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

   1 /*
   2  * CDDL HEADER START
   3  *
   4  * The contents of this file are subject to the terms of the
   5  * Common Development and Distribution License (the "License").
   6  * You may not use this file except in compliance with the License.
   7  *
   8  * You can obtain a copy of the license at usr/src/OPENSOLARIS.LICENSE
   9  * or http://www.opensolaris.org/os/licensing.
  10  * See the License for the specific language governing permissions
  11  * and limitations under the License.
  12  *
  13  * When distributing Covered Code, include this CDDL HEADER in each
  14  * file and include the License file at usr/src/OPENSOLARIS.LICENSE.
  15  * If applicable, add the following below this CDDL HEADER, with the
  16  * fields enclosed by brackets "[]" replaced with your own identifying
  17  * information: Portions Copyright [yyyy] [name of copyright owner]
  18  *
  19  * CDDL HEADER END
  20  */
  21 /*
  22  * Copyright 2009 Sun Microsystems, Inc.  All rights reserved.
  23  * Use is subject to license terms.
  24  */
  25
  26 /*
  27  * Copyright (c) 2012 by Delphix. All rights reserved.
  28  */
  29
  30 #include <sys/zfs_context.h>
  31 #include <sys/vdev_impl.h>
  32 #include <sys/zio.h>
  33 #include <sys/avl.h>
  34
  35 /*
  36  * These tunables are for performance analysis.
  37  */
  38 /*
  39  * zfs_vdev_max_pending is the maximum number of i/os concurrently
  40  * pending to each device.  zfs_vdev_min_pending is the initial number
  41  * of i/os pending to each device (before it starts ramping up to
  42  * max_pending).
  43  */
  44 int zfs_vdev_max_pending = 10;
  45 int zfs_vdev_min_pending = 4;
  46
  47 /*
  48  * The deadlines are grouped into buckets based on zfs_vdev_time_shift:
  49  * deadline = pri + gethrtime() >> time_shift)
  50  */
  51 int zfs_vdev_time_shift = 29; /* each bucket is 0.537 seconds */
  52
  53 /* exponential I/O issue ramp-up rate */
  54 int zfs_vdev_ramp_rate = 2;
  55
  56 /*
  57  * To reduce IOPs, we aggregate small adjacent I/Os into one large I/O.
  58  * For read I/Os, we also aggregate across small adjacency gaps; for writes
  59  * we include spans of optional I/Os to aid aggregation at the disk even when
  60  * they aren't able to help us aggregate at this level.
  61  */
  62 int zfs_vdev_aggregation_limit = SPA_MAXBLOCKSIZE;
  63 int zfs_vdev_read_gap_limit = 32 << 10;
  64 int zfs_vdev_write_gap_limit = 4 << 10;
  65
  66 SYSCTL_DECL(_vfs_zfs_vdev);
  67 TUNABLE_INT("vfs.zfs.vdev.max_pending", &zfs_vdev_max_pending);
  68 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, max_pending, CTLFLAG_RW,
  69     &zfs_vdev_max_pending, 0, "Maximum I/O requests pending on each device");
  70 TUNABLE_INT("vfs.zfs.vdev.min_pending", &zfs_vdev_min_pending);
  71 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, min_pending, CTLFLAG_RW,
  72     &zfs_vdev_min_pending, 0,
  73     "Initial number of I/O requests pending to each device");
  74 TUNABLE_INT("vfs.zfs.vdev.time_shift", &zfs_vdev_time_shift);
  75 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, time_shift, CTLFLAG_RW,
  76     &zfs_vdev_time_shift, 0, "Used for calculating I/O request deadline");
  77 TUNABLE_INT("vfs.zfs.vdev.ramp_rate", &zfs_vdev_ramp_rate);
  78 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, ramp_rate, CTLFLAG_RW,
  79     &zfs_vdev_ramp_rate, 0, "Exponential I/O issue ramp-up rate");
  80 TUNABLE_INT("vfs.zfs.vdev.aggregation_limit", &zfs_vdev_aggregation_limit);
  81 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, aggregation_limit, CTLFLAG_RW,
  82     &zfs_vdev_aggregation_limit, 0,
  83     "I/O requests are aggregated up to this size");
  84 TUNABLE_INT("vfs.zfs.vdev.read_gap_limit", &zfs_vdev_read_gap_limit);
  85 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, read_gap_limit, CTLFLAG_RW,
  86     &zfs_vdev_read_gap_limit, 0,
  87     "Acceptable gap between two reads being aggregated");
  88 TUNABLE_INT("vfs.zfs.vdev.write_gap_limit", &zfs_vdev_write_gap_limit);
  89 SYSCTL_INT(_vfs_zfs_vdev, OID_AUTO, write_gap_limit, CTLFLAG_RW,
  90     &zfs_vdev_write_gap_limit, 0,
  91     "Acceptable gap between two writes being aggregated");
  92
  93 /*
  94  * Virtual device vector for disk I/O scheduling.
  95  */
  96 int
  97 vdev_queue_deadline_compare(const void *x1, const void *x2)
  98 {
  99         const zio_t *z1 = x1;
 100         const zio_t *z2 = x2;
 101
 102         if (z1->io_deadline < z2->io_deadline)
 103                 return (-1);
 104         if (z1->io_deadline > z2->io_deadline)
 105                 return (1);
 106
 107         if (z1->io_offset < z2->io_offset)
 108                 return (-1);
 109         if (z1->io_offset > z2->io_offset)
 110                 return (1);
 111
 112         if (z1 < z2)
 113                 return (-1);
 114         if (z1 > z2)
 115                 return (1);
 116
 117         return (0);
 118 }
 119
 120 int
 121 vdev_queue_offset_compare(const void *x1, const void *x2)
 122 {
 123         const zio_t *z1 = x1;
 124         const zio_t *z2 = x2;
 125
 126         if (z1->io_offset < z2->io_offset)
 127                 return (-1);
 128         if (z1->io_offset > z2->io_offset)
 129                 return (1);
 130
 131         if (z1 < z2)
 132                 return (-1);
 133         if (z1 > z2)
 134                 return (1);
 135
 136         return (0);
 137 }
 138
 139 void
 140 vdev_queue_init(vdev_t *vd)
 141 {
 142         vdev_queue_t *vq = &vd->vdev_queue;
 143
 144         mutex_init(&vq->vq_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
 145
 146         avl_create(&vq->vq_deadline_tree, vdev_queue_deadline_compare,
 147             sizeof (zio_t), offsetof(struct zio, io_deadline_node));
 148
 149         avl_create(&vq->vq_read_tree, vdev_queue_offset_compare,
 150             sizeof (zio_t), offsetof(struct zio, io_offset_node));
 151
 152         avl_create(&vq->vq_write_tree, vdev_queue_offset_compare,
 153             sizeof (zio_t), offsetof(struct zio, io_offset_node));
 154
 155         avl_create(&vq->vq_pending_tree, vdev_queue_offset_compare,
 156             sizeof (zio_t), offsetof(struct zio, io_offset_node));
 157 }
 158
 159 void
 160 vdev_queue_fini(vdev_t *vd)
 161 {
 162         vdev_queue_t *vq = &vd->vdev_queue;
 163
 164         avl_destroy(&vq->vq_deadline_tree);
 165         avl_destroy(&vq->vq_read_tree);
 166         avl_destroy(&vq->vq_write_tree);
 167         avl_destroy(&vq->vq_pending_tree);
 168
 169         mutex_destroy(&vq->vq_lock);
 170 }
 171
 172 static void
 173 vdev_queue_io_add(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 174 {
 175         avl_add(&vq->vq_deadline_tree, zio);
 176         avl_add(zio->io_vdev_tree, zio);
 177 }
 178
 179 static void
 180 vdev_queue_io_remove(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 181 {
 182         avl_remove(&vq->vq_deadline_tree, zio);
 183         avl_remove(zio->io_vdev_tree, zio);
 184 }
 185
 186 static void
 187 vdev_queue_agg_io_done(zio_t *aio)
 188 {
 189         zio_t *pio;
 190
 191         while ((pio = zio_walk_parents(aio)) != NULL)
 192                 if (aio->io_type == ZIO_TYPE_READ)
 193                         bcopy((char *)aio->io_data + (pio->io_offset -
 194                             aio->io_offset), pio->io_data, pio->io_size);
 195
 196         zio_buf_free(aio->io_data, aio->io_size);
 197 }
 198
 199 /*
 200  * Compute the range spanned by two i/os, which is the endpoint of the last
 201  * (lio->io_offset + lio->io_size) minus start of the first (fio->io_offset).
 202  * Conveniently, the gap between fio and lio is given by -IO_SPAN(lio, fio);
 203  * thus fio and lio are adjacent if and only if IO_SPAN(lio, fio) == 0.
 204  */
 205 #define IO_SPAN(fio, lio) ((lio)->io_offset + (lio)->io_size - (fio)->io_offset)
 206 #define IO_GAP(fio, lio) (-IO_SPAN(lio, fio))
 207
 208 static zio_t *
 209 vdev_queue_io_to_issue(vdev_queue_t *vq, uint64_t pending_limit)
 210 {
 211         zio_t *fio, *lio, *aio, *dio, *nio, *mio;
 212         avl_tree_t *t;
 213         int flags;
 214         uint64_t maxspan = zfs_vdev_aggregation_limit;
 215         uint64_t maxgap;
 216         int stretch;
 217
 218 again:
 219         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 220
 221         if (avl_numnodes(&vq->vq_pending_tree) >= pending_limit ||
 222             avl_numnodes(&vq->vq_deadline_tree) == 0)
 223                 return (NULL);
 224
 225         fio = lio = avl_first(&vq->vq_deadline_tree);
 226
 227         t = fio->io_vdev_tree;
 228         flags = fio->io_flags & ZIO_FLAG_AGG_INHERIT;
 229         maxgap = (t == &vq->vq_read_tree) ? zfs_vdev_read_gap_limit : 0;
 230
 231         if (!(flags & ZIO_FLAG_DONT_AGGREGATE)) {
 232                 /*
 233                  * We can aggregate I/Os that are sufficiently adjacent and of
 234                  * the same flavor, as expressed by the AGG_INHERIT flags.
 235                  * The latter requirement is necessary so that certain
 236                  * attributes of the I/O, such as whether it's a normal I/O
 237                  * or a scrub/resilver, can be preserved in the aggregate.
 238                  * We can include optional I/Os, but don't allow them
 239                  * to begin a range as they add no benefit in that situation.
 240                  */
 241
 242                 /*
 243                  * We keep track of the last non-optional I/O.
 244                  */
 245                 mio = (fio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL) ? NULL : fio;
 246
 247                 /*
 248                  * Walk backwards through sufficiently contiguous I/Os
 249                  * recording the last non-option I/O.
 250                  */
 251                 while ((dio = AVL_PREV(t, fio)) != NULL &&
 252                     (dio->io_flags & ZIO_FLAG_AGG_INHERIT) == flags &&
 253                     IO_SPAN(dio, lio) <= maxspan &&
 254                     IO_GAP(dio, fio) <= maxgap) {
 255                         fio = dio;
 256                         if (mio == NULL && !(fio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL))
 257                                 mio = fio;
 258                 }
 259
 260                 /*
 261                  * Skip any initial optional I/Os.
 262                  */
 263                 while ((fio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL) && fio != lio) {
 264                         fio = AVL_NEXT(t, fio);
 265                         ASSERT(fio != NULL);
 266                 }
 267
 268                 /*
 269                  * Walk forward through sufficiently contiguous I/Os.
 270                  */
 271                 while ((dio = AVL_NEXT(t, lio)) != NULL &&
 272                     (dio->io_flags & ZIO_FLAG_AGG_INHERIT) == flags &&
 273                     IO_SPAN(fio, dio) <= maxspan &&
 274                     IO_GAP(lio, dio) <= maxgap) {
 275                         lio = dio;
 276                         if (!(lio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL))
 277                                 mio = lio;
 278                 }
 279
 280                 /*
 281                  * Now that we've established the range of the I/O aggregation
 282                  * we must decide what to do with trailing optional I/Os.
 283                  * For reads, there's nothing to do. While we are unable to
 284                  * aggregate further, it's possible that a trailing optional
 285                  * I/O would allow the underlying device to aggregate with
 286                  * subsequent I/Os. We must therefore determine if the next
 287                  * non-optional I/O is close enough to make aggregation
 288                  * worthwhile.
 289                  */
 290                 stretch = B_FALSE;
 291                 if (t != &vq->vq_read_tree && mio != NULL) {
 292                         nio = lio;
 293                         while ((dio = AVL_NEXT(t, nio)) != NULL &&
 294                             IO_GAP(nio, dio) == 0 &&
 295                             IO_GAP(mio, dio) <= zfs_vdev_write_gap_limit) {
 296                                 nio = dio;
 297                                 if (!(nio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL)) {
 298                                         stretch = B_TRUE;
 299                                         break;
 300                                 }
 301                         }
 302                 }
 303
 304                 if (stretch) {
 305                         /* This may be a no-op. */
 306                         VERIFY((dio = AVL_NEXT(t, lio)) != NULL);
 307                         dio->io_flags &= ~ZIO_FLAG_OPTIONAL;
 308                 } else {
 309                         while (lio != mio && lio != fio) {
 310                                 ASSERT(lio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL);
 311                                 lio = AVL_PREV(t, lio);
 312                                 ASSERT(lio != NULL);
 313                         }
 314                 }
 315         }
 316
 317         if (fio != lio) {
 318                 uint64_t size = IO_SPAN(fio, lio);
 319                 ASSERT(size <= zfs_vdev_aggregation_limit);
 320
 321                 aio = zio_vdev_delegated_io(fio->io_vd, fio->io_offset,
 322                     zio_buf_alloc(size), size, fio->io_type, ZIO_PRIORITY_AGG,
 323                     flags | ZIO_FLAG_DONT_CACHE | ZIO_FLAG_DONT_QUEUE,
 324                     vdev_queue_agg_io_done, NULL);
 325                 aio->io_timestamp = fio->io_timestamp;
 326
 327                 nio = fio;
 328                 do {
 329                         dio = nio;
 330                         nio = AVL_NEXT(t, dio);
 331                         ASSERT(dio->io_type == aio->io_type);
 332                         ASSERT(dio->io_vdev_tree == t);
 333
 334                         if (dio->io_flags & ZIO_FLAG_NODATA) {
 335                                 ASSERT(dio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE);
 336                                 bzero((char *)aio->io_data + (dio->io_offset -
 337                                     aio->io_offset), dio->io_size);
 338                         } else if (dio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE) {
 339                                 bcopy(dio->io_data, (char *)aio->io_data +
 340                                     (dio->io_offset - aio->io_offset),
 341                                     dio->io_size);
 342                         }
 343
 344                         zio_add_child(dio, aio);
 345                         vdev_queue_io_remove(vq, dio);
 346                         zio_vdev_io_bypass(dio);
 347                         zio_execute(dio);
 348                 } while (dio != lio);
 349
 350                 avl_add(&vq->vq_pending_tree, aio);
 351
 352                 return (aio);
 353         }
 354
 355         ASSERT(fio->io_vdev_tree == t);
 356         vdev_queue_io_remove(vq, fio);
 357
 358         /*
 359          * If the I/O is or was optional and therefore has no data, we need to
 360          * simply discard it. We need to drop the vdev queue's lock to avoid a
 361          * deadlock that we could encounter since this I/O will complete
 362          * immediately.
 363          */
 364         if (fio->io_flags & ZIO_FLAG_NODATA) {
 365                 mutex_exit(&vq->vq_lock);
 366                 zio_vdev_io_bypass(fio);
 367                 zio_execute(fio);
 368                 mutex_enter(&vq->vq_lock);
 369                 goto again;
 370         }
 371
 372         avl_add(&vq->vq_pending_tree, fio);
 373
 374         return (fio);
 375 }
 376
 377 zio_t *
 378 vdev_queue_io(zio_t *zio)
 379 {
 380         vdev_queue_t *vq = &zio->io_vd->vdev_queue;
 381         zio_t *nio;
 382
 383         ASSERT(zio->io_type == ZIO_TYPE_READ || zio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE);
 384
 385         if (zio->io_flags & ZIO_FLAG_DONT_QUEUE)
 386                 return (zio);
 387
 388         zio->io_flags |= ZIO_FLAG_DONT_CACHE | ZIO_FLAG_DONT_QUEUE;
 389
 390         if (zio->io_type == ZIO_TYPE_READ)
 391                 zio->io_vdev_tree = &vq->vq_read_tree;
 392         else
 393                 zio->io_vdev_tree = &vq->vq_write_tree;
 394
 395         mutex_enter(&vq->vq_lock);
 396
 397         zio->io_timestamp = gethrtime();
 398         zio->io_deadline = (zio->io_timestamp >> zfs_vdev_time_shift) +
 399             zio->io_priority;
 400
 401         vdev_queue_io_add(vq, zio);
 402
 403         nio = vdev_queue_io_to_issue(vq, zfs_vdev_min_pending);
 404
 405         mutex_exit(&vq->vq_lock);
 406
 407         if (nio == NULL)
 408                 return (NULL);
 409
 410         if (nio->io_done == vdev_queue_agg_io_done) {
 411                 zio_nowait(nio);
 412                 return (NULL);
 413         }
 414
 415         return (nio);
 416 }
 417
 418 void
 419 vdev_queue_io_done(zio_t *zio)
 420 {
 421         vdev_queue_t *vq = &zio->io_vd->vdev_queue;
 422
 423         if (zio_injection_enabled)
 424                 delay(SEC_TO_TICK(zio_handle_io_delay(zio)));
 425
 426         mutex_enter(&vq->vq_lock);
 427
 428         avl_remove(&vq->vq_pending_tree, zio);
 429
 430         vq->vq_io_complete_ts = gethrtime();
 431
 432         for (int i = 0; i < zfs_vdev_ramp_rate; i++) {
 433                 zio_t *nio = vdev_queue_io_to_issue(vq, zfs_vdev_max_pending);
 434                 if (nio == NULL)
 435                         break;
 436                 mutex_exit(&vq->vq_lock);
 437                 if (nio->io_done == vdev_queue_agg_io_done) {
 438                         zio_nowait(nio);
 439                 } else {
 440                         zio_vdev_io_reissue(nio);
 441                         zio_execute(nio);
 442                 }
 443                 mutex_enter(&vq->vq_lock);
 444         }
 445
 446         mutex_exit(&vq->vq_lock);
 447 }