_vdev_time_shift, 0, "Used for calculating I/O request deadline");
  78 TUNABLE_INT("vfs.zfs.vdev.ramp_rate", &zfs_vdev_ramp_rate);
  79 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, ramp_rate, CTLFLAG_RW,
  80     &zfs_vdev_ramp_rate, 0, "Exponential I/O issue ramp-up rate");
  81 TUNABLE_INT("vfs.zfs.vdev.aggregation_limit", &zfs_vdev_aggregation_limit);
  82 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, aggregation_limit, CTLFLAG_RW,
  83     &zfs_vdev_aggregation_limit, 0,
  84     "I/O requests are aggregated up to this size");
  85 TUNABLE_INT("vfs.zfs.vdev.read_gap_limit", &zfs_vdev_read_gap_limit);
  86 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, read_gap_limit, CTLFLAG_RW,
  87     &zfs_vdev_read_gap_limit, 0,
  88     "Acceptable gap between two reads being aggregated");
  89 TUNABLE_INT("vfs.zfs.vdev.write_gap_limit", &zfs_vdev_write_gap_limit);
  90 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, write_gap_limit, CTLFLAG_RW,
  91     &zfs_vdev_write_gap_limit, 0,
  92     "Acceptable gap between two writes being aggregated");
  93
  94 /*
  95  * Virtual device vector for disk I/O scheduling.
  96  */
  97 int
  98 vdev_queue_deadline_compare(const void *x1, const void *x2)
  99 {
 100         const zio_t *z1 = x1;
 101         const zio_t *z2 = x2;
 102
 103         if (z1->io_deadline < z2->io_deadline)
 104                 return (-1);
 105         if (z1->io_deadline > z2->io_deadline)
 106                 return (1);
 107
 108         if (z1->io_offset < z2->io_offset)
 109                 return (-1);
 110         if (z1->io_offset > z2->io_offset)
 111                 return (1);
 112
 113         if (z1 < z2)
 114                 return (-1);
 115         if (z1 > z2)
 116                 return (1);
 117
 118         return (0);
 119 }
 120
 121 int
 122 vdev_queue_offset_compare(const void *x1, const void *x2)
 123 {
 124         const zio_t *z1 = x1;
 125         const zio_t *z2 = x2;
 126
 127         if (z1->io_offset < z2->io_offset)
 128                 return (-1);
 129         if (z1->io_offset > z2->io_offset)
 130                 return (1);
 131
 132         if (z1 < z2)
 133                 return (-1);
 134         if (z1 > z2)
 135                 return (1);
 136
 137         return (0);
 138 }
 139
 140 void
 141 vdev_queue_init(vdev_t *vd)
 142 {
 143         vdev_queue_t *vq = &vd->vdev_queue;
 144
 145         mutex_init(&vq->vq_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
 146
 147         avl_create(&vq->vq_deadline_tree, vdev_queue_deadline_compare,
 148             sizeof (zio_t), offsetof(struct zio, io_deadline_node));
 149
 150         avl_create(&vq->vq_read_tree, vdev_queue_offset_compare,
 151             sizeof (zio_t), offsetof(struct zio, io_offset_node));
 152
 153         avl_create(&vq->vq_write_tree, vdev_queue_offset_compare,
 154             sizeof (zio_t), offsetof(struct zio, io_offset_node));
 155
 156         avl_create(&vq->vq_pending_tree, vdev_queue_offset_compare,
 157             sizeof (zio_t), offsetof(struct zio, io_offset_node));
 158 }
 159
 160 void
 161 vdev_queue_fini(vdev_t *vd)
 162 {
 163         vdev_queue_t *vq = &vd->vdev_queue;
 164
 165         avl_destroy(&vq->vq_deadline_tree);
 166         avl_destroy(&vq->vq_read_tree);
 167         avl_destroy(&vq->vq_write_tree);
 168         avl_destroy(&vq->vq_pending_tree);
 169
 170         mutex_destroy(&vq->vq_lock);
 171 }
 172
 173 static void
 174 vdev_queue_io_add(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 175 {
 176         avl_add(&vq->vq_deadline_tree, zio);
 177         avl_add(zio->io_vdev_tree, zio);
 178 }
 179
 180 static void
 181 vdev_queue_io_remove(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 182 {
 183         avl_remove(&vq->vq_deadline_tree, zio);
 184         avl_remove(zio->io_vdev_tree, zio);
 185 }
 186
 187 static void
 188 vdev_queue_agg_io_done(zio_t *aio)
 189 {
 190         zio_t *pio;
 191
 192         while ((pio = zio_walk_parents(aio)) != NULL)
 193                 if (aio->io_type == ZIO_TYPE_READ)
 194                         bcopy((char *)aio->io_data + (pio->io_offset -
 195                             aio->io_offset), pio->io_data, pio->io_size);
 196
 197         zio_buf_free(aio->io_data, aio->io_size);
 198 }
 199
 200 /*
 201  * Compute the range spanned by two i/os, which is the endpoint of the last
 202  * (lio->io_offset + lio->io_size) minus start of the first (fio->io_offset).
 203  * Conveniently, the gap between fio and lio is given by -IO_SPAN(lio, fio);
 204  * thus fio and lio are adjacent if and only if IO_SPAN(lio, fio) == 0.
 205  */
 206 #define IO_SPAN(fio, lio) ((lio)->io_offset + (lio)->io_size - (fio)->io_offset)
 207 #define IO_GAP(fio, lio) (-IO_SPAN(lio, fio))
 208
 209 static zio_t *
 210 vdev_queue_io_to_issue(vdev_queue_t *vq, uint64_t pending_limit)
 211 {
 212         zio_t *fio, *lio, *aio, *dio, *nio, *mio;
 213         avl_tree_t *t;
 214         int flags;
 215         uint64_t maxspan = zfs_vdev_aggregation_limit;
 216         uint64_t maxgap;
 217         int stretch;
 218
 219 again:
 220         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 221
 222         if (avl_numnodes(&vq->vq_pending_tree) >= pending_limit ||
 223             avl_numnodes(&vq->vq_deadline_tree) == 0)
 224                 return (NULL);
 225
 226         fio = lio = avl_first(&vq->vq_deadline_tree);
 227
 228         t = fio->io_vdev_tree;
 229         flags = fio->io_flags & ZIO_FLAG_AGG_INHERIT;
 230         maxgap = (t == &vq->vq_read_tree) ? zfs_vdev_read_gap_limit : 0;
 231
 232         if (!(flags & ZIO_FLAG_DONT_AGGREGATE)) {
 233                 /*
 234                  * We can aggregate I/Os that are sufficiently adjacent and of
 235                  * the same flavor, as expressed by the AGG_INHERIT flags.
 236                  * The latter requirement is necessary so that certain
 237                  * attributes of the I/O, such as whether it's a normal I/O
 238                  * or a scrub/resilver, can be preserved in the aggregate.
 239                  * We can include optional I/Os, but don't allow them
 240                  * to begin a range as they add no benefit in that situation.
 241                  */
 242
 243                 /*
 244                  * We keep track of the last non-optional I/O.
 245                  */
 246                 mio = (fio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL) ? NULL : fio;
 247
 248                 /*
 249                  * Walk backwards through sufficiently contiguous I/Os
 250                  * recording the last non-option I/O.
 251                  */
 252                 while ((dio = AVL_PREV(t, fio)) != NULL &&
 253                     (dio->io_flags & ZIO_FLAG_AGG_INHERIT) == flags &&
 254                     IO_SPAN(dio, lio) <= maxspan &&
 255                     IO_GAP(dio, fio) <= maxgap) {
 256                         fio = dio;
 257                         if (mio == NULL && !(fio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL))
 258                                 mio = fio;
 259                 }
 260
 261                 /*
 262                  * Skip any initial optional I/Os.
 263                  */
 264                 while ((fio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL) && fio != lio) {
 265                         fio = AVL_NEXT(t, fio);
 266                         ASSERT(fio != NULL);
 267                 }
 268
 269                 /*
 270                  * Walk forward through sufficiently contiguous I/Os.
 271                  */
 272                 while ((dio = AVL_NEXT(t, lio)) != NULL &&
 273                     (dio->io_flags & ZIO_FLAG_AGG_INHERIT) == flags &&
 274                     IO_SPAN(fio, dio) <= maxspan &&
 275                     IO_GAP(lio, dio) <= maxgap) {
 276                         lio = dio;
 277                         if (!(lio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL))
 278                                 mio = lio;
 279                 }
 280
 281                 /*
 282                  * Now that we've established the range of the I/O aggregation
 283                  * we must decide what to do with trailing optional I/Os.
 284                  * For reads, there's nothing to do. While we are unable to
 285                  * aggregate further, it's possible that a trailing optional
 286                  * I/O would allow the underlying device to aggregate with
 287                  * subsequent I/Os. We must therefore determine if the next
 288                  * non-optional I/O is close enough to make aggregation
 289                  * worthwhile.
 290                  */
 291                 stretch = B_FALSE;
 292                 if (t != &vq->vq_read_tree && mio != NULL) {
 293                         nio = lio;
 294                         while ((dio = AVL_NEXT(t, nio)) != NULL &&
 295                             IO_GAP(nio, dio) == 0 &&
 296                             IO_GAP(mio, dio) <= zfs_vdev_write_gap_limit) {
 297                                 nio = dio;
 298                                 if (!(nio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL)) {
 299                                         stretch = B_TRUE;
 300                                         break;
 301                                 }
 302                         }
 303                 }
 304
 305                 if (stretch) {
 306                         /* This may be a no-op. */
 307                         VERIFY((dio = AVL_NEXT(t, lio)) != NULL);
 308                         dio->io_flags &= ~ZIO_FLAG_OPTIONAL;
 309                 } else {
 310                         while (lio != mio && lio != fio) {
 311                                 ASSERT(lio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL);
 312                                 lio = AVL_PREV(t, lio);
 313                                 ASSERT(lio != NULL);
 314                         }
 315                 }
 316         }
 317
 318         if (fio != lio) {
 319                 uint64_t size = IO_SPAN(fio, lio);
 320                 ASSERT(size <= zfs_vdev_aggregation_limit);
 321
 322                 aio = zio_vdev_delegated_io(fio->io_vd, fio->io_offset,
 323                     zio_buf_alloc(size), size, fio->io_type, ZIO_PRIORITY_AGG,
 324                     flags | ZIO_FLAG_DONT_CACHE | ZIO_FLAG_DONT_QUEUE,
 325                     vdev_queue_agg_io_done, NULL);
 326                 aio->io_timestamp = fio->io_timestamp;
 327
 328                 nio = fio;
 329                 do {
 330                         dio = nio;
 331                         nio = AVL_NEXT(t, dio);
 332                         ASSERT(dio->io_type == aio->io_type);
 333                         ASSERT(dio->io_vdev_tree == t);
 334
 335                         if (dio->io_flags & ZIO_FLAG_NODATA) {
 336                                 ASSERT(dio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE);
 337                                 bzero((char *)aio->io_data + (dio->io_offset -
 338                                     aio->io_offset), dio->io_size);
 339                         } else if (dio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE) {
 340                                 bcopy(dio->io_data, (char *)aio->io_data +
 341                                     (dio->io_offset - aio->io_offset),
 342                                     dio->io_size);
 343                         }
 344
 345                         zio_add_child(dio, aio);
 346                         vdev_queue_io_remove(vq, dio);
 347                         zio_vdev_io_bypass(dio);
 348                         zio_execute(dio);
 349                 } while (dio != lio);
 350
 351                 avl_add(&vq->vq_pending_tree, aio);
 352
 353                 return (aio);
 354         }
 355
 356         ASSERT(fio->io_vdev_tree == t);
 357         vdev_queue_io_remove(vq, fio);
 358
 359         /*
 360          * If the I/O is or was optional and therefore has no data, we need to
 361          * simply discard it. We need to drop the vdev queue's lock to avoid a
 362          * deadlock that we could encounter since this I/O will complete
 363          * immediately.
 364          */
 365         if (fio->io_flags & ZIO_FLAG_NODATA) {
 366                 mutex_exit(&vq->vq_lock);
 367                 zio_vdev_io_bypass(fio);
 368                 zio_execute(fio);
 369                 mutex_enter(&vq->vq_lock);
 370                 goto again;
 371         }
 372
 373         avl_add(&vq->vq_pending_tree, fio);
 374
 375         return (fio);
 376 }
 377
 378 zio_t *
 379 vdev_queue_io(zio_t *zio)
 380 {
 381         vdev_queue_t *vq = &zio->io_vd->vdev_queue;
 382         zio_t *nio;
 383
 384         ASSERT(zio->io_type == ZIO_TYPE_READ || zio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE);
 385
 386         if (zio->io_flags & ZIO_FLAG_DONT_QUEUE)
 387                 return (zio);
 388
 389         zio->io_flags |= ZIO_FLAG_DONT_CACHE | ZIO_FLAG_DONT_QUEUE;
 390
 391         if (zio->io_type == ZIO_TYPE_READ)
 392                 zio->io_vdev_tree = &vq->vq_read_tree;
 393         else
 394                 zio->io_vdev_tree = &vq->vq_write_tree;
 395
 396         mutex_enter(&vq->vq_lock);
 397
 398         zio->io_timestamp = gethrtime();
 399         zio->io_deadline = (zio->io_timestamp >> zfs_vdev_time_shift) +
 400             zio->io_priority;
 401
 402         vdev_queue_io_add(vq, zio);
 403
 404         nio = vdev_queue_io_to_issue(vq, zfs_vdev_min_pending);
 405
 406         mutex_exit(&vq->vq_lock);
 407
 408         if (nio == NULL)
 409                 return (NULL);
 410
 411         if (nio->io_done == vdev_queue_agg_io_done) {
 412                 zio_nowait(nio);
 413                 return (NULL);
 414         }
 415
 416         return (nio);
 417 }
 418
 419 void
 420 vdev_queue_io_done(zio_t *zio)
 421 {
 422         vdev_queue_t *vq = &zio->io_vd->vdev_queue;
 423
 424         if (zio_injection_enabled)
 425                 delay(SEC_TO_TICK(zio_handle_io_delay(zio)));
 426
 427         mutex_enter(&vq->vq_lock);
 428
 429         avl_remove(&vq->vq_pending_tree, zio);
 430
 431         vq->vq_io_complete_ts = gethrtime();
 432
 433         for (int i = 0; i < zfs_vdev_ramp_rate; i++) {
 434                 zio_t *nio = vdev_queue_io_to_issue(vq, zfs_vdev_max_pending);
 435                 if (nio == NULL)
 436                         break;
 437                 mutex_exit(&vq->vq_lock);
 438                 if (nio->io_done == vdev_queue_agg_io_done) {
 439                         zio_nowait(nio);
 440                 } else {
 441                         zio_vdev_io_reissue(nio);
 442                         zio_execute(nio);
 443                 }
 444                 mutex_enter(&vq->vq_lock);
 445         }
 446
 447         mutex_exit(&vq->vq_lock);
 448 }