]> git.proxmox.com Git - mirror_zfs.git/blobdiff - include/sys/metaslab_impl.h
Use a struct to organize metaslab-group-allocator fields
[mirror_zfs.git] / include / sys / metaslab_impl.h
index 080a1db9a800fc4465df88ce0a8fe406a8e7490e..4a7475256a2bb9b03df79c2fa4bb19bfbd36b362 100644 (file)
@@ -24,7 +24,7 @@
  */
 
 /*
- * Copyright (c) 2011, 2015 by Delphix. All rights reserved.
+ * Copyright (c) 2011, 2019 by Delphix. All rights reserved.
  */
 
 #ifndef _SYS_METASLAB_IMPL_H
 #include <sys/vdev.h>
 #include <sys/txg.h>
 #include <sys/avl.h>
+#include <sys/multilist.h>
 
 #ifdef __cplusplus
 extern "C" {
 #endif
 
+/*
+ * Metaslab allocation tracing record.
+ */
+typedef struct metaslab_alloc_trace {
+       list_node_t                     mat_list_node;
+       metaslab_group_t                *mat_mg;
+       metaslab_t                      *mat_msp;
+       uint64_t                        mat_size;
+       uint64_t                        mat_weight;
+       uint32_t                        mat_dva_id;
+       uint64_t                        mat_offset;
+       int                                     mat_allocator;
+} metaslab_alloc_trace_t;
+
+/*
+ * Used by the metaslab allocation tracing facility to indicate
+ * error conditions. These errors are stored to the offset member
+ * of the metaslab_alloc_trace_t record and displayed by mdb.
+ */
+typedef enum trace_alloc_type {
+       TRACE_ALLOC_FAILURE     = -1ULL,
+       TRACE_TOO_SMALL         = -2ULL,
+       TRACE_FORCE_GANG        = -3ULL,
+       TRACE_NOT_ALLOCATABLE   = -4ULL,
+       TRACE_GROUP_FAILURE     = -5ULL,
+       TRACE_ENOSPC            = -6ULL,
+       TRACE_CONDENSING        = -7ULL,
+       TRACE_VDEV_ERROR        = -8ULL,
+       TRACE_DISABLED          = -9ULL,
+} trace_alloc_type_t;
+
+#define        METASLAB_WEIGHT_PRIMARY         (1ULL << 63)
+#define        METASLAB_WEIGHT_SECONDARY       (1ULL << 62)
+#define        METASLAB_WEIGHT_CLAIM           (1ULL << 61)
+#define        METASLAB_WEIGHT_TYPE            (1ULL << 60)
+#define        METASLAB_ACTIVE_MASK            \
+       (METASLAB_WEIGHT_PRIMARY | METASLAB_WEIGHT_SECONDARY | \
+       METASLAB_WEIGHT_CLAIM)
+
+/*
+ * The metaslab weight is used to encode the amount of free space in a
+ * metaslab, such that the "best" metaslab appears first when sorting the
+ * metaslabs by weight. The weight (and therefore the "best" metaslab) can
+ * be determined in two different ways: by computing a weighted sum of all
+ * the free space in the metaslab (a space based weight) or by counting only
+ * the free segments of the largest size (a segment based weight). We prefer
+ * the segment based weight because it reflects how the free space is
+ * comprised, but we cannot always use it -- legacy pools do not have the
+ * space map histogram information necessary to determine the largest
+ * contiguous regions. Pools that have the space map histogram determine
+ * the segment weight by looking at each bucket in the histogram and
+ * determining the free space whose size in bytes is in the range:
+ *     [2^i, 2^(i+1))
+ * We then encode the largest index, i, that contains regions into the
+ * segment-weighted value.
+ *
+ * Space-based weight:
+ *
+ *      64      56      48      40      32      24      16      8       0
+ *      +-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+
+ *      |PSC1|                  weighted-free space                     |
+ *      +-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+
+ *
+ *     PS - indicates primary and secondary activation
+ *     C - indicates activation for claimed block zio
+ *     space - the fragmentation-weighted space
+ *
+ * Segment-based weight:
+ *
+ *      64      56      48      40      32      24      16      8       0
+ *      +-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+
+ *      |PSC0| idx|            count of segments in region              |
+ *      +-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+
+ *
+ *     PS - indicates primary and secondary activation
+ *     C - indicates activation for claimed block zio
+ *     idx - index for the highest bucket in the histogram
+ *     count - number of segments in the specified bucket
+ */
+#define        WEIGHT_GET_ACTIVE(weight)               BF64_GET((weight), 61, 3)
+#define        WEIGHT_SET_ACTIVE(weight, x)            BF64_SET((weight), 61, 3, x)
+
+#define        WEIGHT_IS_SPACEBASED(weight)            \
+       ((weight) == 0 || BF64_GET((weight), 60, 1))
+#define        WEIGHT_SET_SPACEBASED(weight)           BF64_SET((weight), 60, 1, 1)
+
+/*
+ * These macros are only applicable to segment-based weighting.
+ */
+#define        WEIGHT_GET_INDEX(weight)                BF64_GET((weight), 54, 6)
+#define        WEIGHT_SET_INDEX(weight, x)             BF64_SET((weight), 54, 6, x)
+#define        WEIGHT_GET_COUNT(weight)                BF64_GET((weight), 0, 54)
+#define        WEIGHT_SET_COUNT(weight, x)             BF64_SET((weight), 0, 54, x)
+
 /*
  * A metaslab class encompasses a category of allocatable top-level vdevs.
  * Each top-level vdev is associated with a metaslab group which defines
@@ -90,8 +185,8 @@ struct metaslab_class {
         * allowed to reserve slots even if we've reached the maximum
         * number of allocations allowed.
         */
-       uint64_t                mc_alloc_max_slots;
-       refcount_t              mc_alloc_slots;
+       uint64_t                *mc_alloc_max_slots;
+       zfs_refcount_t          *mc_alloc_slots;
 
        uint64_t                mc_alloc_groups; /* # of allocatable groups */
 
@@ -100,8 +195,24 @@ struct metaslab_class {
        uint64_t                mc_space;       /* total space (alloc + free) */
        uint64_t                mc_dspace;      /* total deflated space */
        uint64_t                mc_histogram[RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE];
+
+       /*
+        * List of all loaded metaslabs in the class, sorted in order of most
+        * recent use.
+        */
+       multilist_t             *mc_metaslab_txg_list;
 };
 
+/*
+ * Per-allocator data structure.
+ */
+typedef struct metaslab_group_allocator {
+       uint64_t        mga_cur_max_alloc_queue_depth;
+       zfs_refcount_t  mga_alloc_queue_depth;
+       metaslab_t      *mga_primary;
+       metaslab_t      *mga_secondary;
+} metaslab_group_allocator_t;
+
 /*
  * Metaslab groups encapsulate all the allocatable regions (i.e. metaslabs)
  * of a top-level vdev. They are linked together to form a circular linked
@@ -116,6 +227,7 @@ struct metaslab_group {
        avl_tree_t              mg_metaslab_tree;
        uint64_t                mg_aliquot;
        boolean_t               mg_allocatable;         /* can we allocate? */
+       uint64_t                mg_ms_ready;
 
        /*
         * A metaslab group is considered to be initialized only after
@@ -135,15 +247,32 @@ struct metaslab_group {
        metaslab_group_t        *mg_next;
 
        /*
-        * Each metaslab group can handle mg_max_alloc_queue_depth allocations
-        * which are tracked by mg_alloc_queue_depth. It's possible for a
-        * metaslab group to handle more allocations than its max. This
-        * can occur when gang blocks are required or when other groups
-        * are unable to handle their share of allocations.
+        * In order for the allocation throttle to function properly, we cannot
+        * have too many IOs going to each disk by default; the throttle
+        * operates by allocating more work to disks that finish quickly, so
+        * allocating larger chunks to each disk reduces its effectiveness.
+        * However, if the number of IOs going to each allocator is too small,
+        * we will not perform proper aggregation at the vdev_queue layer,
+        * also resulting in decreased performance. Therefore, we will use a
+        * ramp-up strategy.
+        *
+        * Each allocator in each metaslab group has a current queue depth
+        * (mg_alloc_queue_depth[allocator]) and a current max queue depth
+        * (mg_cur_max_alloc_queue_depth[allocator]), and each metaslab group
+        * has an absolute max queue depth (mg_max_alloc_queue_depth).  We
+        * add IOs to an allocator until the mg_alloc_queue_depth for that
+        * allocator hits the cur_max. Every time an IO completes for a given
+        * allocator on a given metaslab group, we increment its cur_max until
+        * it reaches mg_max_alloc_queue_depth. The cur_max resets every txg to
+        * help protect against disks that decrease in performance over time.
+        *
+        * It's possible for an allocator to handle more allocations than
+        * its max. This can occur when gang blocks are required or when other
+        * groups are unable to handle their share of allocations.
         */
        uint64_t                mg_max_alloc_queue_depth;
-       refcount_t              mg_alloc_queue_depth;
-
+       int                     mg_allocators;
+       metaslab_group_allocator_t *mg_allocator; /* array */
        /*
         * A metalab group that can no longer allocate the minimum block
         * size will set mg_no_free_space. Once a metaslab group is out
@@ -156,6 +285,11 @@ struct metaslab_group {
        uint64_t                mg_failed_allocations;
        uint64_t                mg_fragmentation;
        uint64_t                mg_histogram[RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE];
+
+       int                     mg_ms_disabled;
+       boolean_t               mg_disabled_updating;
+       kmutex_t                mg_ms_disabled_lock;
+       kcondvar_t              mg_ms_disabled_cv;
 };
 
 /*
@@ -166,21 +300,23 @@ struct metaslab_group {
 #define        MAX_LBAS        64
 
 /*
- * Each metaslab maintains a set of in-core trees to track metaslab operations.
- * The in-core free tree (ms_tree) contains the current list of free segments.
- * As blocks are allocated, the allocated segment are removed from the ms_tree
- * and added to a per txg allocation tree (ms_alloctree). As blocks are freed,
- * they are added to the per txg free tree (ms_freetree). These per txg
- * trees allow us to process all allocations and frees in syncing context
- * where it is safe to update the on-disk space maps. One additional in-core
- * tree is maintained to track deferred frees (ms_defertree). Once a block
- * is freed it will move from the ms_freetree to the ms_defertree. A deferred
- * free means that a block has been freed but cannot be used by the pool
- * until TXG_DEFER_SIZE transactions groups later. For example, a block
- * that is freed in txg 50 will not be available for reallocation until
- * txg 52 (50 + TXG_DEFER_SIZE).  This provides a safety net for uberblock
- * rollback. A pool could be safely rolled back TXG_DEFERS_SIZE
- * transactions groups and ensure that no block has been reallocated.
+ * Each metaslab maintains a set of in-core trees to track metaslab
+ * operations.  The in-core free tree (ms_allocatable) contains the list of
+ * free segments which are eligible for allocation.  As blocks are
+ * allocated, the allocated segment are removed from the ms_allocatable and
+ * added to a per txg allocation tree (ms_allocating).  As blocks are
+ * freed, they are added to the free tree (ms_freeing).  These trees
+ * allow us to process all allocations and frees in syncing context
+ * where it is safe to update the on-disk space maps.  An additional set
+ * of in-core trees is maintained to track deferred frees
+ * (ms_defer).  Once a block is freed it will move from the
+ * ms_freed to the ms_defer tree.  A deferred free means that a block
+ * has been freed but cannot be used by the pool until TXG_DEFER_SIZE
+ * transactions groups later.  For example, a block that is freed in txg
+ * 50 will not be available for reallocation until txg 52 (50 +
+ * TXG_DEFER_SIZE).  This provides a safety net for uberblock rollback.
+ * A pool could be safely rolled back TXG_DEFERS_SIZE transactions
+ * groups and ensure that no block has been reallocated.
  *
  * The simplified transition diagram looks like this:
  *
@@ -188,73 +324,237 @@ struct metaslab_group {
  *      ALLOCATE
  *         |
  *         V
- *    free segment (ms_tree) --------> ms_alloctree ----> (write to space map)
+ *    free segment (ms_allocatable) -> ms_allocating[4] -> (write to space map)
  *         ^
- *         |
- *         |                           ms_freetree <--- FREE
- *         |                                 |
- *         |                                 |
- *         |                                 |
- *         +----------- ms_defertree <-------+---------> (write to space map)
+ *         |                        ms_freeing <--- FREE
+ *         |                             |
+ *         |                             v
+ *         |                         ms_freed
+ *         |                             |
+ *         +-------- ms_defer[2] <-------+-------> (write to space map)
  *
  *
  * Each metaslab's space is tracked in a single space map in the MOS,
- * which is only updated in syncing context. Each time we sync a txg,
- * we append the allocs and frees from that txg to the space map.
- * The pool space is only updated once all metaslabs have finished syncing.
+ * which is only updated in syncing context.  Each time we sync a txg,
+ * we append the allocs and frees from that txg to the space map.  The
+ * pool space is only updated once all metaslabs have finished syncing.
  *
- * To load the in-core free tree we read the space map from disk.
- * This object contains a series of alloc and free records that are
- * combined to make up the list of all free segments in this metaslab. These
- * segments are represented in-core by the ms_tree and are stored in an
- * AVL tree.
+ * To load the in-core free tree we read the space map from disk.  This
+ * object contains a series of alloc and free records that are combined
+ * to make up the list of all free segments in this metaslab.  These
+ * segments are represented in-core by the ms_allocatable and are stored
+ * in an AVL tree.
  *
  * As the space map grows (as a result of the appends) it will
- * eventually become space-inefficient. When the metaslab's in-core free tree
- * is zfs_condense_pct/100 times the size of the minimal on-disk
- * representation, we rewrite it in its minimized form. If a metaslab
- * needs to condense then we must set the ms_condensing flag to ensure
- * that allocations are not performed on the metaslab that is being written.
+ * eventually become space-inefficient.  When the metaslab's in-core
+ * free tree is zfs_condense_pct/100 times the size of the minimal
+ * on-disk representation, we rewrite it in its minimized form.  If a
+ * metaslab needs to condense then we must set the ms_condensing flag to
+ * ensure that allocations are not performed on the metaslab that is
+ * being written.
  */
 struct metaslab {
+       /*
+        * This is the main lock of the metaslab and its purpose is to
+        * coordinate our allocations and frees [e.g metaslab_block_alloc(),
+        * metaslab_free_concrete(), ..etc] with our various syncing
+        * procedures [e.g. metaslab_sync(), metaslab_sync_done(), ..etc].
+        *
+        * The lock is also used during some miscellaneous operations like
+        * using the metaslab's histogram for the metaslab group's histogram
+        * aggregation, or marking the metaslab for initialization.
+        */
        kmutex_t        ms_lock;
+
+       /*
+        * Acquired together with the ms_lock whenever we expect to
+        * write to metaslab data on-disk (i.e flushing entries to
+        * the metaslab's space map). It helps coordinate readers of
+        * the metaslab's space map [see spa_vdev_remove_thread()]
+        * with writers [see metaslab_sync() or metaslab_flush()].
+        *
+        * Note that metaslab_load(), even though a reader, uses
+        * a completely different mechanism to deal with the reading
+        * of the metaslab's space map based on ms_synced_length. That
+        * said, the function still uses the ms_sync_lock after it
+        * has read the ms_sm [see relevant comment in metaslab_load()
+        * as to why].
+        */
+       kmutex_t        ms_sync_lock;
+
        kcondvar_t      ms_load_cv;
        space_map_t     *ms_sm;
-       metaslab_ops_t  *ms_ops;
        uint64_t        ms_id;
        uint64_t        ms_start;
        uint64_t        ms_size;
        uint64_t        ms_fragmentation;
 
-       range_tree_t    *ms_alloctree[TXG_SIZE];
-       range_tree_t    *ms_freetree[TXG_SIZE];
-       range_tree_t    *ms_defertree[TXG_DEFER_SIZE];
-       range_tree_t    *ms_tree;
+       range_tree_t    *ms_allocating[TXG_SIZE];
+       range_tree_t    *ms_allocatable;
+       uint64_t        ms_allocated_this_txg;
+       uint64_t        ms_allocating_total;
+
+       /*
+        * The following range trees are accessed only from syncing context.
+        * ms_free*tree only have entries while syncing, and are empty
+        * between syncs.
+        */
+       range_tree_t    *ms_freeing;    /* to free this syncing txg */
+       range_tree_t    *ms_freed;      /* already freed this syncing txg */
+       range_tree_t    *ms_defer[TXG_DEFER_SIZE];
+       range_tree_t    *ms_checkpointing; /* to add to the checkpoint */
+
+       /*
+        * The ms_trim tree is the set of allocatable segments which are
+        * eligible for trimming. (When the metaslab is loaded, it's a
+        * subset of ms_allocatable.)  It's kept in-core as long as the
+        * autotrim property is set and is not vacated when the metaslab
+        * is unloaded.  Its purpose is to aggregate freed ranges to
+        * facilitate efficient trimming.
+        */
+       range_tree_t    *ms_trim;
 
        boolean_t       ms_condensing;  /* condensing? */
        boolean_t       ms_condense_wanted;
+
+       /*
+        * The number of consumers which have disabled the metaslab.
+        */
+       uint64_t        ms_disabled;
+
+       /*
+        * We must always hold the ms_lock when modifying ms_loaded
+        * and ms_loading.
+        */
        boolean_t       ms_loaded;
        boolean_t       ms_loading;
+       kcondvar_t      ms_flush_cv;
+       boolean_t       ms_flushing;
+
+       /*
+        * The following histograms count entries that are in the
+        * metaslab's space map (and its histogram) but are not in
+        * ms_allocatable yet, because they are in ms_freed, ms_freeing,
+        * or ms_defer[].
+        *
+        * When the metaslab is not loaded, its ms_weight needs to
+        * reflect what is allocatable (i.e. what will be part of
+        * ms_allocatable if it is loaded).  The weight is computed from
+        * the spacemap histogram, but that includes ranges that are
+        * not yet allocatable (because they are in ms_freed,
+        * ms_freeing, or ms_defer[]).  Therefore, when calculating the
+        * weight, we need to remove those ranges.
+        *
+        * The ranges in the ms_freed and ms_defer[] range trees are all
+        * present in the spacemap.  However, the spacemap may have
+        * multiple entries to represent a contiguous range, because it
+        * is written across multiple sync passes, but the changes of
+        * all sync passes are consolidated into the range trees.
+        * Adjacent ranges that are freed in different sync passes of
+        * one txg will be represented separately (as 2 or more entries)
+        * in the space map (and its histogram), but these adjacent
+        * ranges will be consolidated (represented as one entry) in the
+        * ms_freed/ms_defer[] range trees (and their histograms).
+        *
+        * When calculating the weight, we can not simply subtract the
+        * range trees' histograms from the spacemap's histogram,
+        * because the range trees' histograms may have entries in
+        * higher buckets than the spacemap, due to consolidation.
+        * Instead we must subtract the exact entries that were added to
+        * the spacemap's histogram.  ms_synchist and ms_deferhist[]
+        * represent these exact entries, so we can subtract them from
+        * the spacemap's histogram when calculating ms_weight.
+        *
+        * ms_synchist represents the same ranges as ms_freeing +
+        * ms_freed, but without consolidation across sync passes.
+        *
+        * ms_deferhist[i] represents the same ranges as ms_defer[i],
+        * but without consolidation across sync passes.
+        */
+       uint64_t        ms_synchist[SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE];
+       uint64_t        ms_deferhist[TXG_DEFER_SIZE][SPACE_MAP_HISTOGRAM_SIZE];
 
+       /*
+        * Tracks the exact amount of allocated space of this metaslab
+        * (and specifically the metaslab's space map) up to the most
+        * recently completed sync pass [see usage in metaslab_sync()].
+        */
+       uint64_t        ms_allocated_space;
        int64_t         ms_deferspace;  /* sum of ms_defermap[] space   */
        uint64_t        ms_weight;      /* weight vs. others in group   */
-       uint64_t        ms_access_txg;
+       uint64_t        ms_activation_weight;   /* activation weight    */
+
+       /*
+        * Track of whenever a metaslab is selected for loading or allocation.
+        * We use this value to determine how long the metaslab should
+        * stay cached.
+        */
+       uint64_t        ms_selected_txg;
+       /*
+        * ms_load/unload_time can be used for performance monitoring
+        * (e.g. by dtrace or mdb).
+        */
+       hrtime_t        ms_load_time;   /* time last loaded */
+       hrtime_t        ms_unload_time; /* time last unloaded */
+       hrtime_t        ms_selected_time; /* time last allocated from */
+
+       uint64_t        ms_alloc_txg;   /* last successful alloc (debug only) */
+       uint64_t        ms_max_size;    /* maximum allocatable size     */
+
+       /*
+        * -1 if it's not active in an allocator, otherwise set to the allocator
+        * this metaslab is active for.
+        */
+       int             ms_allocator;
+       boolean_t       ms_primary; /* Only valid if ms_allocator is not -1 */
 
        /*
         * The metaslab block allocators can optionally use a size-ordered
         * range tree and/or an array of LBAs. Not all allocators use
-        * this functionality. The ms_size_tree should always contain the
-        * same number of segments as the ms_tree. The only difference
-        * is that the ms_size_tree is ordered by segment sizes.
+        * this functionality. The ms_allocatable_by_size should always
+        * contain the same number of segments as the ms_allocatable. The
+        * only difference is that the ms_allocatable_by_size is ordered by
+        * segment sizes.
         */
-       avl_tree_t      ms_size_tree;
+       zfs_btree_t             ms_allocatable_by_size;
+       zfs_btree_t             ms_unflushed_frees_by_size;
        uint64_t        ms_lbas[MAX_LBAS];
 
        metaslab_group_t *ms_group;     /* metaslab group               */
        avl_node_t      ms_group_node;  /* node in metaslab group tree  */
        txg_node_t      ms_txg_node;    /* per-txg dirty metaslab links */
+       avl_node_t      ms_spa_txg_node; /* node in spa_metaslabs_by_txg */
+       /*
+        * Node in metaslab class's selected txg list
+        */
+       multilist_node_t        ms_class_txg_node;
+
+       /*
+        * Allocs and frees that are committed to the vdev log spacemap but
+        * not yet to this metaslab's spacemap.
+        */
+       range_tree_t    *ms_unflushed_allocs;
+       range_tree_t    *ms_unflushed_frees;
+
+       /*
+        * We have flushed entries up to but not including this TXG. In
+        * other words, all changes from this TXG and onward should not
+        * be in this metaslab's space map and must be read from the
+        * log space maps.
+        */
+       uint64_t        ms_unflushed_txg;
+
+       /* updated every time we are done syncing the metaslab's space map */
+       uint64_t        ms_synced_length;
+
+       boolean_t       ms_new;
 };
 
+typedef struct metaslab_unflushed_phys {
+       /* on-disk counterpart of ms_unflushed_txg */
+       uint64_t        msp_unflushed_txg;
+} metaslab_unflushed_phys_t;
+
 #ifdef __cplusplus
 }
 #endif