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

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