]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/stable/10.git/blob - sys/cddl/contrib/opensolaris/uts/common/fs/zfs/metaslab.c
MFC r296519: MFV r296518: 5027 zfs large block support (add copyright)
[FreeBSD/stable/10.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  * Copyright (c) 2014 Integros [integros.com]
26  */
27
28 #include <sys/zfs_context.h>
29 #include <sys/dmu.h>
30 #include <sys/dmu_tx.h>
31 #include <sys/space_map.h>
32 #include <sys/metaslab_impl.h>
33 #include <sys/vdev_impl.h>
34 #include <sys/zio.h>
35 #include <sys/spa_impl.h>
36 #include <sys/zfeature.h>
37
38 SYSCTL_DECL(_vfs_zfs);
39 SYSCTL_NODE(_vfs_zfs, OID_AUTO, metaslab, CTLFLAG_RW, 0, "ZFS metaslab");
40
41 /*
42  * Allow allocations to switch to gang blocks quickly. We do this to
43  * avoid having to load lots of space_maps in a given txg. There are,
44  * however, some cases where we want to avoid "fast" ganging and instead
45  * we want to do an exhaustive search of all metaslabs on this device.
46  * Currently we don't allow any gang, slog, or dump device related allocations
47  * to "fast" gang.
48  */
49 #define CAN_FASTGANG(flags) \
50         (!((flags) & (METASLAB_GANG_CHILD | METASLAB_GANG_HEADER | \
51         METASLAB_GANG_AVOID)))
52
53 #define METASLAB_WEIGHT_PRIMARY         (1ULL << 63)
54 #define METASLAB_WEIGHT_SECONDARY       (1ULL << 62)
55 #define METASLAB_ACTIVE_MASK            \
56         (METASLAB_WEIGHT_PRIMARY | METASLAB_WEIGHT_SECONDARY)
57
58 uint64_t metaslab_aliquot = 512ULL << 10;
59 uint64_t metaslab_gang_bang = SPA_MAXBLOCKSIZE + 1;     /* force gang blocks */
60 TUNABLE_QUAD("vfs.zfs.metaslab.gang_bang", &metaslab_gang_bang);
61 SYSCTL_QUAD(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, gang_bang, CTLFLAG_RWTUN,
62     &metaslab_gang_bang, 0,
63     "Force gang block allocation for blocks larger than or equal to this value");
64
65 /*
66  * The in-core space map representation is more compact than its on-disk form.
67  * The zfs_condense_pct determines how much more compact the in-core
68  * space_map representation must be before we compact it on-disk.
69  * Values should be greater than or equal to 100.
70  */
71 int zfs_condense_pct = 200;
72 TUNABLE_INT("vfs.zfs.condense_pct", &zfs_condense_pct);
73 SYSCTL_INT(_vfs_zfs, OID_AUTO, condense_pct, CTLFLAG_RWTUN,
74     &zfs_condense_pct, 0,
75     "Condense on-disk spacemap when it is more than this many percents"
76     " of in-memory counterpart");
77
78 /*
79  * Condensing a metaslab is not guaranteed to actually reduce the amount of
80  * space used on disk. In particular, a space map uses data in increments of
81  * MAX(1 << ashift, space_map_blksize), so a metaslab might use the
82  * same number of blocks after condensing. Since the goal of condensing is to
83  * reduce the number of IOPs required to read the space map, we only want to
84  * condense when we can be sure we will reduce the number of blocks used by the
85  * space map. Unfortunately, we cannot precisely compute whether or not this is
86  * the case in metaslab_should_condense since we are holding ms_lock. Instead,
87  * we apply the following heuristic: do not condense a spacemap unless the
88  * uncondensed size consumes greater than zfs_metaslab_condense_block_threshold
89  * blocks.
90  */
91 int zfs_metaslab_condense_block_threshold = 4;
92
93 /*
94  * The zfs_mg_noalloc_threshold defines which metaslab groups should
95  * be eligible for allocation. The value is defined as a percentage of
96  * free space. Metaslab groups that have more free space than
97  * zfs_mg_noalloc_threshold are always eligible for allocations. Once
98  * a metaslab group's free space is less than or equal to the
99  * zfs_mg_noalloc_threshold the allocator will avoid allocating to that
100  * group unless all groups in the pool have reached zfs_mg_noalloc_threshold.
101  * Once all groups in the pool reach zfs_mg_noalloc_threshold then all
102  * groups are allowed to accept allocations. Gang blocks are always
103  * eligible to allocate on any metaslab group. The default value of 0 means
104  * no metaslab group will be excluded based on this criterion.
105  */
106 int zfs_mg_noalloc_threshold = 0;
107 TUNABLE_INT("vfs.zfs.mg_noalloc_threshold", &zfs_mg_noalloc_threshold);
108 SYSCTL_INT(_vfs_zfs, OID_AUTO, mg_noalloc_threshold, CTLFLAG_RWTUN,
109     &zfs_mg_noalloc_threshold, 0,
110     "Percentage of metaslab group size that should be free"
111     " to make it eligible for allocation");
112
113 /*
114  * Metaslab groups are considered eligible for allocations if their
115  * fragmenation metric (measured as a percentage) is less than or equal to
116  * zfs_mg_fragmentation_threshold. If a metaslab group exceeds this threshold
117  * then it will be skipped unless all metaslab groups within the metaslab
118  * class have also crossed this threshold.
119  */
120 int zfs_mg_fragmentation_threshold = 85;
121 TUNABLE_INT("vfs.zfs.mg_fragmentation_threshold", &zfs_mg_fragmentation_threshold);
122 SYSCTL_INT(_vfs_zfs, OID_AUTO, mg_fragmentation_threshold, CTLFLAG_RWTUN,
123     &zfs_mg_fragmentation_threshold, 0,
124     "Percentage of metaslab group size that should be considered "
125     "eligible for allocations unless all metaslab groups within the metaslab class "
126     "have also crossed this threshold");
127
128 /*
129  * Allow metaslabs to keep their active state as long as their fragmentation
130  * percentage is less than or equal to zfs_metaslab_fragmentation_threshold. An
131  * active metaslab that exceeds this threshold will no longer keep its active
132  * status allowing better metaslabs to be selected.
133  */
134 int zfs_metaslab_fragmentation_threshold = 70;
135 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.fragmentation_threshold",
136     &zfs_metaslab_fragmentation_threshold);
137 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, fragmentation_threshold, CTLFLAG_RWTUN,
138     &zfs_metaslab_fragmentation_threshold, 0,
139     "Maximum percentage of metaslab fragmentation level to keep their active state");
140
141 /*
142  * When set will load all metaslabs when pool is first opened.
143  */
144 int metaslab_debug_load = 0;
145 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.debug_load", &metaslab_debug_load);
146 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, debug_load, CTLFLAG_RWTUN,
147     &metaslab_debug_load, 0,
148     "Load all metaslabs when pool is first opened");
149
150 /*
151  * When set will prevent metaslabs from being unloaded.
152  */
153 int metaslab_debug_unload = 0;
154 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.debug_unload", &metaslab_debug_unload);
155 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, debug_unload, CTLFLAG_RWTUN,
156     &metaslab_debug_unload, 0,
157     "Prevent metaslabs from being unloaded");
158
159 /*
160  * Minimum size which forces the dynamic allocator to change
161  * it's allocation strategy.  Once the space map cannot satisfy
162  * an allocation of this size then it switches to using more
163  * aggressive strategy (i.e search by size rather than offset).
164  */
165 uint64_t metaslab_df_alloc_threshold = SPA_OLD_MAXBLOCKSIZE;
166 TUNABLE_QUAD("vfs.zfs.metaslab.df_alloc_threshold",
167     &metaslab_df_alloc_threshold);
168 SYSCTL_QUAD(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, df_alloc_threshold, CTLFLAG_RWTUN,
169     &metaslab_df_alloc_threshold, 0,
170     "Minimum size which forces the dynamic allocator to change it's allocation strategy");
171
172 /*
173  * The minimum free space, in percent, which must be available
174  * in a space map to continue allocations in a first-fit fashion.
175  * Once the space_map's free space drops below this level we dynamically
176  * switch to using best-fit allocations.
177  */
178 int metaslab_df_free_pct = 4;
179 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.df_free_pct", &metaslab_df_free_pct);
180 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, df_free_pct, CTLFLAG_RWTUN,
181     &metaslab_df_free_pct, 0,
182     "The minimum free space, in percent, which must be available in a space map to continue allocations in a first-fit fashion");
183
184 /*
185  * A metaslab is considered "free" if it contains a contiguous
186  * segment which is greater than metaslab_min_alloc_size.
187  */
188 uint64_t metaslab_min_alloc_size = DMU_MAX_ACCESS;
189 TUNABLE_QUAD("vfs.zfs.metaslab.min_alloc_size",
190     &metaslab_min_alloc_size);
191 SYSCTL_QUAD(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, min_alloc_size, CTLFLAG_RWTUN,
192     &metaslab_min_alloc_size, 0,
193     "A metaslab is considered \"free\" if it contains a contiguous segment which is greater than vfs.zfs.metaslab.min_alloc_size");
194
195 /*
196  * Percentage of all cpus that can be used by the metaslab taskq.
197  */
198 int metaslab_load_pct = 50;
199 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.load_pct", &metaslab_load_pct);
200 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, load_pct, CTLFLAG_RWTUN,
201     &metaslab_load_pct, 0,
202     "Percentage of cpus that can be used by the metaslab taskq");
203
204 /*
205  * Determines how many txgs a metaslab may remain loaded without having any
206  * allocations from it. As long as a metaslab continues to be used we will
207  * keep it loaded.
208  */
209 int metaslab_unload_delay = TXG_SIZE * 2;
210 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.unload_delay", &metaslab_unload_delay);
211 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, unload_delay, CTLFLAG_RWTUN,
212     &metaslab_unload_delay, 0,
213     "Number of TXGs that an unused metaslab can be kept in memory");
214
215 /*
216  * Max number of metaslabs per group to preload.
217  */
218 int metaslab_preload_limit = SPA_DVAS_PER_BP;
219 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.preload_limit", &metaslab_preload_limit);
220 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, preload_limit, CTLFLAG_RWTUN,
221     &metaslab_preload_limit, 0,
222     "Max number of metaslabs per group to preload");
223
224 /*
225  * Enable/disable preloading of metaslab.
226  */
227 boolean_t metaslab_preload_enabled = B_TRUE;
228 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.preload_enabled", &metaslab_preload_enabled);
229 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, preload_enabled, CTLFLAG_RWTUN,
230     &metaslab_preload_enabled, 0,
231     "Max number of metaslabs per group to preload");
232
233 /*
234  * Enable/disable fragmentation weighting on metaslabs.
235  */
236 boolean_t metaslab_fragmentation_factor_enabled = B_TRUE;
237 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab_fragmentation_factor_enabled",
238     &metaslab_fragmentation_factor_enabled);
239 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, fragmentation_factor_enabled, CTLFLAG_RWTUN,
240     &metaslab_fragmentation_factor_enabled, 0,
241     "Enable fragmentation weighting on metaslabs");
242
243 /*
244  * Enable/disable lba weighting (i.e. outer tracks are given preference).
245  */
246 boolean_t metaslab_lba_weighting_enabled = B_TRUE;
247 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.lba_weighting_enabled",
248     &metaslab_lba_weighting_enabled);
249 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, lba_weighting_enabled, CTLFLAG_RWTUN,
250     &metaslab_lba_weighting_enabled, 0,
251     "Enable LBA weighting (i.e. outer tracks are given preference)");
252
253 /*
254  * Enable/disable metaslab group biasing.
255  */
256 boolean_t metaslab_bias_enabled = B_TRUE;
257 TUNABLE_INT("vfs.zfs.metaslab.bias_enabled",
258     &metaslab_bias_enabled);
259 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_metaslab, OID_AUTO, bias_enabled, CTLFLAG_RWTUN,
260     &metaslab_bias_enabled, 0,
261     "Enable metaslab group biasing");
262
263 static uint64_t metaslab_fragmentation(metaslab_t *);
264
265 /*
266  * ==========================================================================
267  * Metaslab classes
268  * ==========================================================================
269  */
270 metaslab_class_t *
271 metaslab_class_create(spa_t *spa, metaslab_ops_t *ops)
272 {
273         metaslab_class_t *mc;
274
275         mc = kmem_zalloc(sizeof (metaslab_class_t), KM_SLEEP);
276
277         mc->mc_spa = spa;
278         mc->mc_rotor = NULL;
279         mc->mc_ops = ops;
280
281         return (mc);
282 }
283
284 void
285 metaslab_class_destroy(metaslab_class_t *mc)
286 {
287         ASSERT(mc->mc_rotor == NULL);
288         ASSERT(mc->mc_alloc == 0);
289         ASSERT(mc->mc_deferred == 0);
290         ASSERT(mc->mc_space == 0);
291         ASSERT(mc->mc_dspace == 0);
292
293         kmem_free(mc, sizeof (metaslab_class_t));
294 }
295
296 int
297 metaslab_class_validate(metaslab_class_t *mc)
298 {
299         metaslab_group_t *mg;
300         vdev_t *vd;
301
302         /*
303          * Must hold one of the spa_config locks.
304          */
305         ASSERT(spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALL, RW_READER) ||
306             spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALL, RW_WRITER));
307
308         if ((mg = mc->mc_rotor) == NULL)
309                 return (0);
310
311         do {
312                 vd = mg->mg_vd;
313                 ASSERT(vd->vdev_mg != NULL);
314                 ASSERT3P(vd->vdev_top, ==, vd);
315                 ASSERT3P(mg->mg_class, ==, mc);
316                 ASSERT3P(vd->vdev_ops, !=, &vdev_hole_ops);
317         } while ((mg = mg->mg_next) != mc->mc_rotor);
318
319         return (0);
320 }
321
322 void
323 metaslab_class_space_update(metaslab_class_t *mc, int64_t alloc_delta,
324     int64_t defer_delta, int64_t space_delta, int64_t dspace_delta)
325 {
326         atomic_add_64(&mc->mc_alloc, alloc_delta);
327         atomic_add_64(&mc->mc_deferred, defer_delta);
328         atomic_add_64(&mc->mc_space, space_delta);
329         atomic_add_64(&mc->mc_dspace, dspace_delta);
330 }
331
332 void
333 metaslab_class_minblocksize_update(metaslab_class_t *mc)
334 {
335         metaslab_group_t *mg;
336         vdev_t *vd;
337         uint64_t minashift = UINT64_MAX;
338
339         if ((mg = mc->mc_rotor) == NULL) {
340                 mc->mc_minblocksize = SPA_MINBLOCKSIZE;
341                 return;
342         }
343
344         do {
345                 vd = mg->mg_vd;
346                 if (vd->vdev_ashift < minashift)
347                         minashift = vd->vdev_ashift;
348         } while ((mg = mg->mg_next) != mc->mc_rotor);
349
350         mc->mc_minblocksize = 1ULL << minashift;
351 }
352
353 uint64_t
354 metaslab_class_get_alloc(metaslab_class_t *mc)
355 {
356         return (mc->mc_alloc);
357 }
358
359 uint64_t
360 metaslab_class_get_deferred(metaslab_class_t *mc)
361 {
362         return (mc->mc_deferred);
363 }
364
365 uint64_t
366 metaslab_class_get_space(metaslab_class_t *mc)
367 {
368         return (mc->mc_space);
369 }
370
371 uint64_t
372 metaslab_class_get_dspace(metaslab_class_t *mc)
373 {
374         return (spa_deflate(mc->mc_spa) ? mc->mc_dspace : mc->mc_space);
375 }
376
377 uint64_t
378 metaslab_class_get_minblocksize(metaslab_class_t *mc)
379 {
380         return (mc->mc_minblocksize);
381 }
382
383 void
384 metaslab_class_histogram_verify(metaslab_class_t *mc)
385 {
386         vdev_t *rvd = mc->mc_spa->spa_root_vdev;
387         uint64_t *mc_hist;
388         int i;
389
390         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_HISTOGRAM_VERIFY) == 0)
391                 return;
392
393         mc_hist = kmem_zalloc(sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE,
394             KM_SLEEP);
395
396         for (int c = 0; c < rvd->vdev_children; c++) {
397                 vdev_t *tvd = rvd->vdev_child[c];
398                 metaslab_group_t *mg = tvd->vdev_mg;
399
400                 /*
401                  * Skip any holes, uninitialized top-levels, or
402                  * vdevs that are not in this metalab class.
403                  */
404                 if (tvd->vdev_ishole || tvd->vdev_ms_shift == 0 ||
405                     mg->mg_class != mc) {
406                         continue;
407                 }
408
409                 for (i = 0; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i++)
410                         mc_hist[i] += mg->mg_histogram[i];
411         }
412
413         for (i = 0; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i++)
414                 VERIFY3U(mc_hist[i], ==, mc->mc_histogram[i]);
415
416         kmem_free(mc_hist, sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE);
417 }
418
419 /*
420  * Calculate the metaslab class's fragmentation metric. The metric
421  * is weighted based on the space contribution of each metaslab group.
422  * The return value will be a number between 0 and 100 (inclusive), or
423  * ZFS_FRAG_INVALID if the metric has not been set. See comment above the
424  * zfs_frag_table for more information about the metric.
425  */
426 uint64_t
427 metaslab_class_fragmentation(metaslab_class_t *mc)
428 {
429         vdev_t *rvd = mc->mc_spa->spa_root_vdev;
430         uint64_t fragmentation = 0;
431
432         spa_config_enter(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
433
434         for (int c = 0; c < rvd->vdev_children; c++) {
435                 vdev_t *tvd = rvd->vdev_child[c];
436                 metaslab_group_t *mg = tvd->vdev_mg;
437
438                 /*
439                  * Skip any holes, uninitialized top-levels, or
440                  * vdevs that are not in this metalab class.
441                  */
442                 if (tvd->vdev_ishole || tvd->vdev_ms_shift == 0 ||
443                     mg->mg_class != mc) {
444                         continue;
445                 }
446
447                 /*
448                  * If a metaslab group does not contain a fragmentation
449                  * metric then just bail out.
450                  */
451                 if (mg->mg_fragmentation == ZFS_FRAG_INVALID) {
452                         spa_config_exit(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG);
453                         return (ZFS_FRAG_INVALID);
454                 }
455
456                 /*
457                  * Determine how much this metaslab_group is contributing
458                  * to the overall pool fragmentation metric.
459                  */
460                 fragmentation += mg->mg_fragmentation *
461                     metaslab_group_get_space(mg);
462         }
463         fragmentation /= metaslab_class_get_space(mc);
464
465         ASSERT3U(fragmentation, <=, 100);
466         spa_config_exit(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG);
467         return (fragmentation);
468 }
469
470 /*
471  * Calculate the amount of expandable space that is available in
472  * this metaslab class. If a device is expanded then its expandable
473  * space will be the amount of allocatable space that is currently not
474  * part of this metaslab class.
475  */
476 uint64_t
477 metaslab_class_expandable_space(metaslab_class_t *mc)
478 {
479         vdev_t *rvd = mc->mc_spa->spa_root_vdev;
480         uint64_t space = 0;
481
482         spa_config_enter(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
483         for (int c = 0; c < rvd->vdev_children; c++) {
484                 vdev_t *tvd = rvd->vdev_child[c];
485                 metaslab_group_t *mg = tvd->vdev_mg;
486
487                 if (tvd->vdev_ishole || tvd->vdev_ms_shift == 0 ||
488                     mg->mg_class != mc) {
489                         continue;
490                 }
491
492                 space += tvd->vdev_max_asize - tvd->vdev_asize;
493         }
494         spa_config_exit(mc->mc_spa, SCL_VDEV, FTAG);
495         return (space);
496 }
497
498 /*
499  * ==========================================================================
500  * Metaslab groups
501  * ==========================================================================
502  */
503 static int
504 metaslab_compare(const void *x1, const void *x2)
505 {
506         const metaslab_t *m1 = x1;
507         const metaslab_t *m2 = x2;
508
509         if (m1->ms_weight < m2->ms_weight)
510                 return (1);
511         if (m1->ms_weight > m2->ms_weight)
512                 return (-1);
513
514         /*
515          * If the weights are identical, use the offset to force uniqueness.
516          */
517         if (m1->ms_start < m2->ms_start)
518                 return (-1);
519         if (m1->ms_start > m2->ms_start)
520                 return (1);
521
522         ASSERT3P(m1, ==, m2);
523
524         return (0);
525 }
526
527 /*
528  * Update the allocatable flag and the metaslab group's capacity.
529  * The allocatable flag is set to true if the capacity is below
530  * the zfs_mg_noalloc_threshold. If a metaslab group transitions
531  * from allocatable to non-allocatable or vice versa then the metaslab
532  * group's class is updated to reflect the transition.
533  */
534 static void
535 metaslab_group_alloc_update(metaslab_group_t *mg)
536 {
537         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
538         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
539         vdev_stat_t *vs = &vd->vdev_stat;
540         boolean_t was_allocatable;
541
542         ASSERT(vd == vd->vdev_top);
543
544         mutex_enter(&mg->mg_lock);
545         was_allocatable = mg->mg_allocatable;
546
547         mg->mg_free_capacity = ((vs->vs_space - vs->vs_alloc) * 100) /
548             (vs->vs_space + 1);
549
550         /*
551          * A metaslab group is considered allocatable if it has plenty
552          * of free space or is not heavily fragmented. We only take
553          * fragmentation into account if the metaslab group has a valid
554          * fragmentation metric (i.e. a value between 0 and 100).
555          */
556         mg->mg_allocatable = (mg->mg_free_capacity > zfs_mg_noalloc_threshold &&
557             (mg->mg_fragmentation == ZFS_FRAG_INVALID ||
558             mg->mg_fragmentation <= zfs_mg_fragmentation_threshold));
559
560         /*
561          * The mc_alloc_groups maintains a count of the number of
562          * groups in this metaslab class that are still above the
563          * zfs_mg_noalloc_threshold. This is used by the allocating
564          * threads to determine if they should avoid allocations to
565          * a given group. The allocator will avoid allocations to a group
566          * if that group has reached or is below the zfs_mg_noalloc_threshold
567          * and there are still other groups that are above the threshold.
568          * When a group transitions from allocatable to non-allocatable or
569          * vice versa we update the metaslab class to reflect that change.
570          * When the mc_alloc_groups value drops to 0 that means that all
571          * groups have reached the zfs_mg_noalloc_threshold making all groups
572          * eligible for allocations. This effectively means that all devices
573          * are balanced again.
574          */
575         if (was_allocatable && !mg->mg_allocatable)
576                 mc->mc_alloc_groups--;
577         else if (!was_allocatable && mg->mg_allocatable)
578                 mc->mc_alloc_groups++;
579
580         mutex_exit(&mg->mg_lock);
581 }
582
583 metaslab_group_t *
584 metaslab_group_create(metaslab_class_t *mc, vdev_t *vd)
585 {
586         metaslab_group_t *mg;
587
588         mg = kmem_zalloc(sizeof (metaslab_group_t), KM_SLEEP);
589         mutex_init(&mg->mg_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
590         avl_create(&mg->mg_metaslab_tree, metaslab_compare,
591             sizeof (metaslab_t), offsetof(struct metaslab, ms_group_node));
592         mg->mg_vd = vd;
593         mg->mg_class = mc;
594         mg->mg_activation_count = 0;
595
596         mg->mg_taskq = taskq_create("metaslab_group_taskq", metaslab_load_pct,
597             minclsyspri, 10, INT_MAX, TASKQ_THREADS_CPU_PCT);
598
599         return (mg);
600 }
601
602 void
603 metaslab_group_destroy(metaslab_group_t *mg)
604 {
605         ASSERT(mg->mg_prev == NULL);
606         ASSERT(mg->mg_next == NULL);
607         /*
608          * We may have gone below zero with the activation count
609          * either because we never activated in the first place or
610          * because we're done, and possibly removing the vdev.
611          */
612         ASSERT(mg->mg_activation_count <= 0);
613
614         taskq_destroy(mg->mg_taskq);
615         avl_destroy(&mg->mg_metaslab_tree);
616         mutex_destroy(&mg->mg_lock);
617         kmem_free(mg, sizeof (metaslab_group_t));
618 }
619
620 void
621 metaslab_group_activate(metaslab_group_t *mg)
622 {
623         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
624         metaslab_group_t *mgprev, *mgnext;
625
626         ASSERT(spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALLOC, RW_WRITER));
627
628         ASSERT(mc->mc_rotor != mg);
629         ASSERT(mg->mg_prev == NULL);
630         ASSERT(mg->mg_next == NULL);
631         ASSERT(mg->mg_activation_count <= 0);
632
633         if (++mg->mg_activation_count <= 0)
634                 return;
635
636         mg->mg_aliquot = metaslab_aliquot * MAX(1, mg->mg_vd->vdev_children);
637         metaslab_group_alloc_update(mg);
638
639         if ((mgprev = mc->mc_rotor) == NULL) {
640                 mg->mg_prev = mg;
641                 mg->mg_next = mg;
642         } else {
643                 mgnext = mgprev->mg_next;
644                 mg->mg_prev = mgprev;
645                 mg->mg_next = mgnext;
646                 mgprev->mg_next = mg;
647                 mgnext->mg_prev = mg;
648         }
649         mc->mc_rotor = mg;
650         metaslab_class_minblocksize_update(mc);
651 }
652
653 void
654 metaslab_group_passivate(metaslab_group_t *mg)
655 {
656         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
657         metaslab_group_t *mgprev, *mgnext;
658
659         ASSERT(spa_config_held(mc->mc_spa, SCL_ALLOC, RW_WRITER));
660
661         if (--mg->mg_activation_count != 0) {
662                 ASSERT(mc->mc_rotor != mg);
663                 ASSERT(mg->mg_prev == NULL);
664                 ASSERT(mg->mg_next == NULL);
665                 ASSERT(mg->mg_activation_count < 0);
666                 return;
667         }
668
669         taskq_wait(mg->mg_taskq);
670         metaslab_group_alloc_update(mg);
671
672         mgprev = mg->mg_prev;
673         mgnext = mg->mg_next;
674
675         if (mg == mgnext) {
676                 mc->mc_rotor = NULL;
677         } else {
678                 mc->mc_rotor = mgnext;
679                 mgprev->mg_next = mgnext;
680                 mgnext->mg_prev = mgprev;
681         }
682
683         mg->mg_prev = NULL;
684         mg->mg_next = NULL;
685         metaslab_class_minblocksize_update(mc);
686 }
687
688 uint64_t
689 metaslab_group_get_space(metaslab_group_t *mg)
690 {
691         return ((1ULL << mg->mg_vd->vdev_ms_shift) * mg->mg_vd->vdev_ms_count);
692 }
693
694 void
695 metaslab_group_histogram_verify(metaslab_group_t *mg)
696 {
697         uint64_t *mg_hist;
698         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
699         uint64_t ashift = vd->vdev_ashift;
700         int i;
701
702         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_HISTOGRAM_VERIFY) == 0)
703                 return;
704
705         mg_hist = kmem_zalloc(sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE,
706             KM_SLEEP);
707
708         ASSERT3U(RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE, >=,
709             SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE + ashift);
710
711         for (int m = 0; m < vd->vdev_ms_count; m++) {
712                 metaslab_t *msp = vd->vdev_ms[m];
713
714                 if (msp->ms_sm == NULL)
715                         continue;
716
717                 for (i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++)
718                         mg_hist[i + ashift] +=
719                             msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
720         }
721
722         for (i = 0; i < RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE; i ++)
723                 VERIFY3U(mg_hist[i], ==, mg->mg_histogram[i]);
724
725         kmem_free(mg_hist, sizeof (uint64_t) * RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE);
726 }
727
728 static void
729 metaslab_group_histogram_add(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
730 {
731         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
732         uint64_t ashift = mg->mg_vd->vdev_ashift;
733
734         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
735         if (msp->ms_sm == NULL)
736                 return;
737
738         mutex_enter(&mg->mg_lock);
739         for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
740                 mg->mg_histogram[i + ashift] +=
741                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
742                 mc->mc_histogram[i + ashift] +=
743                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
744         }
745         mutex_exit(&mg->mg_lock);
746 }
747
748 void
749 metaslab_group_histogram_remove(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
750 {
751         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
752         uint64_t ashift = mg->mg_vd->vdev_ashift;
753
754         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
755         if (msp->ms_sm == NULL)
756                 return;
757
758         mutex_enter(&mg->mg_lock);
759         for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
760                 ASSERT3U(mg->mg_histogram[i + ashift], >=,
761                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i]);
762                 ASSERT3U(mc->mc_histogram[i + ashift], >=,
763                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i]);
764
765                 mg->mg_histogram[i + ashift] -=
766                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
767                 mc->mc_histogram[i + ashift] -=
768                     msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i];
769         }
770         mutex_exit(&mg->mg_lock);
771 }
772
773 static void
774 metaslab_group_add(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
775 {
776         ASSERT(msp->ms_group == NULL);
777         mutex_enter(&mg->mg_lock);
778         msp->ms_group = mg;
779         msp->ms_weight = 0;
780         avl_add(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
781         mutex_exit(&mg->mg_lock);
782
783         mutex_enter(&msp->ms_lock);
784         metaslab_group_histogram_add(mg, msp);
785         mutex_exit(&msp->ms_lock);
786 }
787
788 static void
789 metaslab_group_remove(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
790 {
791         mutex_enter(&msp->ms_lock);
792         metaslab_group_histogram_remove(mg, msp);
793         mutex_exit(&msp->ms_lock);
794
795         mutex_enter(&mg->mg_lock);
796         ASSERT(msp->ms_group == mg);
797         avl_remove(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
798         msp->ms_group = NULL;
799         mutex_exit(&mg->mg_lock);
800 }
801
802 static void
803 metaslab_group_sort(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp, uint64_t weight)
804 {
805         /*
806          * Although in principle the weight can be any value, in
807          * practice we do not use values in the range [1, 511].
808          */
809         ASSERT(weight >= SPA_MINBLOCKSIZE || weight == 0);
810         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
811
812         mutex_enter(&mg->mg_lock);
813         ASSERT(msp->ms_group == mg);
814         avl_remove(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
815         msp->ms_weight = weight;
816         avl_add(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
817         mutex_exit(&mg->mg_lock);
818 }
819
820 /*
821  * Calculate the fragmentation for a given metaslab group. We can use
822  * a simple average here since all metaslabs within the group must have
823  * the same size. The return value will be a value between 0 and 100
824  * (inclusive), or ZFS_FRAG_INVALID if less than half of the metaslab in this
825  * group have a fragmentation metric.
826  */
827 uint64_t
828 metaslab_group_fragmentation(metaslab_group_t *mg)
829 {
830         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
831         uint64_t fragmentation = 0;
832         uint64_t valid_ms = 0;
833
834         for (int m = 0; m < vd->vdev_ms_count; m++) {
835                 metaslab_t *msp = vd->vdev_ms[m];
836
837                 if (msp->ms_fragmentation == ZFS_FRAG_INVALID)
838                         continue;
839
840                 valid_ms++;
841                 fragmentation += msp->ms_fragmentation;
842         }
843
844         if (valid_ms <= vd->vdev_ms_count / 2)
845                 return (ZFS_FRAG_INVALID);
846
847         fragmentation /= valid_ms;
848         ASSERT3U(fragmentation, <=, 100);
849         return (fragmentation);
850 }
851
852 /*
853  * Determine if a given metaslab group should skip allocations. A metaslab
854  * group should avoid allocations if its free capacity is less than the
855  * zfs_mg_noalloc_threshold or its fragmentation metric is greater than
856  * zfs_mg_fragmentation_threshold and there is at least one metaslab group
857  * that can still handle allocations.
858  */
859 static boolean_t
860 metaslab_group_allocatable(metaslab_group_t *mg)
861 {
862         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
863         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
864         metaslab_class_t *mc = mg->mg_class;
865
866         /*
867          * We use two key metrics to determine if a metaslab group is
868          * considered allocatable -- free space and fragmentation. If
869          * the free space is greater than the free space threshold and
870          * the fragmentation is less than the fragmentation threshold then
871          * consider the group allocatable. There are two case when we will
872          * not consider these key metrics. The first is if the group is
873          * associated with a slog device and the second is if all groups
874          * in this metaslab class have already been consider ineligible
875          * for allocations.
876          */
877         return ((mg->mg_free_capacity > zfs_mg_noalloc_threshold &&
878             (mg->mg_fragmentation == ZFS_FRAG_INVALID ||
879             mg->mg_fragmentation <= zfs_mg_fragmentation_threshold)) ||
880             mc != spa_normal_class(spa) || mc->mc_alloc_groups == 0);
881 }
882
883 /*
884  * ==========================================================================
885  * Range tree callbacks
886  * ==========================================================================
887  */
888
889 /*
890  * Comparison function for the private size-ordered tree. Tree is sorted
891  * by size, larger sizes at the end of the tree.
892  */
893 static int
894 metaslab_rangesize_compare(const void *x1, const void *x2)
895 {
896         const range_seg_t *r1 = x1;
897         const range_seg_t *r2 = x2;
898         uint64_t rs_size1 = r1->rs_end - r1->rs_start;
899         uint64_t rs_size2 = r2->rs_end - r2->rs_start;
900
901         if (rs_size1 < rs_size2)
902                 return (-1);
903         if (rs_size1 > rs_size2)
904                 return (1);
905
906         if (r1->rs_start < r2->rs_start)
907                 return (-1);
908
909         if (r1->rs_start > r2->rs_start)
910                 return (1);
911
912         return (0);
913 }
914
915 /*
916  * Create any block allocator specific components. The current allocators
917  * rely on using both a size-ordered range_tree_t and an array of uint64_t's.
918  */
919 static void
920 metaslab_rt_create(range_tree_t *rt, void *arg)
921 {
922         metaslab_t *msp = arg;
923
924         ASSERT3P(rt->rt_arg, ==, msp);
925         ASSERT(msp->ms_tree == NULL);
926
927         avl_create(&msp->ms_size_tree, metaslab_rangesize_compare,
928             sizeof (range_seg_t), offsetof(range_seg_t, rs_pp_node));
929 }
930
931 /*
932  * Destroy the block allocator specific components.
933  */
934 static void
935 metaslab_rt_destroy(range_tree_t *rt, void *arg)
936 {
937         metaslab_t *msp = arg;
938
939         ASSERT3P(rt->rt_arg, ==, msp);
940         ASSERT3P(msp->ms_tree, ==, rt);
941         ASSERT0(avl_numnodes(&msp->ms_size_tree));
942
943         avl_destroy(&msp->ms_size_tree);
944 }
945
946 static void
947 metaslab_rt_add(range_tree_t *rt, range_seg_t *rs, void *arg)
948 {
949         metaslab_t *msp = arg;
950
951         ASSERT3P(rt->rt_arg, ==, msp);
952         ASSERT3P(msp->ms_tree, ==, rt);
953         VERIFY(!msp->ms_condensing);
954         avl_add(&msp->ms_size_tree, rs);
955 }
956
957 static void
958 metaslab_rt_remove(range_tree_t *rt, range_seg_t *rs, void *arg)
959 {
960         metaslab_t *msp = arg;
961
962         ASSERT3P(rt->rt_arg, ==, msp);
963         ASSERT3P(msp->ms_tree, ==, rt);
964         VERIFY(!msp->ms_condensing);
965         avl_remove(&msp->ms_size_tree, rs);
966 }
967
968 static void
969 metaslab_rt_vacate(range_tree_t *rt, void *arg)
970 {
971         metaslab_t *msp = arg;
972
973         ASSERT3P(rt->rt_arg, ==, msp);
974         ASSERT3P(msp->ms_tree, ==, rt);
975
976         /*
977          * Normally one would walk the tree freeing nodes along the way.
978          * Since the nodes are shared with the range trees we can avoid
979          * walking all nodes and just reinitialize the avl tree. The nodes
980          * will be freed by the range tree, so we don't want to free them here.
981          */
982         avl_create(&msp->ms_size_tree, metaslab_rangesize_compare,
983             sizeof (range_seg_t), offsetof(range_seg_t, rs_pp_node));
984 }
985
986 static range_tree_ops_t metaslab_rt_ops = {
987         metaslab_rt_create,
988         metaslab_rt_destroy,
989         metaslab_rt_add,
990         metaslab_rt_remove,
991         metaslab_rt_vacate
992 };
993
994 /*
995  * ==========================================================================
996  * Metaslab block operations
997  * ==========================================================================
998  */
999
1000 /*
1001  * Return the maximum contiguous segment within the metaslab.
1002  */
1003 uint64_t
1004 metaslab_block_maxsize(metaslab_t *msp)
1005 {
1006         avl_tree_t *t = &msp->ms_size_tree;
1007         range_seg_t *rs;
1008
1009         if (t == NULL || (rs = avl_last(t)) == NULL)
1010                 return (0ULL);
1011
1012         return (rs->rs_end - rs->rs_start);
1013 }
1014
1015 uint64_t
1016 metaslab_block_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1017 {
1018         uint64_t start;
1019         range_tree_t *rt = msp->ms_tree;
1020
1021         VERIFY(!msp->ms_condensing);
1022
1023         start = msp->ms_ops->msop_alloc(msp, size);
1024         if (start != -1ULL) {
1025                 vdev_t *vd = msp->ms_group->mg_vd;
1026
1027                 VERIFY0(P2PHASE(start, 1ULL << vd->vdev_ashift));
1028                 VERIFY0(P2PHASE(size, 1ULL << vd->vdev_ashift));
1029                 VERIFY3U(range_tree_space(rt) - size, <=, msp->ms_size);
1030                 range_tree_remove(rt, start, size);
1031         }
1032         return (start);
1033 }
1034
1035 /*
1036  * ==========================================================================
1037  * Common allocator routines
1038  * ==========================================================================
1039  */
1040
1041 /*
1042  * This is a helper function that can be used by the allocator to find
1043  * a suitable block to allocate. This will search the specified AVL
1044  * tree looking for a block that matches the specified criteria.
1045  */
1046 static uint64_t
1047 metaslab_block_picker(avl_tree_t *t, uint64_t *cursor, uint64_t size,
1048     uint64_t align)
1049 {
1050         range_seg_t *rs, rsearch;
1051         avl_index_t where;
1052
1053         rsearch.rs_start = *cursor;
1054         rsearch.rs_end = *cursor + size;
1055
1056         rs = avl_find(t, &rsearch, &where);
1057         if (rs == NULL)
1058                 rs = avl_nearest(t, where, AVL_AFTER);
1059
1060         while (rs != NULL) {
1061                 uint64_t offset = P2ROUNDUP(rs->rs_start, align);
1062
1063                 if (offset + size <= rs->rs_end) {
1064                         *cursor = offset + size;
1065                         return (offset);
1066                 }
1067                 rs = AVL_NEXT(t, rs);
1068         }
1069
1070         /*
1071          * If we know we've searched the whole map (*cursor == 0), give up.
1072          * Otherwise, reset the cursor to the beginning and try again.
1073          */
1074         if (*cursor == 0)
1075                 return (-1ULL);
1076
1077         *cursor = 0;
1078         return (metaslab_block_picker(t, cursor, size, align));
1079 }
1080
1081 /*
1082  * ==========================================================================
1083  * The first-fit block allocator
1084  * ==========================================================================
1085  */
1086 static uint64_t
1087 metaslab_ff_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1088 {
1089         /*
1090          * Find the largest power of 2 block size that evenly divides the
1091          * requested size. This is used to try to allocate blocks with similar
1092          * alignment from the same area of the metaslab (i.e. same cursor
1093          * bucket) but it does not guarantee that other allocations sizes
1094          * may exist in the same region.
1095          */
1096         uint64_t align = size & -size;
1097         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[highbit64(align) - 1];
1098         avl_tree_t *t = &msp->ms_tree->rt_root;
1099
1100         return (metaslab_block_picker(t, cursor, size, align));
1101 }
1102
1103 static metaslab_ops_t metaslab_ff_ops = {
1104         metaslab_ff_alloc
1105 };
1106
1107 /*
1108  * ==========================================================================
1109  * Dynamic block allocator -
1110  * Uses the first fit allocation scheme until space get low and then
1111  * adjusts to a best fit allocation method. Uses metaslab_df_alloc_threshold
1112  * and metaslab_df_free_pct to determine when to switch the allocation scheme.
1113  * ==========================================================================
1114  */
1115 static uint64_t
1116 metaslab_df_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1117 {
1118         /*
1119          * Find the largest power of 2 block size that evenly divides the
1120          * requested size. This is used to try to allocate blocks with similar
1121          * alignment from the same area of the metaslab (i.e. same cursor
1122          * bucket) but it does not guarantee that other allocations sizes
1123          * may exist in the same region.
1124          */
1125         uint64_t align = size & -size;
1126         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[highbit64(align) - 1];
1127         range_tree_t *rt = msp->ms_tree;
1128         avl_tree_t *t = &rt->rt_root;
1129         uint64_t max_size = metaslab_block_maxsize(msp);
1130         int free_pct = range_tree_space(rt) * 100 / msp->ms_size;
1131
1132         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1133         ASSERT3U(avl_numnodes(t), ==, avl_numnodes(&msp->ms_size_tree));
1134
1135         if (max_size < size)
1136                 return (-1ULL);
1137
1138         /*
1139          * If we're running low on space switch to using the size
1140          * sorted AVL tree (best-fit).
1141          */
1142         if (max_size < metaslab_df_alloc_threshold ||
1143             free_pct < metaslab_df_free_pct) {
1144                 t = &msp->ms_size_tree;
1145                 *cursor = 0;
1146         }
1147
1148         return (metaslab_block_picker(t, cursor, size, 1ULL));
1149 }
1150
1151 static metaslab_ops_t metaslab_df_ops = {
1152         metaslab_df_alloc
1153 };
1154
1155 /*
1156  * ==========================================================================
1157  * Cursor fit block allocator -
1158  * Select the largest region in the metaslab, set the cursor to the beginning
1159  * of the range and the cursor_end to the end of the range. As allocations
1160  * are made advance the cursor. Continue allocating from the cursor until
1161  * the range is exhausted and then find a new range.
1162  * ==========================================================================
1163  */
1164 static uint64_t
1165 metaslab_cf_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1166 {
1167         range_tree_t *rt = msp->ms_tree;
1168         avl_tree_t *t = &msp->ms_size_tree;
1169         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[0];
1170         uint64_t *cursor_end = &msp->ms_lbas[1];
1171         uint64_t offset = 0;
1172
1173         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1174         ASSERT3U(avl_numnodes(t), ==, avl_numnodes(&rt->rt_root));
1175
1176         ASSERT3U(*cursor_end, >=, *cursor);
1177
1178         if ((*cursor + size) > *cursor_end) {
1179                 range_seg_t *rs;
1180
1181                 rs = avl_last(&msp->ms_size_tree);
1182                 if (rs == NULL || (rs->rs_end - rs->rs_start) < size)
1183                         return (-1ULL);
1184
1185                 *cursor = rs->rs_start;
1186                 *cursor_end = rs->rs_end;
1187         }
1188
1189         offset = *cursor;
1190         *cursor += size;
1191
1192         return (offset);
1193 }
1194
1195 static metaslab_ops_t metaslab_cf_ops = {
1196         metaslab_cf_alloc
1197 };
1198
1199 /*
1200  * ==========================================================================
1201  * New dynamic fit allocator -
1202  * Select a region that is large enough to allocate 2^metaslab_ndf_clump_shift
1203  * contiguous blocks. If no region is found then just use the largest segment
1204  * that remains.
1205  * ==========================================================================
1206  */
1207
1208 /*
1209  * Determines desired number of contiguous blocks (2^metaslab_ndf_clump_shift)
1210  * to request from the allocator.
1211  */
1212 uint64_t metaslab_ndf_clump_shift = 4;
1213
1214 static uint64_t
1215 metaslab_ndf_alloc(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1216 {
1217         avl_tree_t *t = &msp->ms_tree->rt_root;
1218         avl_index_t where;
1219         range_seg_t *rs, rsearch;
1220         uint64_t hbit = highbit64(size);
1221         uint64_t *cursor = &msp->ms_lbas[hbit - 1];
1222         uint64_t max_size = metaslab_block_maxsize(msp);
1223
1224         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1225         ASSERT3U(avl_numnodes(t), ==, avl_numnodes(&msp->ms_size_tree));
1226
1227         if (max_size < size)
1228                 return (-1ULL);
1229
1230         rsearch.rs_start = *cursor;
1231         rsearch.rs_end = *cursor + size;
1232
1233         rs = avl_find(t, &rsearch, &where);
1234         if (rs == NULL || (rs->rs_end - rs->rs_start) < size) {
1235                 t = &msp->ms_size_tree;
1236
1237                 rsearch.rs_start = 0;
1238                 rsearch.rs_end = MIN(max_size,
1239                     1ULL << (hbit + metaslab_ndf_clump_shift));
1240                 rs = avl_find(t, &rsearch, &where);
1241                 if (rs == NULL)
1242                         rs = avl_nearest(t, where, AVL_AFTER);
1243                 ASSERT(rs != NULL);
1244         }
1245
1246         if ((rs->rs_end - rs->rs_start) >= size) {
1247                 *cursor = rs->rs_start + size;
1248                 return (rs->rs_start);
1249         }
1250         return (-1ULL);
1251 }
1252
1253 static metaslab_ops_t metaslab_ndf_ops = {
1254         metaslab_ndf_alloc
1255 };
1256
1257 metaslab_ops_t *zfs_metaslab_ops = &metaslab_df_ops;
1258
1259 /*
1260  * ==========================================================================
1261  * Metaslabs
1262  * ==========================================================================
1263  */
1264
1265 /*
1266  * Wait for any in-progress metaslab loads to complete.
1267  */
1268 void
1269 metaslab_load_wait(metaslab_t *msp)
1270 {
1271         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1272
1273         while (msp->ms_loading) {
1274                 ASSERT(!msp->ms_loaded);
1275                 cv_wait(&msp->ms_load_cv, &msp->ms_lock);
1276         }
1277 }
1278
1279 int
1280 metaslab_load(metaslab_t *msp)
1281 {
1282         int error = 0;
1283
1284         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1285         ASSERT(!msp->ms_loaded);
1286         ASSERT(!msp->ms_loading);
1287
1288         msp->ms_loading = B_TRUE;
1289
1290         /*
1291          * If the space map has not been allocated yet, then treat
1292          * all the space in the metaslab as free and add it to the
1293          * ms_tree.
1294          */
1295         if (msp->ms_sm != NULL)
1296                 error = space_map_load(msp->ms_sm, msp->ms_tree, SM_FREE);
1297         else
1298                 range_tree_add(msp->ms_tree, msp->ms_start, msp->ms_size);
1299
1300         msp->ms_loaded = (error == 0);
1301         msp->ms_loading = B_FALSE;
1302
1303         if (msp->ms_loaded) {
1304                 for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
1305                         range_tree_walk(msp->ms_defertree[t],
1306                             range_tree_remove, msp->ms_tree);
1307                 }
1308         }
1309         cv_broadcast(&msp->ms_load_cv);
1310         return (error);
1311 }
1312
1313 void
1314 metaslab_unload(metaslab_t *msp)
1315 {
1316         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1317         range_tree_vacate(msp->ms_tree, NULL, NULL);
1318         msp->ms_loaded = B_FALSE;
1319         msp->ms_weight &= ~METASLAB_ACTIVE_MASK;
1320 }
1321
1322 int
1323 metaslab_init(metaslab_group_t *mg, uint64_t id, uint64_t object, uint64_t txg,
1324     metaslab_t **msp)
1325 {
1326         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
1327         objset_t *mos = vd->vdev_spa->spa_meta_objset;
1328         metaslab_t *ms;
1329         int error;
1330
1331         ms = kmem_zalloc(sizeof (metaslab_t), KM_SLEEP);
1332         mutex_init(&ms->ms_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
1333         cv_init(&ms->ms_load_cv, NULL, CV_DEFAULT, NULL);
1334         ms->ms_id = id;
1335         ms->ms_start = id << vd->vdev_ms_shift;
1336         ms->ms_size = 1ULL << vd->vdev_ms_shift;
1337
1338         /*
1339          * We only open space map objects that already exist. All others
1340          * will be opened when we finally allocate an object for it.
1341          */
1342         if (object != 0) {
1343                 error = space_map_open(&ms->ms_sm, mos, object, ms->ms_start,
1344                     ms->ms_size, vd->vdev_ashift, &ms->ms_lock);
1345
1346                 if (error != 0) {
1347                         kmem_free(ms, sizeof (metaslab_t));
1348                         return (error);
1349                 }
1350
1351                 ASSERT(ms->ms_sm != NULL);
1352         }
1353
1354         /*
1355          * We create the main range tree here, but we don't create the
1356          * alloctree and freetree until metaslab_sync_done().  This serves
1357          * two purposes: it allows metaslab_sync_done() to detect the
1358          * addition of new space; and for debugging, it ensures that we'd
1359          * data fault on any attempt to use this metaslab before it's ready.
1360          */
1361         ms->ms_tree = range_tree_create(&metaslab_rt_ops, ms, &ms->ms_lock);
1362         metaslab_group_add(mg, ms);
1363
1364         ms->ms_fragmentation = metaslab_fragmentation(ms);
1365         ms->ms_ops = mg->mg_class->mc_ops;
1366
1367         /*
1368          * If we're opening an existing pool (txg == 0) or creating
1369          * a new one (txg == TXG_INITIAL), all space is available now.
1370          * If we're adding space to an existing pool, the new space
1371          * does not become available until after this txg has synced.
1372          */
1373         if (txg <= TXG_INITIAL)
1374                 metaslab_sync_done(ms, 0);
1375
1376         /*
1377          * If metaslab_debug_load is set and we're initializing a metaslab
1378          * that has an allocated space_map object then load the its space
1379          * map so that can verify frees.
1380          */
1381         if (metaslab_debug_load && ms->ms_sm != NULL) {
1382                 mutex_enter(&ms->ms_lock);
1383                 VERIFY0(metaslab_load(ms));
1384                 mutex_exit(&ms->ms_lock);
1385         }
1386
1387         if (txg != 0) {
1388                 vdev_dirty(vd, 0, NULL, txg);
1389                 vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, ms, txg);
1390         }
1391
1392         *msp = ms;
1393
1394         return (0);
1395 }
1396
1397 void
1398 metaslab_fini(metaslab_t *msp)
1399 {
1400         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
1401
1402         metaslab_group_remove(mg, msp);
1403
1404         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1405
1406         VERIFY(msp->ms_group == NULL);
1407         vdev_space_update(mg->mg_vd, -space_map_allocated(msp->ms_sm),
1408             0, -msp->ms_size);
1409         space_map_close(msp->ms_sm);
1410
1411         metaslab_unload(msp);
1412         range_tree_destroy(msp->ms_tree);
1413
1414         for (int t = 0; t < TXG_SIZE; t++) {
1415                 range_tree_destroy(msp->ms_alloctree[t]);
1416                 range_tree_destroy(msp->ms_freetree[t]);
1417         }
1418
1419         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
1420                 range_tree_destroy(msp->ms_defertree[t]);
1421         }
1422
1423         ASSERT0(msp->ms_deferspace);
1424
1425         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1426         cv_destroy(&msp->ms_load_cv);
1427         mutex_destroy(&msp->ms_lock);
1428
1429         kmem_free(msp, sizeof (metaslab_t));
1430 }
1431
1432 #define FRAGMENTATION_TABLE_SIZE        17
1433
1434 /*
1435  * This table defines a segment size based fragmentation metric that will
1436  * allow each metaslab to derive its own fragmentation value. This is done
1437  * by calculating the space in each bucket of the spacemap histogram and
1438  * multiplying that by the fragmetation metric in this table. Doing
1439  * this for all buckets and dividing it by the total amount of free
1440  * space in this metaslab (i.e. the total free space in all buckets) gives
1441  * us the fragmentation metric. This means that a high fragmentation metric
1442  * equates to most of the free space being comprised of small segments.
1443  * Conversely, if the metric is low, then most of the free space is in
1444  * large segments. A 10% change in fragmentation equates to approximately
1445  * double the number of segments.
1446  *
1447  * This table defines 0% fragmented space using 16MB segments. Testing has
1448  * shown that segments that are greater than or equal to 16MB do not suffer
1449  * from drastic performance problems. Using this value, we derive the rest
1450  * of the table. Since the fragmentation value is never stored on disk, it
1451  * is possible to change these calculations in the future.
1452  */
1453 int zfs_frag_table[FRAGMENTATION_TABLE_SIZE] = {
1454         100,    /* 512B */
1455         100,    /* 1K   */
1456         98,     /* 2K   */
1457         95,     /* 4K   */
1458         90,     /* 8K   */
1459         80,     /* 16K  */
1460         70,     /* 32K  */
1461         60,     /* 64K  */
1462         50,     /* 128K */
1463         40,     /* 256K */
1464         30,     /* 512K */
1465         20,     /* 1M   */
1466         15,     /* 2M   */
1467         10,     /* 4M   */
1468         5,      /* 8M   */
1469         0       /* 16M  */
1470 };
1471
1472 /*
1473  * Calclate the metaslab's fragmentation metric. A return value
1474  * of ZFS_FRAG_INVALID means that the metaslab has not been upgraded and does
1475  * not support this metric. Otherwise, the return value should be in the
1476  * range [0, 100].
1477  */
1478 static uint64_t
1479 metaslab_fragmentation(metaslab_t *msp)
1480 {
1481         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
1482         uint64_t fragmentation = 0;
1483         uint64_t total = 0;
1484         boolean_t feature_enabled = spa_feature_is_enabled(spa,
1485             SPA_FEATURE_SPACEMAP_HISTOGRAM);
1486
1487         if (!feature_enabled)
1488                 return (ZFS_FRAG_INVALID);
1489
1490         /*
1491          * A null space map means that the entire metaslab is free
1492          * and thus is not fragmented.
1493          */
1494         if (msp->ms_sm == NULL)
1495                 return (0);
1496
1497         /*
1498          * If this metaslab's space_map has not been upgraded, flag it
1499          * so that we upgrade next time we encounter it.
1500          */
1501         if (msp->ms_sm->sm_dbuf->db_size != sizeof (space_map_phys_t)) {
1502                 uint64_t txg = spa_syncing_txg(spa);
1503                 vdev_t *vd = msp->ms_group->mg_vd;
1504
1505                 if (spa_writeable(spa)) {
1506                         msp->ms_condense_wanted = B_TRUE;
1507                         vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg + 1);
1508                         spa_dbgmsg(spa, "txg %llu, requesting force condense: "
1509                             "msp %p, vd %p", txg, msp, vd);
1510                 }
1511                 return (ZFS_FRAG_INVALID);
1512         }
1513
1514         for (int i = 0; i < SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE; i++) {
1515                 uint64_t space = 0;
1516                 uint8_t shift = msp->ms_sm->sm_shift;
1517                 int idx = MIN(shift - SPA_MINBLOCKSHIFT + i,
1518                     FRAGMENTATION_TABLE_SIZE - 1);
1519
1520                 if (msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i] == 0)
1521                         continue;
1522
1523                 space = msp->ms_sm->sm_phys->smp_histogram[i] << (i + shift);
1524                 total += space;
1525
1526                 ASSERT3U(idx, <, FRAGMENTATION_TABLE_SIZE);
1527                 fragmentation += space * zfs_frag_table[idx];
1528         }
1529
1530         if (total > 0)
1531                 fragmentation /= total;
1532         ASSERT3U(fragmentation, <=, 100);
1533         return (fragmentation);
1534 }
1535
1536 /*
1537  * Compute a weight -- a selection preference value -- for the given metaslab.
1538  * This is based on the amount of free space, the level of fragmentation,
1539  * the LBA range, and whether the metaslab is loaded.
1540  */
1541 static uint64_t
1542 metaslab_weight(metaslab_t *msp)
1543 {
1544         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
1545         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
1546         uint64_t weight, space;
1547
1548         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1549
1550         /*
1551          * This vdev is in the process of being removed so there is nothing
1552          * for us to do here.
1553          */
1554         if (vd->vdev_removing) {
1555                 ASSERT0(space_map_allocated(msp->ms_sm));
1556                 ASSERT0(vd->vdev_ms_shift);
1557                 return (0);
1558         }
1559
1560         /*
1561          * The baseline weight is the metaslab's free space.
1562          */
1563         space = msp->ms_size - space_map_allocated(msp->ms_sm);
1564
1565         msp->ms_fragmentation = metaslab_fragmentation(msp);
1566         if (metaslab_fragmentation_factor_enabled &&
1567             msp->ms_fragmentation != ZFS_FRAG_INVALID) {
1568                 /*
1569                  * Use the fragmentation information to inversely scale
1570                  * down the baseline weight. We need to ensure that we
1571                  * don't exclude this metaslab completely when it's 100%
1572                  * fragmented. To avoid this we reduce the fragmented value
1573                  * by 1.
1574                  */
1575                 space = (space * (100 - (msp->ms_fragmentation - 1))) / 100;
1576
1577                 /*
1578                  * If space < SPA_MINBLOCKSIZE, then we will not allocate from
1579                  * this metaslab again. The fragmentation metric may have
1580                  * decreased the space to something smaller than
1581                  * SPA_MINBLOCKSIZE, so reset the space to SPA_MINBLOCKSIZE
1582                  * so that we can consume any remaining space.
1583                  */
1584                 if (space > 0 && space < SPA_MINBLOCKSIZE)
1585                         space = SPA_MINBLOCKSIZE;
1586         }
1587         weight = space;
1588
1589         /*
1590          * Modern disks have uniform bit density and constant angular velocity.
1591          * Therefore, the outer recording zones are faster (higher bandwidth)
1592          * than the inner zones by the ratio of outer to inner track diameter,
1593          * which is typically around 2:1.  We account for this by assigning
1594          * higher weight to lower metaslabs (multiplier ranging from 2x to 1x).
1595          * In effect, this means that we'll select the metaslab with the most
1596          * free bandwidth rather than simply the one with the most free space.
1597          */
1598         if (metaslab_lba_weighting_enabled) {
1599                 weight = 2 * weight - (msp->ms_id * weight) / vd->vdev_ms_count;
1600                 ASSERT(weight >= space && weight <= 2 * space);
1601         }
1602
1603         /*
1604          * If this metaslab is one we're actively using, adjust its
1605          * weight to make it preferable to any inactive metaslab so
1606          * we'll polish it off. If the fragmentation on this metaslab
1607          * has exceed our threshold, then don't mark it active.
1608          */
1609         if (msp->ms_loaded && msp->ms_fragmentation != ZFS_FRAG_INVALID &&
1610             msp->ms_fragmentation <= zfs_metaslab_fragmentation_threshold) {
1611                 weight |= (msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
1612         }
1613
1614         return (weight);
1615 }
1616
1617 static int
1618 metaslab_activate(metaslab_t *msp, uint64_t activation_weight)
1619 {
1620         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1621
1622         if ((msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) == 0) {
1623                 metaslab_load_wait(msp);
1624                 if (!msp->ms_loaded) {
1625                         int error = metaslab_load(msp);
1626                         if (error) {
1627                                 metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp, 0);
1628                                 return (error);
1629                         }
1630                 }
1631
1632                 metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp,
1633                     msp->ms_weight | activation_weight);
1634         }
1635         ASSERT(msp->ms_loaded);
1636         ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
1637
1638         return (0);
1639 }
1640
1641 static void
1642 metaslab_passivate(metaslab_t *msp, uint64_t size)
1643 {
1644         /*
1645          * If size < SPA_MINBLOCKSIZE, then we will not allocate from
1646          * this metaslab again.  In that case, it had better be empty,
1647          * or we would be leaving space on the table.
1648          */
1649         ASSERT(size >= SPA_MINBLOCKSIZE || range_tree_space(msp->ms_tree) == 0);
1650         metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp, MIN(msp->ms_weight, size));
1651         ASSERT((msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) == 0);
1652 }
1653
1654 static void
1655 metaslab_preload(void *arg)
1656 {
1657         metaslab_t *msp = arg;
1658         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
1659
1660         ASSERT(!MUTEX_HELD(&msp->ms_group->mg_lock));
1661
1662         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1663         metaslab_load_wait(msp);
1664         if (!msp->ms_loaded)
1665                 (void) metaslab_load(msp);
1666
1667         /*
1668          * Set the ms_access_txg value so that we don't unload it right away.
1669          */
1670         msp->ms_access_txg = spa_syncing_txg(spa) + metaslab_unload_delay + 1;
1671         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1672 }
1673
1674 static void
1675 metaslab_group_preload(metaslab_group_t *mg)
1676 {
1677         spa_t *spa = mg->mg_vd->vdev_spa;
1678         metaslab_t *msp;
1679         avl_tree_t *t = &mg->mg_metaslab_tree;
1680         int m = 0;
1681
1682         if (spa_shutting_down(spa) || !metaslab_preload_enabled) {
1683                 taskq_wait(mg->mg_taskq);
1684                 return;
1685         }
1686
1687         mutex_enter(&mg->mg_lock);
1688         /*
1689          * Load the next potential metaslabs
1690          */
1691         msp = avl_first(t);
1692         while (msp != NULL) {
1693                 metaslab_t *msp_next = AVL_NEXT(t, msp);
1694
1695                 /*
1696                  * We preload only the maximum number of metaslabs specified
1697                  * by metaslab_preload_limit. If a metaslab is being forced
1698                  * to condense then we preload it too. This will ensure
1699                  * that force condensing happens in the next txg.
1700                  */
1701                 if (++m > metaslab_preload_limit && !msp->ms_condense_wanted) {
1702                         msp = msp_next;
1703                         continue;
1704                 }
1705
1706                 /*
1707                  * We must drop the metaslab group lock here to preserve
1708                  * lock ordering with the ms_lock (when grabbing both
1709                  * the mg_lock and the ms_lock, the ms_lock must be taken
1710                  * first).  As a result, it is possible that the ordering
1711                  * of the metaslabs within the avl tree may change before
1712                  * we reacquire the lock. The metaslab cannot be removed from
1713                  * the tree while we're in syncing context so it is safe to
1714                  * drop the mg_lock here. If the metaslabs are reordered
1715                  * nothing will break -- we just may end up loading a
1716                  * less than optimal one.
1717                  */
1718                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
1719                 VERIFY(taskq_dispatch(mg->mg_taskq, metaslab_preload,
1720                     msp, TQ_SLEEP) != 0);
1721                 mutex_enter(&mg->mg_lock);
1722                 msp = msp_next;
1723         }
1724         mutex_exit(&mg->mg_lock);
1725 }
1726
1727 /*
1728  * Determine if the space map's on-disk footprint is past our tolerance
1729  * for inefficiency. We would like to use the following criteria to make
1730  * our decision:
1731  *
1732  * 1. The size of the space map object should not dramatically increase as a
1733  * result of writing out the free space range tree.
1734  *
1735  * 2. The minimal on-disk space map representation is zfs_condense_pct/100
1736  * times the size than the free space range tree representation
1737  * (i.e. zfs_condense_pct = 110 and in-core = 1MB, minimal = 1.1.MB).
1738  *
1739  * 3. The on-disk size of the space map should actually decrease.
1740  *
1741  * Checking the first condition is tricky since we don't want to walk
1742  * the entire AVL tree calculating the estimated on-disk size. Instead we
1743  * use the size-ordered range tree in the metaslab and calculate the
1744  * size required to write out the largest segment in our free tree. If the
1745  * size required to represent that segment on disk is larger than the space
1746  * map object then we avoid condensing this map.
1747  *
1748  * To determine the second criterion we use a best-case estimate and assume
1749  * each segment can be represented on-disk as a single 64-bit entry. We refer
1750  * to this best-case estimate as the space map's minimal form.
1751  *
1752  * Unfortunately, we cannot compute the on-disk size of the space map in this
1753  * context because we cannot accurately compute the effects of compression, etc.
1754  * Instead, we apply the heuristic described in the block comment for
1755  * zfs_metaslab_condense_block_threshold - we only condense if the space used
1756  * is greater than a threshold number of blocks.
1757  */
1758 static boolean_t
1759 metaslab_should_condense(metaslab_t *msp)
1760 {
1761         space_map_t *sm = msp->ms_sm;
1762         range_seg_t *rs;
1763         uint64_t size, entries, segsz, object_size, optimal_size, record_size;
1764         dmu_object_info_t doi;
1765         uint64_t vdev_blocksize = 1 << msp->ms_group->mg_vd->vdev_ashift;
1766
1767         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1768         ASSERT(msp->ms_loaded);
1769
1770         /*
1771          * Use the ms_size_tree range tree, which is ordered by size, to
1772          * obtain the largest segment in the free tree. We always condense
1773          * metaslabs that are empty and metaslabs for which a condense
1774          * request has been made.
1775          */
1776         rs = avl_last(&msp->ms_size_tree);
1777         if (rs == NULL || msp->ms_condense_wanted)
1778                 return (B_TRUE);
1779
1780         /*
1781          * Calculate the number of 64-bit entries this segment would
1782          * require when written to disk. If this single segment would be
1783          * larger on-disk than the entire current on-disk structure, then
1784          * clearly condensing will increase the on-disk structure size.
1785          */
1786         size = (rs->rs_end - rs->rs_start) >> sm->sm_shift;
1787         entries = size / (MIN(size, SM_RUN_MAX));
1788         segsz = entries * sizeof (uint64_t);
1789
1790         optimal_size = sizeof (uint64_t) * avl_numnodes(&msp->ms_tree->rt_root);
1791         object_size = space_map_length(msp->ms_sm);
1792
1793         dmu_object_info_from_db(sm->sm_dbuf, &doi);
1794         record_size = MAX(doi.doi_data_block_size, vdev_blocksize);
1795
1796         return (segsz <= object_size &&
1797             object_size >= (optimal_size * zfs_condense_pct / 100) &&
1798             object_size > zfs_metaslab_condense_block_threshold * record_size);
1799 }
1800
1801 /*
1802  * Condense the on-disk space map representation to its minimized form.
1803  * The minimized form consists of a small number of allocations followed by
1804  * the entries of the free range tree.
1805  */
1806 static void
1807 metaslab_condense(metaslab_t *msp, uint64_t txg, dmu_tx_t *tx)
1808 {
1809         spa_t *spa = msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa;
1810         range_tree_t *freetree = msp->ms_freetree[txg & TXG_MASK];
1811         range_tree_t *condense_tree;
1812         space_map_t *sm = msp->ms_sm;
1813
1814         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
1815         ASSERT3U(spa_sync_pass(spa), ==, 1);
1816         ASSERT(msp->ms_loaded);
1817
1818
1819         spa_dbgmsg(spa, "condensing: txg %llu, msp[%llu] %p, vdev id %llu, "
1820             "spa %s, smp size %llu, segments %lu, forcing condense=%s", txg,
1821             msp->ms_id, msp, msp->ms_group->mg_vd->vdev_id,
1822             msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa->spa_name,
1823             space_map_length(msp->ms_sm), avl_numnodes(&msp->ms_tree->rt_root),
1824             msp->ms_condense_wanted ? "TRUE" : "FALSE");
1825
1826         msp->ms_condense_wanted = B_FALSE;
1827
1828         /*
1829          * Create an range tree that is 100% allocated. We remove segments
1830          * that have been freed in this txg, any deferred frees that exist,
1831          * and any allocation in the future. Removing segments should be
1832          * a relatively inexpensive operation since we expect these trees to
1833          * have a small number of nodes.
1834          */
1835         condense_tree = range_tree_create(NULL, NULL, &msp->ms_lock);
1836         range_tree_add(condense_tree, msp->ms_start, msp->ms_size);
1837
1838         /*
1839          * Remove what's been freed in this txg from the condense_tree.
1840          * Since we're in sync_pass 1, we know that all the frees from
1841          * this txg are in the freetree.
1842          */
1843         range_tree_walk(freetree, range_tree_remove, condense_tree);
1844
1845         for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
1846                 range_tree_walk(msp->ms_defertree[t],
1847                     range_tree_remove, condense_tree);
1848         }
1849
1850         for (int t = 1; t < TXG_CONCURRENT_STATES; t++) {
1851                 range_tree_walk(msp->ms_alloctree[(txg + t) & TXG_MASK],
1852                     range_tree_remove, condense_tree);
1853         }
1854
1855         /*
1856          * We're about to drop the metaslab's lock thus allowing
1857          * other consumers to change it's content. Set the
1858          * metaslab's ms_condensing flag to ensure that
1859          * allocations on this metaslab do not occur while we're
1860          * in the middle of committing it to disk. This is only critical
1861          * for the ms_tree as all other range trees use per txg
1862          * views of their content.
1863          */
1864         msp->ms_condensing = B_TRUE;
1865
1866         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1867         space_map_truncate(sm, tx);
1868         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1869
1870         /*
1871          * While we would ideally like to create a space_map representation
1872          * that consists only of allocation records, doing so can be
1873          * prohibitively expensive because the in-core free tree can be
1874          * large, and therefore computationally expensive to subtract
1875          * from the condense_tree. Instead we sync out two trees, a cheap
1876          * allocation only tree followed by the in-core free tree. While not
1877          * optimal, this is typically close to optimal, and much cheaper to
1878          * compute.
1879          */
1880         space_map_write(sm, condense_tree, SM_ALLOC, tx);
1881         range_tree_vacate(condense_tree, NULL, NULL);
1882         range_tree_destroy(condense_tree);
1883
1884         space_map_write(sm, msp->ms_tree, SM_FREE, tx);
1885         msp->ms_condensing = B_FALSE;
1886 }
1887
1888 /*
1889  * Write a metaslab to disk in the context of the specified transaction group.
1890  */
1891 void
1892 metaslab_sync(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
1893 {
1894         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
1895         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
1896         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
1897         objset_t *mos = spa_meta_objset(spa);
1898         range_tree_t *alloctree = msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK];
1899         range_tree_t **freetree = &msp->ms_freetree[txg & TXG_MASK];
1900         range_tree_t **freed_tree =
1901             &msp->ms_freetree[TXG_CLEAN(txg) & TXG_MASK];
1902         dmu_tx_t *tx;
1903         uint64_t object = space_map_object(msp->ms_sm);
1904
1905         ASSERT(!vd->vdev_ishole);
1906
1907         /*
1908          * This metaslab has just been added so there's no work to do now.
1909          */
1910         if (*freetree == NULL) {
1911                 ASSERT3P(alloctree, ==, NULL);
1912                 return;
1913         }
1914
1915         ASSERT3P(alloctree, !=, NULL);
1916         ASSERT3P(*freetree, !=, NULL);
1917         ASSERT3P(*freed_tree, !=, NULL);
1918
1919         /*
1920          * Normally, we don't want to process a metaslab if there
1921          * are no allocations or frees to perform. However, if the metaslab
1922          * is being forced to condense we need to let it through.
1923          */
1924         if (range_tree_space(alloctree) == 0 &&
1925             range_tree_space(*freetree) == 0 &&
1926             !msp->ms_condense_wanted)
1927                 return;
1928
1929         /*
1930          * The only state that can actually be changing concurrently with
1931          * metaslab_sync() is the metaslab's ms_tree.  No other thread can
1932          * be modifying this txg's alloctree, freetree, freed_tree, or
1933          * space_map_phys_t. Therefore, we only hold ms_lock to satify
1934          * space_map ASSERTs. We drop it whenever we call into the DMU,
1935          * because the DMU can call down to us (e.g. via zio_free()) at
1936          * any time.
1937          */
1938
1939         tx = dmu_tx_create_assigned(spa_get_dsl(spa), txg);
1940
1941         if (msp->ms_sm == NULL) {
1942                 uint64_t new_object;
1943
1944                 new_object = space_map_alloc(mos, tx);
1945                 VERIFY3U(new_object, !=, 0);
1946
1947                 VERIFY0(space_map_open(&msp->ms_sm, mos, new_object,
1948                     msp->ms_start, msp->ms_size, vd->vdev_ashift,
1949                     &msp->ms_lock));
1950                 ASSERT(msp->ms_sm != NULL);
1951         }
1952
1953         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1954
1955         /*
1956          * Note: metaslab_condense() clears the space_map's histogram.
1957          * Therefore we must verify and remove this histogram before
1958          * condensing.
1959          */
1960         metaslab_group_histogram_verify(mg);
1961         metaslab_class_histogram_verify(mg->mg_class);
1962         metaslab_group_histogram_remove(mg, msp);
1963
1964         if (msp->ms_loaded && spa_sync_pass(spa) == 1 &&
1965             metaslab_should_condense(msp)) {
1966                 metaslab_condense(msp, txg, tx);
1967         } else {
1968                 space_map_write(msp->ms_sm, alloctree, SM_ALLOC, tx);
1969                 space_map_write(msp->ms_sm, *freetree, SM_FREE, tx);
1970         }
1971
1972         if (msp->ms_loaded) {
1973                 /*
1974                  * When the space map is loaded, we have an accruate
1975                  * histogram in the range tree. This gives us an opportunity
1976                  * to bring the space map's histogram up-to-date so we clear
1977                  * it first before updating it.
1978                  */
1979                 space_map_histogram_clear(msp->ms_sm);
1980                 space_map_histogram_add(msp->ms_sm, msp->ms_tree, tx);
1981         } else {
1982                 /*
1983                  * Since the space map is not loaded we simply update the
1984                  * exisiting histogram with what was freed in this txg. This
1985                  * means that the on-disk histogram may not have an accurate
1986                  * view of the free space but it's close enough to allow
1987                  * us to make allocation decisions.
1988                  */
1989                 space_map_histogram_add(msp->ms_sm, *freetree, tx);
1990         }
1991         metaslab_group_histogram_add(mg, msp);
1992         metaslab_group_histogram_verify(mg);
1993         metaslab_class_histogram_verify(mg->mg_class);
1994
1995         /*
1996          * For sync pass 1, we avoid traversing this txg's free range tree
1997          * and instead will just swap the pointers for freetree and
1998          * freed_tree. We can safely do this since the freed_tree is
1999          * guaranteed to be empty on the initial pass.
2000          */
2001         if (spa_sync_pass(spa) == 1) {
2002                 range_tree_swap(freetree, freed_tree);
2003         } else {
2004                 range_tree_vacate(*freetree, range_tree_add, *freed_tree);
2005         }
2006         range_tree_vacate(alloctree, NULL, NULL);
2007
2008         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK]));
2009         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freetree[txg & TXG_MASK]));
2010
2011         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2012
2013         if (object != space_map_object(msp->ms_sm)) {
2014                 object = space_map_object(msp->ms_sm);
2015                 dmu_write(mos, vd->vdev_ms_array, sizeof (uint64_t) *
2016                     msp->ms_id, sizeof (uint64_t), &object, tx);
2017         }
2018         dmu_tx_commit(tx);
2019 }
2020
2021 /*
2022  * Called after a transaction group has completely synced to mark
2023  * all of the metaslab's free space as usable.
2024  */
2025 void
2026 metaslab_sync_done(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
2027 {
2028         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
2029         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
2030         range_tree_t **freed_tree;
2031         range_tree_t **defer_tree;
2032         int64_t alloc_delta, defer_delta;
2033
2034         ASSERT(!vd->vdev_ishole);
2035
2036         mutex_enter(&msp->ms_lock);
2037
2038         /*
2039          * If this metaslab is just becoming available, initialize its
2040          * alloctrees, freetrees, and defertree and add its capacity to
2041          * the vdev.
2042          */
2043         if (msp->ms_freetree[TXG_CLEAN(txg) & TXG_MASK] == NULL) {
2044                 for (int t = 0; t < TXG_SIZE; t++) {
2045                         ASSERT(msp->ms_alloctree[t] == NULL);
2046                         ASSERT(msp->ms_freetree[t] == NULL);
2047
2048                         msp->ms_alloctree[t] = range_tree_create(NULL, msp,
2049                             &msp->ms_lock);
2050                         msp->ms_freetree[t] = range_tree_create(NULL, msp,
2051                             &msp->ms_lock);
2052                 }
2053
2054                 for (int t = 0; t < TXG_DEFER_SIZE; t++) {
2055                         ASSERT(msp->ms_defertree[t] == NULL);
2056
2057                         msp->ms_defertree[t] = range_tree_create(NULL, msp,
2058                             &msp->ms_lock);
2059                 }
2060
2061                 vdev_space_update(vd, 0, 0, msp->ms_size);
2062         }
2063
2064         freed_tree = &msp->ms_freetree[TXG_CLEAN(txg) & TXG_MASK];
2065         defer_tree = &msp->ms_defertree[txg % TXG_DEFER_SIZE];
2066
2067         alloc_delta = space_map_alloc_delta(msp->ms_sm);
2068         defer_delta = range_tree_space(*freed_tree) -
2069             range_tree_space(*defer_tree);
2070
2071         vdev_space_update(vd, alloc_delta + defer_delta, defer_delta, 0);
2072
2073         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK]));
2074         ASSERT0(range_tree_space(msp->ms_freetree[txg & TXG_MASK]));
2075
2076         /*
2077          * If there's a metaslab_load() in progress, wait for it to complete
2078          * so that we have a consistent view of the in-core space map.
2079          */
2080         metaslab_load_wait(msp);
2081
2082         /*
2083          * Move the frees from the defer_tree back to the free
2084          * range tree (if it's loaded). Swap the freed_tree and the
2085          * defer_tree -- this is safe to do because we've just emptied out
2086          * the defer_tree.
2087          */
2088         range_tree_vacate(*defer_tree,
2089             msp->ms_loaded ? range_tree_add : NULL, msp->ms_tree);
2090         range_tree_swap(freed_tree, defer_tree);
2091
2092         space_map_update(msp->ms_sm);
2093
2094         msp->ms_deferspace += defer_delta;
2095         ASSERT3S(msp->ms_deferspace, >=, 0);
2096         ASSERT3S(msp->ms_deferspace, <=, msp->ms_size);
2097         if (msp->ms_deferspace != 0) {
2098                 /*
2099                  * Keep syncing this metaslab until all deferred frees
2100                  * are back in circulation.
2101                  */
2102                 vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg + 1);
2103         }
2104
2105         if (msp->ms_loaded && msp->ms_access_txg < txg) {
2106                 for (int t = 1; t < TXG_CONCURRENT_STATES; t++) {
2107                         VERIFY0(range_tree_space(
2108                             msp->ms_alloctree[(txg + t) & TXG_MASK]));
2109                 }
2110
2111                 if (!metaslab_debug_unload)
2112                         metaslab_unload(msp);
2113         }
2114
2115         metaslab_group_sort(mg, msp, metaslab_weight(msp));
2116         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2117 }
2118
2119 void
2120 metaslab_sync_reassess(metaslab_group_t *mg)
2121 {
2122         metaslab_group_alloc_update(mg);
2123         mg->mg_fragmentation = metaslab_group_fragmentation(mg);
2124
2125         /*
2126          * Preload the next potential metaslabs
2127          */
2128         metaslab_group_preload(mg);
2129 }
2130
2131 static uint64_t
2132 metaslab_distance(metaslab_t *msp, dva_t *dva)
2133 {
2134         uint64_t ms_shift = msp->ms_group->mg_vd->vdev_ms_shift;
2135         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva) >> ms_shift;
2136         uint64_t start = msp->ms_id;
2137
2138         if (msp->ms_group->mg_vd->vdev_id != DVA_GET_VDEV(dva))
2139                 return (1ULL << 63);
2140
2141         if (offset < start)
2142                 return ((start - offset) << ms_shift);
2143         if (offset > start)
2144                 return ((offset - start) << ms_shift);
2145         return (0);
2146 }
2147
2148 static uint64_t
2149 metaslab_group_alloc(metaslab_group_t *mg, uint64_t psize, uint64_t asize,
2150     uint64_t txg, uint64_t min_distance, dva_t *dva, int d)
2151 {
2152         spa_t *spa = mg->mg_vd->vdev_spa;
2153         metaslab_t *msp = NULL;
2154         uint64_t offset = -1ULL;
2155         avl_tree_t *t = &mg->mg_metaslab_tree;
2156         uint64_t activation_weight;
2157         uint64_t target_distance;
2158         int i;
2159
2160         activation_weight = METASLAB_WEIGHT_PRIMARY;
2161         for (i = 0; i < d; i++) {
2162                 if (DVA_GET_VDEV(&dva[i]) == mg->mg_vd->vdev_id) {
2163                         activation_weight = METASLAB_WEIGHT_SECONDARY;
2164                         break;
2165                 }
2166         }
2167
2168         for (;;) {
2169                 boolean_t was_active;
2170
2171                 mutex_enter(&mg->mg_lock);
2172                 for (msp = avl_first(t); msp; msp = AVL_NEXT(t, msp)) {
2173                         if (msp->ms_weight < asize) {
2174                                 spa_dbgmsg(spa, "%s: failed to meet weight "
2175                                     "requirement: vdev %llu, txg %llu, mg %p, "
2176                                     "msp %p, psize %llu, asize %llu, "
2177                                     "weight %llu", spa_name(spa),
2178                                     mg->mg_vd->vdev_id, txg,
2179                                     mg, msp, psize, asize, msp->ms_weight);
2180                                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
2181                                 return (-1ULL);
2182                         }
2183
2184                         /*
2185                          * If the selected metaslab is condensing, skip it.
2186                          */
2187                         if (msp->ms_condensing)
2188                                 continue;
2189
2190                         was_active = msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK;
2191                         if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY)
2192                                 break;
2193
2194                         target_distance = min_distance +
2195                             (space_map_allocated(msp->ms_sm) != 0 ? 0 :
2196                             min_distance >> 1);
2197
2198                         for (i = 0; i < d; i++)
2199                                 if (metaslab_distance(msp, &dva[i]) <
2200                                     target_distance)
2201                                         break;
2202                         if (i == d)
2203                                 break;
2204                 }
2205                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
2206                 if (msp == NULL)
2207                         return (-1ULL);
2208
2209                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
2210
2211                 /*
2212                  * Ensure that the metaslab we have selected is still
2213                  * capable of handling our request. It's possible that
2214                  * another thread may have changed the weight while we
2215                  * were blocked on the metaslab lock.
2216                  */
2217                 if (msp->ms_weight < asize || (was_active &&
2218                     !(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) &&
2219                     activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY)) {
2220                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2221                         continue;
2222                 }
2223
2224                 if ((msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_SECONDARY) &&
2225                     activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY) {
2226                         metaslab_passivate(msp,
2227                             msp->ms_weight & ~METASLAB_ACTIVE_MASK);
2228                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2229                         continue;
2230                 }
2231
2232                 if (metaslab_activate(msp, activation_weight) != 0) {
2233                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2234                         continue;
2235                 }
2236
2237                 /*
2238                  * If this metaslab is currently condensing then pick again as
2239                  * we can't manipulate this metaslab until it's committed
2240                  * to disk.
2241                  */
2242                 if (msp->ms_condensing) {
2243                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2244                         continue;
2245                 }
2246
2247                 if ((offset = metaslab_block_alloc(msp, asize)) != -1ULL)
2248                         break;
2249
2250                 metaslab_passivate(msp, metaslab_block_maxsize(msp));
2251                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
2252         }
2253
2254         if (range_tree_space(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK]) == 0)
2255                 vdev_dirty(mg->mg_vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
2256
2257         range_tree_add(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK], offset, asize);
2258         msp->ms_access_txg = txg + metaslab_unload_delay;
2259
2260         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2261
2262         return (offset);
2263 }
2264
2265 /*
2266  * Allocate a block for the specified i/o.
2267  */
2268 static int
2269 metaslab_alloc_dva(spa_t *spa, metaslab_class_t *mc, uint64_t psize,
2270     dva_t *dva, int d, dva_t *hintdva, uint64_t txg, int flags)
2271 {
2272         metaslab_group_t *mg, *rotor;
2273         vdev_t *vd;
2274         int dshift = 3;
2275         int all_zero;
2276         int zio_lock = B_FALSE;
2277         boolean_t allocatable;
2278         uint64_t offset = -1ULL;
2279         uint64_t asize;
2280         uint64_t distance;
2281
2282         ASSERT(!DVA_IS_VALID(&dva[d]));
2283
2284         /*
2285          * For testing, make some blocks above a certain size be gang blocks.
2286          */
2287         if (psize >= metaslab_gang_bang && (ddi_get_lbolt() & 3) == 0)
2288                 return (SET_ERROR(ENOSPC));
2289
2290         /*
2291          * Start at the rotor and loop through all mgs until we find something.
2292          * Note that there's no locking on mc_rotor or mc_aliquot because
2293          * nothing actually breaks if we miss a few updates -- we just won't
2294          * allocate quite as evenly.  It all balances out over time.
2295          *
2296          * If we are doing ditto or log blocks, try to spread them across
2297          * consecutive vdevs.  If we're forced to reuse a vdev before we've
2298          * allocated all of our ditto blocks, then try and spread them out on
2299          * that vdev as much as possible.  If it turns out to not be possible,
2300          * gradually lower our standards until anything becomes acceptable.
2301          * Also, allocating on consecutive vdevs (as opposed to random vdevs)
2302          * gives us hope of containing our fault domains to something we're
2303          * able to reason about.  Otherwise, any two top-level vdev failures
2304          * will guarantee the loss of data.  With consecutive allocation,
2305          * only two adjacent top-level vdev failures will result in data loss.
2306          *
2307          * If we are doing gang blocks (hintdva is non-NULL), try to keep
2308          * ourselves on the same vdev as our gang block header.  That
2309          * way, we can hope for locality in vdev_cache, plus it makes our
2310          * fault domains something tractable.
2311          */
2312         if (hintdva) {
2313                 vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&hintdva[d]));
2314
2315                 /*
2316                  * It's possible the vdev we're using as the hint no
2317                  * longer exists (i.e. removed). Consult the rotor when
2318                  * all else fails.
2319                  */
2320                 if (vd != NULL) {
2321                         mg = vd->vdev_mg;
2322
2323                         if (flags & METASLAB_HINTBP_AVOID &&
2324                             mg->mg_next != NULL)
2325                                 mg = mg->mg_next;
2326                 } else {
2327                         mg = mc->mc_rotor;
2328                 }
2329         } else if (d != 0) {
2330                 vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&dva[d - 1]));
2331                 mg = vd->vdev_mg->mg_next;
2332         } else {
2333                 mg = mc->mc_rotor;
2334         }
2335
2336         /*
2337          * If the hint put us into the wrong metaslab class, or into a
2338          * metaslab group that has been passivated, just follow the rotor.
2339          */
2340         if (mg->mg_class != mc || mg->mg_activation_count <= 0)
2341                 mg = mc->mc_rotor;
2342
2343         rotor = mg;
2344 top:
2345         all_zero = B_TRUE;
2346         do {
2347                 ASSERT(mg->mg_activation_count == 1);
2348
2349                 vd = mg->mg_vd;
2350
2351                 /*
2352                  * Don't allocate from faulted devices.
2353                  */
2354                 if (zio_lock) {
2355                         spa_config_enter(spa, SCL_ZIO, FTAG, RW_READER);
2356                         allocatable = vdev_allocatable(vd);
2357                         spa_config_exit(spa, SCL_ZIO, FTAG);
2358                 } else {
2359                         allocatable = vdev_allocatable(vd);
2360                 }
2361
2362                 /*
2363                  * Determine if the selected metaslab group is eligible
2364                  * for allocations. If we're ganging or have requested
2365                  * an allocation for the smallest gang block size
2366                  * then we don't want to avoid allocating to the this
2367                  * metaslab group. If we're in this condition we should
2368                  * try to allocate from any device possible so that we
2369                  * don't inadvertently return ENOSPC and suspend the pool
2370                  * even though space is still available.
2371                  */
2372                 if (allocatable && CAN_FASTGANG(flags) &&
2373                     psize > SPA_GANGBLOCKSIZE)
2374                         allocatable = metaslab_group_allocatable(mg);
2375
2376                 if (!allocatable)
2377                         goto next;
2378
2379                 /*
2380                  * Avoid writing single-copy data to a failing vdev
2381                  * unless the user instructs us that it is okay.
2382                  */
2383                 if ((vd->vdev_stat.vs_write_errors > 0 ||
2384                     vd->vdev_state < VDEV_STATE_HEALTHY) &&
2385                     d == 0 && dshift == 3 && vd->vdev_children == 0) {
2386                         all_zero = B_FALSE;
2387                         goto next;
2388                 }
2389
2390                 ASSERT(mg->mg_class == mc);
2391
2392                 distance = vd->vdev_asize >> dshift;
2393                 if (distance <= (1ULL << vd->vdev_ms_shift))
2394                         distance = 0;
2395                 else
2396                         all_zero = B_FALSE;
2397
2398                 asize = vdev_psize_to_asize(vd, psize);
2399                 ASSERT(P2PHASE(asize, 1ULL << vd->vdev_ashift) == 0);
2400
2401                 offset = metaslab_group_alloc(mg, psize, asize, txg, distance,
2402                     dva, d);
2403                 if (offset != -1ULL) {
2404                         /*
2405                          * If we've just selected this metaslab group,
2406                          * figure out whether the corresponding vdev is
2407                          * over- or under-used relative to the pool,
2408                          * and set an allocation bias to even it out.
2409                          */
2410                         if (mc->mc_aliquot == 0 && metaslab_bias_enabled) {
2411                                 vdev_stat_t *vs = &vd->vdev_stat;
2412                                 int64_t vu, cu;
2413
2414                                 vu = (vs->vs_alloc * 100) / (vs->vs_space + 1);
2415                                 cu = (mc->mc_alloc * 100) / (mc->mc_space + 1);
2416
2417                                 /*
2418                                  * Calculate how much more or less we should
2419                                  * try to allocate from this device during
2420                                  * this iteration around the rotor.
2421                                  * For example, if a device is 80% full
2422                                  * and the pool is 20% full then we should
2423                                  * reduce allocations by 60% on this device.
2424                                  *
2425                                  * mg_bias = (20 - 80) * 512K / 100 = -307K
2426                                  *
2427                                  * This reduces allocations by 307K for this
2428                                  * iteration.
2429                                  */
2430                                 mg->mg_bias = ((cu - vu) *
2431                                     (int64_t)mg->mg_aliquot) / 100;
2432                         } else if (!metaslab_bias_enabled) {
2433                                 mg->mg_bias = 0;
2434                         }
2435
2436                         if (atomic_add_64_nv(&mc->mc_aliquot, asize) >=
2437                             mg->mg_aliquot + mg->mg_bias) {
2438                                 mc->mc_rotor = mg->mg_next;
2439                                 mc->mc_aliquot = 0;
2440                         }
2441
2442                         DVA_SET_VDEV(&dva[d], vd->vdev_id);
2443                         DVA_SET_OFFSET(&dva[d], offset);
2444                         DVA_SET_GANG(&dva[d], !!(flags & METASLAB_GANG_HEADER));
2445                         DVA_SET_ASIZE(&dva[d], asize);
2446
2447                         return (0);
2448                 }
2449 next:
2450                 mc->mc_rotor = mg->mg_next;
2451                 mc->mc_aliquot = 0;
2452         } while ((mg = mg->mg_next) != rotor);
2453
2454         if (!all_zero) {
2455                 dshift++;
2456                 ASSERT(dshift < 64);
2457                 goto top;
2458         }
2459
2460         if (!allocatable && !zio_lock) {
2461                 dshift = 3;
2462                 zio_lock = B_TRUE;
2463                 goto top;
2464         }
2465
2466         bzero(&dva[d], sizeof (dva_t));
2467
2468         return (SET_ERROR(ENOSPC));
2469 }
2470
2471 /*
2472  * Free the block represented by DVA in the context of the specified
2473  * transaction group.
2474  */
2475 static void
2476 metaslab_free_dva(spa_t *spa, const dva_t *dva, uint64_t txg, boolean_t now)
2477 {
2478         uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(dva);
2479         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
2480         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
2481         vdev_t *vd;
2482         metaslab_t *msp;
2483
2484         ASSERT(DVA_IS_VALID(dva));
2485
2486         if (txg > spa_freeze_txg(spa))
2487                 return;
2488
2489         if ((vd = vdev_lookup_top(spa, vdev)) == NULL ||
2490             (offset >> vd->vdev_ms_shift) >= vd->vdev_ms_count) {
2491                 cmn_err(CE_WARN, "metaslab_free_dva(): bad DVA %llu:%llu",
2492                     (u_longlong_t)vdev, (u_longlong_t)offset);
2493                 ASSERT(0);
2494                 return;
2495         }
2496
2497         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
2498
2499         if (DVA_GET_GANG(dva))
2500                 size = vdev_psize_to_asize(vd, SPA_GANGBLOCKSIZE);
2501
2502         mutex_enter(&msp->ms_lock);
2503
2504         if (now) {
2505                 range_tree_remove(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK],
2506                     offset, size);
2507
2508                 VERIFY(!msp->ms_condensing);
2509                 VERIFY3U(offset, >=, msp->ms_start);
2510                 VERIFY3U(offset + size, <=, msp->ms_start + msp->ms_size);
2511                 VERIFY3U(range_tree_space(msp->ms_tree) + size, <=,
2512                     msp->ms_size);
2513                 VERIFY0(P2PHASE(offset, 1ULL << vd->vdev_ashift));
2514                 VERIFY0(P2PHASE(size, 1ULL << vd->vdev_ashift));
2515                 range_tree_add(msp->ms_tree, offset, size);
2516         } else {
2517                 if (range_tree_space(msp->ms_freetree[txg & TXG_MASK]) == 0)
2518                         vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
2519                 range_tree_add(msp->ms_freetree[txg & TXG_MASK],
2520                     offset, size);
2521         }
2522
2523         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2524 }
2525
2526 /*
2527  * Intent log support: upon opening the pool after a crash, notify the SPA
2528  * of blocks that the intent log has allocated for immediate write, but
2529  * which are still considered free by the SPA because the last transaction
2530  * group didn't commit yet.
2531  */
2532 static int
2533 metaslab_claim_dva(spa_t *spa, const dva_t *dva, uint64_t txg)
2534 {
2535         uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(dva);
2536         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
2537         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
2538         vdev_t *vd;
2539         metaslab_t *msp;
2540         int error = 0;
2541
2542         ASSERT(DVA_IS_VALID(dva));
2543
2544         if ((vd = vdev_lookup_top(spa, vdev)) == NULL ||
2545             (offset >> vd->vdev_ms_shift) >= vd->vdev_ms_count)
2546                 return (SET_ERROR(ENXIO));
2547
2548         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
2549
2550         if (DVA_GET_GANG(dva))
2551                 size = vdev_psize_to_asize(vd, SPA_GANGBLOCKSIZE);
2552
2553         mutex_enter(&msp->ms_lock);
2554
2555         if ((txg != 0 && spa_writeable(spa)) || !msp->ms_loaded)
2556                 error = metaslab_activate(msp, METASLAB_WEIGHT_SECONDARY);
2557
2558         if (error == 0 && !range_tree_contains(msp->ms_tree, offset, size))
2559                 error = SET_ERROR(ENOENT);
2560
2561         if (error || txg == 0) {        /* txg == 0 indicates dry run */
2562                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
2563                 return (error);
2564         }
2565
2566         VERIFY(!msp->ms_condensing);
2567         VERIFY0(P2PHASE(offset, 1ULL << vd->vdev_ashift));
2568         VERIFY0(P2PHASE(size, 1ULL << vd->vdev_ashift));
2569         VERIFY3U(range_tree_space(msp->ms_tree) - size, <=, msp->ms_size);
2570         range_tree_remove(msp->ms_tree, offset, size);
2571
2572         if (spa_writeable(spa)) {       /* don't dirty if we're zdb(1M) */
2573                 if (range_tree_space(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK]) == 0)
2574                         vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
2575                 range_tree_add(msp->ms_alloctree[txg & TXG_MASK], offset, size);
2576         }
2577
2578         mutex_exit(&msp->ms_lock);
2579
2580         return (0);
2581 }
2582
2583 int
2584 metaslab_alloc(spa_t *spa, metaslab_class_t *mc, uint64_t psize, blkptr_t *bp,
2585     int ndvas, uint64_t txg, blkptr_t *hintbp, int flags)
2586 {
2587         dva_t *dva = bp->blk_dva;
2588         dva_t *hintdva = hintbp->blk_dva;
2589         int error = 0;
2590
2591         ASSERT(bp->blk_birth == 0);
2592         ASSERT(BP_PHYSICAL_BIRTH(bp) == 0);
2593
2594         spa_config_enter(spa, SCL_ALLOC, FTAG, RW_READER);
2595
2596         if (mc->mc_rotor == NULL) {     /* no vdevs in this class */
2597                 spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
2598                 return (SET_ERROR(ENOSPC));
2599         }
2600
2601         ASSERT(ndvas > 0 && ndvas <= spa_max_replication(spa));
2602         ASSERT(BP_GET_NDVAS(bp) == 0);
2603         ASSERT(hintbp == NULL || ndvas <= BP_GET_NDVAS(hintbp));
2604
2605         for (int d = 0; d < ndvas; d++) {
2606                 error = metaslab_alloc_dva(spa, mc, psize, dva, d, hintdva,
2607                     txg, flags);
2608                 if (error != 0) {
2609                         for (d--; d >= 0; d--) {
2610                                 metaslab_free_dva(spa, &dva[d], txg, B_TRUE);
2611                                 bzero(&dva[d], sizeof (dva_t));
2612                         }
2613                         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
2614                         return (error);
2615                 }
2616         }
2617         ASSERT(error == 0);
2618         ASSERT(BP_GET_NDVAS(bp) == ndvas);
2619
2620         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
2621
2622         BP_SET_BIRTH(bp, txg, txg);
2623
2624         return (0);
2625 }
2626
2627 void
2628 metaslab_free(spa_t *spa, const blkptr_t *bp, uint64_t txg, boolean_t now)
2629 {
2630         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
2631         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
2632
2633         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
2634         ASSERT(!now || bp->blk_birth >= spa_syncing_txg(spa));
2635
2636         spa_config_enter(spa, SCL_FREE, FTAG, RW_READER);
2637
2638         for (int d = 0; d < ndvas; d++)
2639                 metaslab_free_dva(spa, &dva[d], txg, now);
2640
2641         spa_config_exit(spa, SCL_FREE, FTAG);
2642 }
2643
2644 int
2645 metaslab_claim(spa_t *spa, const blkptr_t *bp, uint64_t txg)
2646 {
2647         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
2648         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
2649         int error = 0;
2650
2651         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
2652
2653         if (txg != 0) {
2654                 /*
2655                  * First do a dry run to make sure all DVAs are claimable,
2656                  * so we don't have to unwind from partial failures below.
2657                  */
2658                 if ((error = metaslab_claim(spa, bp, 0)) != 0)
2659                         return (error);
2660         }
2661
2662         spa_config_enter(spa, SCL_ALLOC, FTAG, RW_READER);
2663
2664         for (int d = 0; d < ndvas; d++)
2665                 if ((error = metaslab_claim_dva(spa, &dva[d], txg)) != 0)
2666                         break;
2667
2668         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
2669
2670         ASSERT(error == 0 || txg == 0);
2671
2672         return (error);
2673 }
2674
2675 void
2676 metaslab_check_free(spa_t *spa, const blkptr_t *bp)
2677 {
2678         if ((zfs_flags & ZFS_DEBUG_ZIO_FREE) == 0)
2679                 return;
2680
2681         spa_config_enter(spa, SCL_VDEV, FTAG, RW_READER);
2682         for (int i = 0; i < BP_GET_NDVAS(bp); i++) {
2683                 uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(&bp->blk_dva[i]);
2684                 vdev_t *vd = vdev_lookup_top(spa, vdev);
2685                 uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(&bp->blk_dva[i]);
2686                 uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(&bp->blk_dva[i]);
2687                 metaslab_t *msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
2688
2689                 if (msp->ms_loaded)
2690                         range_tree_verify(msp->ms_tree, offset, size);
2691
2692                 for (int j = 0; j < TXG_SIZE; j++)
2693                         range_tree_verify(msp->ms_freetree[j], offset, size);
2694                 for (int j = 0; j < TXG_DEFER_SIZE; j++)
2695                         range_tree_verify(msp->ms_defertree[j], offset, size);
2696         }
2697         spa_config_exit(spa, SCL_VDEV, FTAG);
2698 }