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 2009 Sun Microsystems, Inc.  All rights reserved.
  23  * Use is subject to license terms.
  24  */
  25
  26 #include <sys/zfs_context.h>
  27 #include <sys/spa_impl.h>
  28 #include <sys/dmu.h>
  29 #include <sys/dmu_tx.h>
  30 #include <sys/space_map.h>
  31 #include <sys/metaslab_impl.h>
  32 #include <sys/vdev_impl.h>
  33 #include <sys/zio.h>
  34
  35 uint64_t metaslab_aliquot = 512ULL << 10;
  36 uint64_t metaslab_gang_bang = SPA_MAXBLOCKSIZE + 1;     /* force gang blocks */
  37
  38 /*
  39  * Minimum size which forces the dynamic allocator to change
  40  * it's allocation strategy. Once the space map cannot satisfy
  41  * an allocation of this size then it switches to using more
  42  * aggressive strategy (i.e search by size rather than offset).
  43  */
  44 uint64_t metaslab_df_alloc_threshold = SPA_MAXBLOCKSIZE;
  45
  46 /*
  47  * The minimum free space, in percent, which must be available
  48  * in a space map to continue allocations in a first-fit fashion.
  49  * Once the space_map's free space drops below this level we dynamically
  50  * switch to using best-fit allocations.
  51  */
  52 int metaslab_df_free_pct = 30;
  53
  54 /*
  55  * ==========================================================================
  56  * Metaslab classes
  57  * ==========================================================================
  58  */
  59 metaslab_class_t *
  60 metaslab_class_create(space_map_ops_t *ops)
  61 {
  62         metaslab_class_t *mc;
  63
  64         mc = kmem_zalloc(sizeof (metaslab_class_t), KM_SLEEP);
  65
  66         mc->mc_rotor = NULL;
  67         mc->mc_ops = ops;
  68
  69         return (mc);
  70 }
  71
  72 void
  73 metaslab_class_destroy(metaslab_class_t *mc)
  74 {
  75         metaslab_group_t *mg;
  76
  77         while ((mg = mc->mc_rotor) != NULL) {
  78                 metaslab_class_remove(mc, mg);
  79                 metaslab_group_destroy(mg);
  80         }
  81
  82         kmem_free(mc, sizeof (metaslab_class_t));
  83 }
  84
  85 void
  86 metaslab_class_add(metaslab_class_t *mc, metaslab_group_t *mg)
  87 {
  88         metaslab_group_t *mgprev, *mgnext;
  89
  90         ASSERT(mg->mg_class == NULL);
  91
  92         if ((mgprev = mc->mc_rotor) == NULL) {
  93                 mg->mg_prev = mg;
  94                 mg->mg_next = mg;
  95         } else {
  96                 mgnext = mgprev->mg_next;
  97                 mg->mg_prev = mgprev;
  98                 mg->mg_next = mgnext;
  99                 mgprev->mg_next = mg;
 100                 mgnext->mg_prev = mg;
 101         }
 102         mc->mc_rotor = mg;
 103         mg->mg_class = mc;
 104 }
 105
 106 void
 107 metaslab_class_remove(metaslab_class_t *mc, metaslab_group_t *mg)
 108 {
 109         metaslab_group_t *mgprev, *mgnext;
 110
 111         ASSERT(mg->mg_class == mc);
 112
 113         mgprev = mg->mg_prev;
 114         mgnext = mg->mg_next;
 115
 116         if (mg == mgnext) {
 117                 mc->mc_rotor = NULL;
 118         } else {
 119                 mc->mc_rotor = mgnext;
 120                 mgprev->mg_next = mgnext;
 121                 mgnext->mg_prev = mgprev;
 122         }
 123
 124         mg->mg_prev = NULL;
 125         mg->mg_next = NULL;
 126         mg->mg_class = NULL;
 127 }
 128
 129 /*
 130  * ==========================================================================
 131  * Metaslab groups
 132  * ==========================================================================
 133  */
 134 static int
 135 metaslab_compare(const void *x1, const void *x2)
 136 {
 137         const metaslab_t *m1 = x1;
 138         const metaslab_t *m2 = x2;
 139
 140         if (m1->ms_weight < m2->ms_weight)
 141                 return (1);
 142         if (m1->ms_weight > m2->ms_weight)
 143                 return (-1);
 144
 145         /*
 146          * If the weights are identical, use the offset to force uniqueness.
 147          */
 148         if (m1->ms_map.sm_start < m2->ms_map.sm_start)
 149                 return (-1);
 150         if (m1->ms_map.sm_start > m2->ms_map.sm_start)
 151                 return (1);
 152
 153         ASSERT3P(m1, ==, m2);
 154
 155         return (0);
 156 }
 157
 158 metaslab_group_t *
 159 metaslab_group_create(metaslab_class_t *mc, vdev_t *vd)
 160 {
 161         metaslab_group_t *mg;
 162
 163         mg = kmem_zalloc(sizeof (metaslab_group_t), KM_SLEEP);
 164         mutex_init(&mg->mg_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
 165         avl_create(&mg->mg_metaslab_tree, metaslab_compare,
 166             sizeof (metaslab_t), offsetof(struct metaslab, ms_group_node));
 167         mg->mg_aliquot = metaslab_aliquot * MAX(1, vd->vdev_children);
 168         mg->mg_vd = vd;
 169         metaslab_class_add(mc, mg);
 170
 171         return (mg);
 172 }
 173
 174 void
 175 metaslab_group_destroy(metaslab_group_t *mg)
 176 {
 177         avl_destroy(&mg->mg_metaslab_tree);
 178         mutex_destroy(&mg->mg_lock);
 179         kmem_free(mg, sizeof (metaslab_group_t));
 180 }
 181
 182 static void
 183 metaslab_group_add(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
 184 {
 185         mutex_enter(&mg->mg_lock);
 186         ASSERT(msp->ms_group == NULL);
 187         msp->ms_group = mg;
 188         msp->ms_weight = 0;
 189         avl_add(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
 190         mutex_exit(&mg->mg_lock);
 191 }
 192
 193 static void
 194 metaslab_group_remove(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp)
 195 {
 196         mutex_enter(&mg->mg_lock);
 197         ASSERT(msp->ms_group == mg);
 198         avl_remove(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
 199         msp->ms_group = NULL;
 200         mutex_exit(&mg->mg_lock);
 201 }
 202
 203 static void
 204 metaslab_group_sort(metaslab_group_t *mg, metaslab_t *msp, uint64_t weight)
 205 {
 206         /*
 207          * Although in principle the weight can be any value, in
 208          * practice we do not use values in the range [1, 510].
 209          */
 210         ASSERT(weight >= SPA_MINBLOCKSIZE-1 || weight == 0);
 211         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
 212
 213         mutex_enter(&mg->mg_lock);
 214         ASSERT(msp->ms_group == mg);
 215         avl_remove(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
 216         msp->ms_weight = weight;
 217         avl_add(&mg->mg_metaslab_tree, msp);
 218         mutex_exit(&mg->mg_lock);
 219 }
 220
 221 /*
 222  * This is a helper function that can be used by the allocator to find
 223  * a suitable block to allocate. This will search the specified AVL
 224  * tree looking for a block that matches the specified criteria.
 225  */
 226 static uint64_t
 227 metaslab_block_picker(avl_tree_t *t, uint64_t *cursor, uint64_t size,
 228     uint64_t align)
 229 {
 230         space_seg_t *ss, ssearch;
 231         avl_index_t where;
 232
 233         ssearch.ss_start = *cursor;
 234         ssearch.ss_end = *cursor + size;
 235
 236         ss = avl_find(t, &ssearch, &where);
 237         if (ss == NULL)
 238                 ss = avl_nearest(t, where, AVL_AFTER);
 239
 240         while (ss != NULL) {
 241                 uint64_t offset = P2ROUNDUP(ss->ss_start, align);
 242
 243                 if (offset + size <= ss->ss_end) {
 244                         *cursor = offset + size;
 245                         return (offset);
 246                 }
 247                 ss = AVL_NEXT(t, ss);
 248         }
 249
 250         /*
 251          * If we know we've searched the whole map (*cursor == 0), give up.
 252          * Otherwise, reset the cursor to the beginning and try again.
 253          */
 254         if (*cursor == 0)
 255                 return (-1ULL);
 256
 257         *cursor = 0;
 258         return (metaslab_block_picker(t, cursor, size, align));
 259 }
 260
 261 /*
 262  * ==========================================================================
 263  * The first-fit block allocator
 264  * ==========================================================================
 265  */
 266 static void
 267 metaslab_ff_load(space_map_t *sm)
 268 {
 269         ASSERT(sm->sm_ppd == NULL);
 270         sm->sm_ppd = kmem_zalloc(64 * sizeof (uint64_t), KM_SLEEP);
 271         sm->sm_pp_root = NULL;
 272 }
 273
 274 static void
 275 metaslab_ff_unload(space_map_t *sm)
 276 {
 277         kmem_free(sm->sm_ppd, 64 * sizeof (uint64_t));
 278         sm->sm_ppd = NULL;
 279 }
 280
 281 static uint64_t
 282 metaslab_ff_alloc(space_map_t *sm, uint64_t size)
 283 {
 284         avl_tree_t *t = &sm->sm_root;
 285         uint64_t align = size & -size;
 286         uint64_t *cursor = (uint64_t *)sm->sm_ppd + highbit(align) - 1;
 287
 288         return (metaslab_block_picker(t, cursor, size, align));
 289 }
 290
 291 /* ARGSUSED */
 292 static void
 293 metaslab_ff_claim(space_map_t *sm, uint64_t start, uint64_t size)
 294 {
 295         /* No need to update cursor */
 296 }
 297
 298 /* ARGSUSED */
 299 static void
 300 metaslab_ff_free(space_map_t *sm, uint64_t start, uint64_t size)
 301 {
 302         /* No need to update cursor */
 303 }
 304
 305 static space_map_ops_t metaslab_ff_ops = {
 306         metaslab_ff_load,
 307         metaslab_ff_unload,
 308         metaslab_ff_alloc,
 309         metaslab_ff_claim,
 310         metaslab_ff_free,
 311         NULL    /* maxsize */
 312 };
 313
 314 /*
 315  * Dynamic block allocator -
 316  * Uses the first fit allocation scheme until space get low and then
 317  * adjusts to a best fit allocation method. Uses metaslab_df_alloc_threshold
 318  * and metaslab_df_free_pct to determine when to switch the allocation scheme.
 319  */
 320
 321 uint64_t
 322 metaslab_df_maxsize(space_map_t *sm)
 323 {
 324         avl_tree_t *t = sm->sm_pp_root;
 325         space_seg_t *ss;
 326
 327         if (t == NULL || (ss = avl_last(t)) == NULL)
 328                 return (0ULL);
 329
 330         return (ss->ss_end - ss->ss_start);
 331 }
 332
 333 static int
 334 metaslab_df_seg_compare(const void *x1, const void *x2)
 335 {
 336         const space_seg_t *s1 = x1;
 337         const space_seg_t *s2 = x2;
 338         uint64_t ss_size1 = s1->ss_end - s1->ss_start;
 339         uint64_t ss_size2 = s2->ss_end - s2->ss_start;
 340
 341         if (ss_size1 < ss_size2)
 342                 return (-1);
 343         if (ss_size1 > ss_size2)
 344                 return (1);
 345
 346         if (s1->ss_start < s2->ss_start)
 347                 return (-1);
 348         if (s1->ss_start > s2->ss_start)
 349                 return (1);
 350
 351         return (0);
 352 }
 353
 354 static void
 355 metaslab_df_load(space_map_t *sm)
 356 {
 357         space_seg_t *ss;
 358
 359         ASSERT(sm->sm_ppd == NULL);
 360         sm->sm_ppd = kmem_zalloc(64 * sizeof (uint64_t), KM_SLEEP);
 361
 362         sm->sm_pp_root = kmem_alloc(sizeof (avl_tree_t), KM_SLEEP);
 363         avl_create(sm->sm_pp_root, metaslab_df_seg_compare,
 364             sizeof (space_seg_t), offsetof(struct space_seg, ss_pp_node));
 365
 366         for (ss = avl_first(&sm->sm_root); ss; ss = AVL_NEXT(&sm->sm_root, ss))
 367                 avl_add(sm->sm_pp_root, ss);
 368 }
 369
 370 static void
 371 metaslab_df_unload(space_map_t *sm)
 372 {
 373         void *cookie = NULL;
 374
 375         kmem_free(sm->sm_ppd, 64 * sizeof (uint64_t));
 376         sm->sm_ppd = NULL;
 377
 378         while (avl_destroy_nodes(sm->sm_pp_root, &cookie) != NULL) {
 379                 /* tear down the tree */
 380         }
 381
 382         avl_destroy(sm->sm_pp_root);
 383         kmem_free(sm->sm_pp_root, sizeof (avl_tree_t));
 384         sm->sm_pp_root = NULL;
 385 }
 386
 387 static uint64_t
 388 metaslab_df_alloc(space_map_t *sm, uint64_t size)
 389 {
 390         avl_tree_t *t = &sm->sm_root;
 391         uint64_t align = size & -size;
 392         uint64_t *cursor = (uint64_t *)sm->sm_ppd + highbit(align) - 1;
 393         uint64_t max_size = metaslab_df_maxsize(sm);
 394         int free_pct = sm->sm_space * 100 / sm->sm_size;
 395
 396         ASSERT(MUTEX_HELD(sm->sm_lock));
 397         ASSERT3U(avl_numnodes(&sm->sm_root), ==, avl_numnodes(sm->sm_pp_root));
 398
 399         if (max_size < size)
 400                 return (-1ULL);
 401
 402         /*
 403          * If we're running low on space switch to using the size
 404          * sorted AVL tree (best-fit).
 405          */
 406         if (max_size < metaslab_df_alloc_threshold ||
 407             free_pct < metaslab_df_free_pct) {
 408                 t = sm->sm_pp_root;
 409                 *cursor = 0;
 410         }
 411
 412         return (metaslab_block_picker(t, cursor, size, 1ULL));
 413 }
 414
 415 /* ARGSUSED */
 416 static void
 417 metaslab_df_claim(space_map_t *sm, uint64_t start, uint64_t size)
 418 {
 419         /* No need to update cursor */
 420 }
 421
 422 /* ARGSUSED */
 423 static void
 424 metaslab_df_free(space_map_t *sm, uint64_t start, uint64_t size)
 425 {
 426         /* No need to update cursor */
 427 }
 428
 429 static space_map_ops_t metaslab_df_ops = {
 430         metaslab_df_load,
 431         metaslab_df_unload,
 432         metaslab_df_alloc,
 433         metaslab_df_claim,
 434         metaslab_df_free,
 435         metaslab_df_maxsize
 436 };
 437
 438 space_map_ops_t *zfs_metaslab_ops = &metaslab_df_ops;
 439
 440 /*
 441  * ==========================================================================
 442  * Metaslabs
 443  * ==========================================================================
 444  */
 445 metaslab_t *
 446 metaslab_init(metaslab_group_t *mg, space_map_obj_t *smo,
 447         uint64_t start, uint64_t size, uint64_t txg)
 448 {
 449         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
 450         metaslab_t *msp;
 451
 452         msp = kmem_zalloc(sizeof (metaslab_t), KM_SLEEP);
 453         mutex_init(&msp->ms_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
 454
 455         msp->ms_smo_syncing = *smo;
 456
 457         /*
 458          * We create the main space map here, but we don't create the
 459          * allocmaps and freemaps until metaslab_sync_done().  This serves
 460          * two purposes: it allows metaslab_sync_done() to detect the
 461          * addition of new space; and for debugging, it ensures that we'd
 462          * data fault on any attempt to use this metaslab before it's ready.
 463          */
 464         space_map_create(&msp->ms_map, start, size,
 465             vd->vdev_ashift, &msp->ms_lock);
 466
 467         metaslab_group_add(mg, msp);
 468
 469         /*
 470          * If we're opening an existing pool (txg == 0) or creating
 471          * a new one (txg == TXG_INITIAL), all space is available now.
 472          * If we're adding space to an existing pool, the new space
 473          * does not become available until after this txg has synced.
 474          */
 475         if (txg <= TXG_INITIAL)
 476                 metaslab_sync_done(msp, 0);
 477
 478         if (txg != 0) {
 479                 /*
 480                  * The vdev is dirty, but the metaslab isn't -- it just needs
 481                  * to have metaslab_sync_done() invoked from vdev_sync_done().
 482                  * [We could just dirty the metaslab, but that would cause us
 483                  * to allocate a space map object for it, which is wasteful
 484                  * and would mess up the locality logic in metaslab_weight().]
 485                  */
 486                 ASSERT(TXG_CLEAN(txg) == spa_last_synced_txg(vd->vdev_spa));
 487                 vdev_dirty(vd, 0, NULL, txg);
 488                 vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, TXG_CLEAN(txg));
 489         }
 490
 491         return (msp);
 492 }
 493
 494 void
 495 metaslab_fini(metaslab_t *msp)
 496 {
 497         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
 498         int t;
 499
 500         vdev_space_update(mg->mg_vd, -msp->ms_map.sm_size,
 501             -msp->ms_smo.smo_alloc, B_TRUE);
 502
 503         metaslab_group_remove(mg, msp);
 504
 505         mutex_enter(&msp->ms_lock);
 506
 507         space_map_unload(&msp->ms_map);
 508         space_map_destroy(&msp->ms_map);
 509
 510         for (t = 0; t < TXG_SIZE; t++) {
 511                 space_map_destroy(&msp->ms_allocmap[t]);
 512                 space_map_destroy(&msp->ms_freemap[t]);
 513         }
 514
 515         mutex_exit(&msp->ms_lock);
 516         mutex_destroy(&msp->ms_lock);
 517
 518         kmem_free(msp, sizeof (metaslab_t));
 519 }
 520
 521 #define METASLAB_WEIGHT_PRIMARY         (1ULL << 63)
 522 #define METASLAB_WEIGHT_SECONDARY       (1ULL << 62)
 523 #define METASLAB_ACTIVE_MASK            \
 524         (METASLAB_WEIGHT_PRIMARY | METASLAB_WEIGHT_SECONDARY)
 525 #define METASLAB_SMO_BONUS_MULTIPLIER   2
 526
 527 static uint64_t
 528 metaslab_weight(metaslab_t *msp)
 529 {
 530         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
 531         space_map_t *sm = &msp->ms_map;
 532         space_map_obj_t *smo = &msp->ms_smo;
 533         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
 534         uint64_t weight, space;
 535
 536         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
 537
 538         /*
 539          * The baseline weight is the metaslab's free space.
 540          */
 541         space = sm->sm_size - smo->smo_alloc;
 542         weight = space;
 543
 544         /*
 545          * Modern disks have uniform bit density and constant angular velocity.
 546          * Therefore, the outer recording zones are faster (higher bandwidth)
 547          * than the inner zones by the ratio of outer to inner track diameter,
 548          * which is typically around 2:1.  We account for this by assigning
 549          * higher weight to lower metaslabs (multiplier ranging from 2x to 1x).
 550          * In effect, this means that we'll select the metaslab with the most
 551          * free bandwidth rather than simply the one with the most free space.
 552          */
 553         weight = 2 * weight -
 554             ((sm->sm_start >> vd->vdev_ms_shift) * weight) / vd->vdev_ms_count;
 555         ASSERT(weight >= space && weight <= 2 * space);
 556
 557         /*
 558          * For locality, assign higher weight to metaslabs we've used before.
 559          */
 560         if (smo->smo_object != 0)
 561                 weight *= METASLAB_SMO_BONUS_MULTIPLIER;
 562         ASSERT(weight >= space &&
 563             weight <= 2 * METASLAB_SMO_BONUS_MULTIPLIER * space);
 564
 565         /*
 566          * If this metaslab is one we're actively using, adjust its weight to
 567          * make it preferable to any inactive metaslab so we'll polish it off.
 568          */
 569         weight |= (msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
 570
 571         return (weight);
 572 }
 573
 574 static int
 575 metaslab_activate(metaslab_t *msp, uint64_t activation_weight, uint64_t size)
 576 {
 577         space_map_t *sm = &msp->ms_map;
 578         space_map_ops_t *sm_ops = msp->ms_group->mg_class->mc_ops;
 579
 580         ASSERT(MUTEX_HELD(&msp->ms_lock));
 581
 582         if ((msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) == 0) {
 583                 int error = space_map_load(sm, sm_ops, SM_FREE, &msp->ms_smo,
 584                     msp->ms_group->mg_vd->vdev_spa->spa_meta_objset);
 585                 if (error) {
 586                         metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp, 0);
 587                         return (error);
 588                 }
 589
 590                 /*
 591                  * If we were able to load the map then make sure
 592                  * that this map is still able to satisfy our request.
 593                  */
 594                 if (msp->ms_weight < size)
 595                         return (ENOSPC);
 596
 597                 metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp,
 598                     msp->ms_weight | activation_weight);
 599         }
 600         ASSERT(sm->sm_loaded);
 601         ASSERT(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK);
 602
 603         return (0);
 604 }
 605
 606 static void
 607 metaslab_passivate(metaslab_t *msp, uint64_t size)
 608 {
 609         /*
 610          * If size < SPA_MINBLOCKSIZE, then we will not allocate from
 611          * this metaslab again.  In that case, it had better be empty,
 612          * or we would be leaving space on the table.
 613          */
 614         ASSERT(size >= SPA_MINBLOCKSIZE || msp->ms_map.sm_space == 0);
 615         metaslab_group_sort(msp->ms_group, msp, MIN(msp->ms_weight, size));
 616         ASSERT((msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) == 0);
 617 }
 618
 619 /*
 620  * Write a metaslab to disk in the context of the specified transaction group.
 621  */
 622 void
 623 metaslab_sync(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
 624 {
 625         vdev_t *vd = msp->ms_group->mg_vd;
 626         spa_t *spa = vd->vdev_spa;
 627         objset_t *mos = spa->spa_meta_objset;
 628         space_map_t *allocmap = &msp->ms_allocmap[txg & TXG_MASK];
 629         space_map_t *freemap = &msp->ms_freemap[txg & TXG_MASK];
 630         space_map_t *freed_map = &msp->ms_freemap[TXG_CLEAN(txg) & TXG_MASK];
 631         space_map_t *sm = &msp->ms_map;
 632         space_map_obj_t *smo = &msp->ms_smo_syncing;
 633         dmu_buf_t *db;
 634         dmu_tx_t *tx;
 635         int t;
 636
 637         tx = dmu_tx_create_assigned(spa_get_dsl(spa), txg);
 638
 639         /*
 640          * The only state that can actually be changing concurrently with
 641          * metaslab_sync() is the metaslab's ms_map.  No other thread can
 642          * be modifying this txg's allocmap, freemap, freed_map, or smo.
 643          * Therefore, we only hold ms_lock to satify space_map ASSERTs.
 644          * We drop it whenever we call into the DMU, because the DMU
 645          * can call down to us (e.g. via zio_free()) at any time.
 646          */
 647         mutex_enter(&msp->ms_lock);
 648
 649         if (smo->smo_object == 0) {
 650                 ASSERT(smo->smo_objsize == 0);
 651                 ASSERT(smo->smo_alloc == 0);
 652                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
 653                 smo->smo_object = dmu_object_alloc(mos,
 654                     DMU_OT_SPACE_MAP, 1 << SPACE_MAP_BLOCKSHIFT,
 655                     DMU_OT_SPACE_MAP_HEADER, sizeof (*smo), tx);
 656                 ASSERT(smo->smo_object != 0);
 657                 dmu_write(mos, vd->vdev_ms_array, sizeof (uint64_t) *
 658                     (sm->sm_start >> vd->vdev_ms_shift),
 659                     sizeof (uint64_t), &smo->smo_object, tx);
 660                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
 661         }
 662
 663         space_map_walk(freemap, space_map_add, freed_map);
 664
 665         if (sm->sm_loaded && spa_sync_pass(spa) == 1 && smo->smo_objsize >=
 666             2 * sizeof (uint64_t) * avl_numnodes(&sm->sm_root)) {
 667                 /*
 668                  * The in-core space map representation is twice as compact
 669                  * as the on-disk one, so it's time to condense the latter
 670                  * by generating a pure allocmap from first principles.
 671                  *
 672                  * This metaslab is 100% allocated,
 673                  * minus the content of the in-core map (sm),
 674                  * minus what's been freed this txg (freed_map),
 675                  * minus allocations from txgs in the future
 676                  * (because they haven't been committed yet).
 677                  */
 678                 space_map_vacate(allocmap, NULL, NULL);
 679                 space_map_vacate(freemap, NULL, NULL);
 680
 681                 space_map_add(allocmap, allocmap->sm_start, allocmap->sm_size);
 682
 683                 space_map_walk(sm, space_map_remove, allocmap);
 684                 space_map_walk(freed_map, space_map_remove, allocmap);
 685
 686                 for (t = 1; t < TXG_CONCURRENT_STATES; t++)
 687                         space_map_walk(&msp->ms_allocmap[(txg + t) & TXG_MASK],
 688                             space_map_remove, allocmap);
 689
 690                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
 691                 space_map_truncate(smo, mos, tx);
 692                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
 693         }
 694
 695         space_map_sync(allocmap, SM_ALLOC, smo, mos, tx);
 696         space_map_sync(freemap, SM_FREE, smo, mos, tx);
 697
 698         mutex_exit(&msp->ms_lock);
 699
 700         VERIFY(0 == dmu_bonus_hold(mos, smo->smo_object, FTAG, &db));
 701         dmu_buf_will_dirty(db, tx);
 702         ASSERT3U(db->db_size, >=, sizeof (*smo));
 703         bcopy(smo, db->db_data, sizeof (*smo));
 704         dmu_buf_rele(db, FTAG);
 705
 706         dmu_tx_commit(tx);
 707 }
 708
 709 /*
 710  * Called after a transaction group has completely synced to mark
 711  * all of the metaslab's free space as usable.
 712  */
 713 void
 714 metaslab_sync_done(metaslab_t *msp, uint64_t txg)
 715 {
 716         space_map_obj_t *smo = &msp->ms_smo;
 717         space_map_obj_t *smosync = &msp->ms_smo_syncing;
 718         space_map_t *sm = &msp->ms_map;
 719         space_map_t *freed_map = &msp->ms_freemap[TXG_CLEAN(txg) & TXG_MASK];
 720         metaslab_group_t *mg = msp->ms_group;
 721         vdev_t *vd = mg->mg_vd;
 722         int t;
 723
 724         mutex_enter(&msp->ms_lock);
 725
 726         /*
 727          * If this metaslab is just becoming available, initialize its
 728          * allocmaps and freemaps and add its capacity to the vdev.
 729          */
 730         if (freed_map->sm_size == 0) {
 731                 for (t = 0; t < TXG_SIZE; t++) {
 732                         space_map_create(&msp->ms_allocmap[t], sm->sm_start,
 733                             sm->sm_size, sm->sm_shift, sm->sm_lock);
 734                         space_map_create(&msp->ms_freemap[t], sm->sm_start,
 735                             sm->sm_size, sm->sm_shift, sm->sm_lock);
 736                 }
 737                 vdev_space_update(vd, sm->sm_size, 0, B_TRUE);
 738         }
 739
 740         vdev_space_update(vd, 0, smosync->smo_alloc - smo->smo_alloc, B_TRUE);
 741
 742         ASSERT(msp->ms_allocmap[txg & TXG_MASK].sm_space == 0);
 743         ASSERT(msp->ms_freemap[txg & TXG_MASK].sm_space == 0);
 744
 745         /*
 746          * If there's a space_map_load() in progress, wait for it to complete
 747          * so that we have a consistent view of the in-core space map.
 748          * Then, add everything we freed in this txg to the map.
 749          */
 750         space_map_load_wait(sm);
 751         space_map_vacate(freed_map, sm->sm_loaded ? space_map_free : NULL, sm);
 752
 753         *smo = *smosync;
 754
 755         /*
 756          * If the map is loaded but no longer active, evict it as soon as all
 757          * future allocations have synced.  (If we unloaded it now and then
 758          * loaded a moment later, the map wouldn't reflect those allocations.)
 759          */
 760         if (sm->sm_loaded && (msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) == 0) {
 761                 int evictable = 1;
 762
 763                 for (t = 1; t < TXG_CONCURRENT_STATES; t++)
 764                         if (msp->ms_allocmap[(txg + t) & TXG_MASK].sm_space)
 765                                 evictable = 0;
 766
 767                 if (evictable)
 768                         space_map_unload(sm);
 769         }
 770
 771         metaslab_group_sort(mg, msp, metaslab_weight(msp));
 772
 773         mutex_exit(&msp->ms_lock);
 774 }
 775
 776 static uint64_t
 777 metaslab_distance(metaslab_t *msp, dva_t *dva)
 778 {
 779         uint64_t ms_shift = msp->ms_group->mg_vd->vdev_ms_shift;
 780         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva) >> ms_shift;
 781         uint64_t start = msp->ms_map.sm_start >> ms_shift;
 782
 783         if (msp->ms_group->mg_vd->vdev_id != DVA_GET_VDEV(dva))
 784                 return (1ULL << 63);
 785
 786         if (offset < start)
 787                 return ((start - offset) << ms_shift);
 788         if (offset > start)
 789                 return ((offset - start) << ms_shift);
 790         return (0);
 791 }
 792
 793 static uint64_t
 794 metaslab_group_alloc(metaslab_group_t *mg, uint64_t size, uint64_t txg,
 795     uint64_t min_distance, dva_t *dva, int d)
 796 {
 797         metaslab_t *msp = NULL;
 798         uint64_t offset = -1ULL;
 799         avl_tree_t *t = &mg->mg_metaslab_tree;
 800         uint64_t activation_weight;
 801         uint64_t target_distance;
 802         int i;
 803
 804         activation_weight = METASLAB_WEIGHT_PRIMARY;
 805         for (i = 0; i < d; i++) {
 806                 if (DVA_GET_VDEV(&dva[i]) == mg->mg_vd->vdev_id) {
 807                         activation_weight = METASLAB_WEIGHT_SECONDARY;
 808                         break;
 809                 }
 810         }
 811
 812         for (;;) {
 813                 boolean_t was_active;
 814
 815                 mutex_enter(&mg->mg_lock);
 816                 for (msp = avl_first(t); msp; msp = AVL_NEXT(t, msp)) {
 817                         if (msp->ms_weight < size) {
 818                                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
 819                                 return (-1ULL);
 820                         }
 821
 822                         was_active = msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK;
 823                         if (activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY)
 824                                 break;
 825
 826                         target_distance = min_distance +
 827                             (msp->ms_smo.smo_alloc ? 0 : min_distance >> 1);
 828
 829                         for (i = 0; i < d; i++)
 830                                 if (metaslab_distance(msp, &dva[i]) <
 831                                     target_distance)
 832                                         break;
 833                         if (i == d)
 834                                 break;
 835                 }
 836                 mutex_exit(&mg->mg_lock);
 837                 if (msp == NULL)
 838                         return (-1ULL);
 839
 840                 mutex_enter(&msp->ms_lock);
 841
 842                 /*
 843                  * Ensure that the metaslab we have selected is still
 844                  * capable of handling our request. It's possible that
 845                  * another thread may have changed the weight while we
 846                  * were blocked on the metaslab lock.
 847                  */
 848                 if (msp->ms_weight < size || (was_active &&
 849                     !(msp->ms_weight & METASLAB_ACTIVE_MASK) &&
 850                     activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY)) {
 851                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
 852                         continue;
 853                 }
 854
 855                 if ((msp->ms_weight & METASLAB_WEIGHT_SECONDARY) &&
 856                     activation_weight == METASLAB_WEIGHT_PRIMARY) {
 857                         metaslab_passivate(msp,
 858                             msp->ms_weight & ~METASLAB_ACTIVE_MASK);
 859                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
 860                         continue;
 861                 }
 862
 863                 if (metaslab_activate(msp, activation_weight, size) != 0) {
 864                         mutex_exit(&msp->ms_lock);
 865                         continue;
 866                 }
 867
 868                 if ((offset = space_map_alloc(&msp->ms_map, size)) != -1ULL)
 869                         break;
 870
 871                 metaslab_passivate(msp, size - 1);
 872
 873                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
 874         }
 875
 876         if (msp->ms_allocmap[txg & TXG_MASK].sm_space == 0)
 877                 vdev_dirty(mg->mg_vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
 878
 879         space_map_add(&msp->ms_allocmap[txg & TXG_MASK], offset, size);
 880
 881         mutex_exit(&msp->ms_lock);
 882
 883         return (offset);
 884 }
 885
 886 /*
 887  * Allocate a block for the specified i/o.
 888  */
 889 static int
 890 metaslab_alloc_dva(spa_t *spa, metaslab_class_t *mc, uint64_t psize,
 891     dva_t *dva, int d, dva_t *hintdva, uint64_t txg, int flags)
 892 {
 893         metaslab_group_t *mg, *rotor;
 894         vdev_t *vd;
 895         int dshift = 3;
 896         int all_zero;
 897         int zio_lock = B_FALSE;
 898         boolean_t allocatable;
 899         uint64_t offset = -1ULL;
 900         uint64_t asize;
 901         uint64_t distance;
 902
 903         ASSERT(!DVA_IS_VALID(&dva[d]));
 904
 905         /*
 906          * For testing, make some blocks above a certain size be gang blocks.
 907          */
 908         if (psize >= metaslab_gang_bang && (LBOLT & 3) == 0)
 909                 return (ENOSPC);
 910
 911         /*
 912          * Start at the rotor and loop through all mgs until we find something.
 913          * Note that there's no locking on mc_rotor or mc_allocated because
 914          * nothing actually breaks if we miss a few updates -- we just won't
 915          * allocate quite as evenly.  It all balances out over time.
 916          *
 917          * If we are doing ditto or log blocks, try to spread them across
 918          * consecutive vdevs.  If we're forced to reuse a vdev before we've
 919          * allocated all of our ditto blocks, then try and spread them out on
 920          * that vdev as much as possible.  If it turns out to not be possible,
 921          * gradually lower our standards until anything becomes acceptable.
 922          * Also, allocating on consecutive vdevs (as opposed to random vdevs)
 923          * gives us hope of containing our fault domains to something we're
 924          * able to reason about.  Otherwise, any two top-level vdev failures
 925          * will guarantee the loss of data.  With consecutive allocation,
 926          * only two adjacent top-level vdev failures will result in data loss.
 927          *
 928          * If we are doing gang blocks (hintdva is non-NULL), try to keep
 929          * ourselves on the same vdev as our gang block header.  That
 930          * way, we can hope for locality in vdev_cache, plus it makes our
 931          * fault domains something tractable.
 932          */
 933         if (hintdva) {
 934                 vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&hintdva[d]));
 935                 if (flags & METASLAB_HINTBP_AVOID)
 936                         mg = vd->vdev_mg->mg_next;
 937                 else
 938                         mg = vd->vdev_mg;
 939         } else if (d != 0) {
 940                 vd = vdev_lookup_top(spa, DVA_GET_VDEV(&dva[d - 1]));
 941                 mg = vd->vdev_mg->mg_next;
 942         } else {
 943                 mg = mc->mc_rotor;
 944         }
 945
 946         /*
 947          * If the hint put us into the wrong class, just follow the rotor.
 948          */
 949         if (mg->mg_class != mc)
 950                 mg = mc->mc_rotor;
 951
 952         rotor = mg;
 953 top:
 954         all_zero = B_TRUE;
 955         do {
 956                 vd = mg->mg_vd;
 957
 958                 /*
 959                  * Don't allocate from faulted devices.
 960                  */
 961                 if (zio_lock) {
 962                         spa_config_enter(spa, SCL_ZIO, FTAG, RW_READER);
 963                         allocatable = vdev_allocatable(vd);
 964                         spa_config_exit(spa, SCL_ZIO, FTAG);
 965                 } else {
 966                         allocatable = vdev_allocatable(vd);
 967                 }
 968                 if (!allocatable)
 969                         goto next;
 970
 971                 /*
 972                  * Avoid writing single-copy data to a failing vdev
 973                  */
 974                 if ((vd->vdev_stat.vs_write_errors > 0 ||
 975                     vd->vdev_state < VDEV_STATE_HEALTHY) &&
 976                     d == 0 && dshift == 3) {
 977                         all_zero = B_FALSE;
 978                         goto next;
 979                 }
 980
 981                 ASSERT(mg->mg_class == mc);
 982
 983                 distance = vd->vdev_asize >> dshift;
 984                 if (distance <= (1ULL << vd->vdev_ms_shift))
 985                         distance = 0;
 986                 else
 987                         all_zero = B_FALSE;
 988
 989                 asize = vdev_psize_to_asize(vd, psize);
 990                 ASSERT(P2PHASE(asize, 1ULL << vd->vdev_ashift) == 0);
 991
 992                 offset = metaslab_group_alloc(mg, asize, txg, distance, dva, d);
 993                 if (offset != -1ULL) {
 994                         /*
 995                          * If we've just selected this metaslab group,
 996                          * figure out whether the corresponding vdev is
 997                          * over- or under-used relative to the pool,
 998                          * and set an allocation bias to even it out.
 999                          */
1000                         if (mc->mc_allocated == 0) {
1001                                 vdev_stat_t *vs = &vd->vdev_stat;
1002                                 uint64_t alloc, space;
1003                                 int64_t vu, su;
1004
1005                                 alloc = spa_get_alloc(spa);
1006                                 space = spa_get_space(spa);
1007
1008                                 /*
1009                                  * Determine percent used in units of 0..1024.
1010                                  * (This is just to avoid floating point.)
1011                                  */
1012                                 vu = (vs->vs_alloc << 10) / (vs->vs_space + 1);
1013                                 su = (alloc << 10) / (space + 1);
1014
1015                                 /*
1016                                  * Bias by at most +/- 25% of the aliquot.
1017                                  */
1018                                 mg->mg_bias = ((su - vu) *
1019                                     (int64_t)mg->mg_aliquot) / (1024 * 4);
1020                         }
1021
1022                         if (atomic_add_64_nv(&mc->mc_allocated, asize) >=
1023                             mg->mg_aliquot + mg->mg_bias) {
1024                                 mc->mc_rotor = mg->mg_next;
1025                                 mc->mc_allocated = 0;
1026                         }
1027
1028                         DVA_SET_VDEV(&dva[d], vd->vdev_id);
1029                         DVA_SET_OFFSET(&dva[d], offset);
1030                         DVA_SET_GANG(&dva[d], !!(flags & METASLAB_GANG_HEADER));
1031                         DVA_SET_ASIZE(&dva[d], asize);
1032
1033                         return (0);
1034                 }
1035 next:
1036                 mc->mc_rotor = mg->mg_next;
1037                 mc->mc_allocated = 0;
1038         } while ((mg = mg->mg_next) != rotor);
1039
1040         if (!all_zero) {
1041                 dshift++;
1042                 ASSERT(dshift < 64);
1043                 goto top;
1044         }
1045
1046         if (!allocatable && !zio_lock) {
1047                 dshift = 3;
1048                 zio_lock = B_TRUE;
1049                 goto top;
1050         }
1051
1052         bzero(&dva[d], sizeof (dva_t));
1053
1054         return (ENOSPC);
1055 }
1056
1057 /*
1058  * Free the block represented by DVA in the context of the specified
1059  * transaction group.
1060  */
1061 static void
1062 metaslab_free_dva(spa_t *spa, const dva_t *dva, uint64_t txg, boolean_t now)
1063 {
1064         uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(dva);
1065         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
1066         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
1067         vdev_t *vd;
1068         metaslab_t *msp;
1069
1070         ASSERT(DVA_IS_VALID(dva));
1071
1072         if (txg > spa_freeze_txg(spa))
1073                 return;
1074
1075         if ((vd = vdev_lookup_top(spa, vdev)) == NULL ||
1076             (offset >> vd->vdev_ms_shift) >= vd->vdev_ms_count) {
1077                 cmn_err(CE_WARN, "metaslab_free_dva(): bad DVA %llu:%llu",
1078                     (u_longlong_t)vdev, (u_longlong_t)offset);
1079                 ASSERT(0);
1080                 return;
1081         }
1082
1083         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
1084
1085         if (DVA_GET_GANG(dva))
1086                 size = vdev_psize_to_asize(vd, SPA_GANGBLOCKSIZE);
1087
1088         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1089
1090         if (now) {
1091                 space_map_remove(&msp->ms_allocmap[txg & TXG_MASK],
1092                     offset, size);
1093                 space_map_free(&msp->ms_map, offset, size);
1094         } else {
1095                 if (msp->ms_freemap[txg & TXG_MASK].sm_space == 0)
1096                         vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
1097                 space_map_add(&msp->ms_freemap[txg & TXG_MASK], offset, size);
1098         }
1099
1100         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1101 }
1102
1103 /*
1104  * Intent log support: upon opening the pool after a crash, notify the SPA
1105  * of blocks that the intent log has allocated for immediate write, but
1106  * which are still considered free by the SPA because the last transaction
1107  * group didn't commit yet.
1108  */
1109 static int
1110 metaslab_claim_dva(spa_t *spa, const dva_t *dva, uint64_t txg)
1111 {
1112         uint64_t vdev = DVA_GET_VDEV(dva);
1113         uint64_t offset = DVA_GET_OFFSET(dva);
1114         uint64_t size = DVA_GET_ASIZE(dva);
1115         vdev_t *vd;
1116         metaslab_t *msp;
1117         int error;
1118
1119         ASSERT(DVA_IS_VALID(dva));
1120
1121         if ((vd = vdev_lookup_top(spa, vdev)) == NULL ||
1122             (offset >> vd->vdev_ms_shift) >= vd->vdev_ms_count)
1123                 return (ENXIO);
1124
1125         msp = vd->vdev_ms[offset >> vd->vdev_ms_shift];
1126
1127         if (DVA_GET_GANG(dva))
1128                 size = vdev_psize_to_asize(vd, SPA_GANGBLOCKSIZE);
1129
1130         mutex_enter(&msp->ms_lock);
1131
1132         error = metaslab_activate(msp, METASLAB_WEIGHT_SECONDARY, 0);
1133         if (error || txg == 0) {        /* txg == 0 indicates dry run */
1134                 mutex_exit(&msp->ms_lock);
1135                 return (error);
1136         }
1137
1138         space_map_claim(&msp->ms_map, offset, size);
1139
1140         if (spa_writeable(spa)) {       /* don't dirty if we're zdb(1M) */
1141                 if (msp->ms_allocmap[txg & TXG_MASK].sm_space == 0)
1142                         vdev_dirty(vd, VDD_METASLAB, msp, txg);
1143                 space_map_add(&msp->ms_allocmap[txg & TXG_MASK], offset, size);
1144         }
1145
1146         mutex_exit(&msp->ms_lock);
1147
1148         return (0);
1149 }
1150
1151 int
1152 metaslab_alloc(spa_t *spa, metaslab_class_t *mc, uint64_t psize, blkptr_t *bp,
1153     int ndvas, uint64_t txg, blkptr_t *hintbp, int flags)
1154 {
1155         dva_t *dva = bp->blk_dva;
1156         dva_t *hintdva = hintbp->blk_dva;
1157         int error = 0;
1158
1159         ASSERT(bp->blk_birth == 0);
1160
1161         spa_config_enter(spa, SCL_ALLOC, FTAG, RW_READER);
1162
1163         if (mc->mc_rotor == NULL) {     /* no vdevs in this class */
1164                 spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
1165                 return (ENOSPC);
1166         }
1167
1168         ASSERT(ndvas > 0 && ndvas <= spa_max_replication(spa));
1169         ASSERT(BP_GET_NDVAS(bp) == 0);
1170         ASSERT(hintbp == NULL || ndvas <= BP_GET_NDVAS(hintbp));
1171
1172         for (int d = 0; d < ndvas; d++) {
1173                 error = metaslab_alloc_dva(spa, mc, psize, dva, d, hintdva,
1174                     txg, flags);
1175                 if (error) {
1176                         for (d--; d >= 0; d--) {
1177                                 metaslab_free_dva(spa, &dva[d], txg, B_TRUE);
1178                                 bzero(&dva[d], sizeof (dva_t));
1179                         }
1180                         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
1181                         return (error);
1182                 }
1183         }
1184         ASSERT(error == 0);
1185         ASSERT(BP_GET_NDVAS(bp) == ndvas);
1186
1187         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
1188
1189         bp->blk_birth = txg;
1190
1191         return (0);
1192 }
1193
1194 void
1195 metaslab_free(spa_t *spa, const blkptr_t *bp, uint64_t txg, boolean_t now)
1196 {
1197         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
1198         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
1199
1200         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
1201         ASSERT(!now || bp->blk_birth >= spa->spa_syncing_txg);
1202
1203         spa_config_enter(spa, SCL_FREE, FTAG, RW_READER);
1204
1205         for (int d = 0; d < ndvas; d++)
1206                 metaslab_free_dva(spa, &dva[d], txg, now);
1207
1208         spa_config_exit(spa, SCL_FREE, FTAG);
1209 }
1210
1211 int
1212 metaslab_claim(spa_t *spa, const blkptr_t *bp, uint64_t txg)
1213 {
1214         const dva_t *dva = bp->blk_dva;
1215         int ndvas = BP_GET_NDVAS(bp);
1216         int error = 0;
1217
1218         ASSERT(!BP_IS_HOLE(bp));
1219
1220         if (txg != 0) {
1221                 /*
1222                  * First do a dry run to make sure all DVAs are claimable,
1223                  * so we don't have to unwind from partial failures below.
1224                  */
1225                 if ((error = metaslab_claim(spa, bp, 0)) != 0)
1226                         return (error);
1227         }
1228
1229         spa_config_enter(spa, SCL_ALLOC, FTAG, RW_READER);
1230
1231         for (int d = 0; d < ndvas; d++)
1232                 if ((error = metaslab_claim_dva(spa, &dva[d], txg)) != 0)
1233                         break;
1234
1235         spa_config_exit(spa, SCL_ALLOC, FTAG);
1236
1237         ASSERT(error == 0 || txg == 0);
1238
1239         return (error);
1240 }