]> git.proxmox.com Git - mirror_zfs.git/blobdiff - include/sys/metaslab_impl.h
OpenZFS 7614, 9064 - zfs device evacuation/removal
[mirror_zfs.git] / include / sys / metaslab_impl.h
index 6c670a1624abae02918558b717ed3423149aee6e..76f670a4d43f565dafc5bb87d1a4a3273240f9b4 100644 (file)
 /*
  * Copyright 2009 Sun Microsystems, Inc.  All rights reserved.
  * Use is subject to license terms.
- * Copyright (c) 2011 by Delphix. All rights reserved.
+ */
+
+/*
+ * Copyright (c) 2011, 2016 by Delphix. All rights reserved.
  */
 
 #ifndef _SYS_METASLAB_IMPL_H
@@ -29,6 +32,7 @@
 
 #include <sys/metaslab.h>
 #include <sys/space_map.h>
+#include <sys/range_tree.h>
 #include <sys/vdev.h>
 #include <sys/txg.h>
 #include <sys/avl.h>
 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;
+} 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_alloc_type_t;
+
+#define        METASLAB_WEIGHT_PRIMARY         (1ULL << 63)
+#define        METASLAB_WEIGHT_SECONDARY       (1ULL << 62)
+#define        METASLAB_WEIGHT_TYPE            (1ULL << 61)
+#define        METASLAB_ACTIVE_MASK            \
+       (METASLAB_WEIGHT_PRIMARY | METASLAB_WEIGHT_SECONDARY)
+
+/*
+ * 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
+ *      +-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+
+ *      |PS1|                   weighted-free space                     |
+ *      +-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+
+ *
+ *     PS - indicates primary and secondary activation
+ *     space - the fragmentation-weighted space
+ *
+ * Segment-based weight:
+ *
+ *      64      56      48      40      32      24      16      8       0
+ *      +-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+
+ *      |PS0| idx|             count of segments in region              |
+ *      +-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+
+ *
+ *     PS - indicates primary and secondary activation
+ *     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), 62, 2)
+#define        WEIGHT_SET_ACTIVE(weight, x)            BF64_SET((weight), 62, 2, x)
+
+#define        WEIGHT_IS_SPACEBASED(weight)            \
+       ((weight) == 0 || BF64_GET((weight), 61, 1))
+#define        WEIGHT_SET_SPACEBASED(weight)           BF64_SET((weight), 61, 1, 1)
+
+/*
+ * These macros are only applicable to segment-based weighting.
+ */
+#define        WEIGHT_GET_INDEX(weight)                BF64_GET((weight), 55, 6)
+#define        WEIGHT_SET_INDEX(weight, x)             BF64_SET((weight), 55, 6, x)
+#define        WEIGHT_GET_COUNT(weight)                BF64_GET((weight), 0, 55)
+#define        WEIGHT_SET_COUNT(weight, x)             BF64_SET((weight), 0, 55, x)
+
+/*
+ * A metaslab class encompasses a category of allocatable top-level vdevs.
+ * Each top-level vdev is associated with a metaslab group which defines
+ * the allocatable region for that vdev. Examples of these categories include
+ * "normal" for data block allocations (i.e. main pool allocations) or "log"
+ * for allocations designated for intent log devices (i.e. slog devices).
+ * When a block allocation is requested from the SPA it is associated with a
+ * metaslab_class_t, and only top-level vdevs (i.e. metaslab groups) belonging
+ * to the class can be used to satisfy that request. Allocations are done
+ * by traversing the metaslab groups that are linked off of the mc_rotor field.
+ * This rotor points to the next metaslab group where allocations will be
+ * attempted. Allocating a block is a 3 step process -- select the metaslab
+ * group, select the metaslab, and then allocate the block. The metaslab
+ * class defines the low-level block allocator that will be used as the
+ * final step in allocation. These allocators are pluggable allowing each class
+ * to use a block allocator that best suits that class.
+ */
 struct metaslab_class {
+       kmutex_t                mc_lock;
        spa_t                   *mc_spa;
        metaslab_group_t        *mc_rotor;
-       space_map_ops_t         *mc_ops;
+       metaslab_ops_t          *mc_ops;
        uint64_t                mc_aliquot;
+
+       /*
+        * Track the number of metaslab groups that have been initialized
+        * and can accept allocations. An initialized metaslab group is
+        * one has been completely added to the config (i.e. we have
+        * updated the MOS config and the space has been added to the pool).
+        */
+       uint64_t                mc_groups;
+
+       /*
+        * Toggle to enable/disable the allocation throttle.
+        */
+       boolean_t               mc_alloc_throttle_enabled;
+
+       /*
+        * The allocation throttle works on a reservation system. Whenever
+        * an asynchronous zio wants to perform an allocation it must
+        * first reserve the number of blocks that it wants to allocate.
+        * If there aren't sufficient slots available for the pending zio
+        * then that I/O is throttled until more slots free up. The current
+        * number of reserved allocations is maintained by the mc_alloc_slots
+        * refcount. The mc_alloc_max_slots value determines the maximum
+        * number of allocations that the system allows. Gang blocks are
+        * 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_groups; /* # of allocatable groups */
+
        uint64_t                mc_alloc;       /* total allocated space */
        uint64_t                mc_deferred;    /* total deferred frees */
        uint64_t                mc_space;       /* total space (alloc + free) */
        uint64_t                mc_dspace;      /* total deflated space */
+       uint64_t                mc_histogram[RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE];
 };
 
+/*
+ * Metaslab groups encapsulate all the allocatable regions (i.e. metaslabs)
+ * of a top-level vdev. They are linked together to form a circular linked
+ * list and can belong to only one metaslab class. Metaslab groups may become
+ * ineligible for allocations for a number of reasons such as limited free
+ * space, fragmentation, or going offline. When this happens the allocator will
+ * simply find the next metaslab group in the linked list and attempt
+ * to allocate from that group instead.
+ */
 struct metaslab_group {
        kmutex_t                mg_lock;
        avl_tree_t              mg_metaslab_tree;
        uint64_t                mg_aliquot;
-       uint64_t                mg_bonus_area;
-       uint64_t                mg_alloc_failures;
+       boolean_t               mg_allocatable;         /* can we allocate? */
+
+       /*
+        * A metaslab group is considered to be initialized only after
+        * we have updated the MOS config and added the space to the pool.
+        * We only allow allocation attempts to a metaslab group if it
+        * has been initialized.
+        */
+       boolean_t               mg_initialized;
+
+       uint64_t                mg_free_capacity;       /* percentage free */
        int64_t                 mg_bias;
        int64_t                 mg_activation_count;
        metaslab_class_t        *mg_class;
        vdev_t                  *mg_vd;
+       taskq_t                 *mg_taskq;
        metaslab_group_t        *mg_prev;
        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.
+        */
+       uint64_t                mg_max_alloc_queue_depth;
+       refcount_t              mg_alloc_queue_depth;
+
+       /*
+        * A metalab group that can no longer allocate the minimum block
+        * size will set mg_no_free_space. Once a metaslab group is out
+        * of space then its share of work must be distributed to other
+        * groups.
+        */
+       boolean_t               mg_no_free_space;
+
+       uint64_t                mg_allocations;
+       uint64_t                mg_failed_allocations;
+       uint64_t                mg_fragmentation;
+       uint64_t                mg_histogram[RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE];
 };
 
 /*
- * Each metaslab's free space is tracked in space map object in the MOS,
+ * This value defines the number of elements in the ms_lbas array. The value
+ * of 64 was chosen as it covers all power of 2 buckets up to UINT64_MAX.
+ * This is the equivalent of highbit(UINT64_MAX).
+ */
+#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 list of
+ * free segments which are eligible for allocation.  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 free tree (ms_freeingtree).  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_defertree).  Once a block is freed it will move from the
+ * ms_freedtree 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.
+ *
+ * The simplified transition diagram looks like this:
+ *
+ *
+ *      ALLOCATE
+ *         |
+ *         V
+ *    free segment (ms_tree) -----> ms_alloctree[4] ----> (write to space map)
+ *         ^
+ *         |                           ms_freeingtree <--- FREE
+ *         |                                 |
+ *         |                                 v
+ *         |                           ms_freedtree
+ *         |                                 |
+ *         +-------- ms_defertree[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 object.
- * When the txg is done syncing, metaslab_sync_done() updates ms_smo
- * to ms_smo_syncing.  Everything in ms_smo is always safe to allocate.
+ * 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.
+ *
+ * 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.
  */
 struct metaslab {
-       kmutex_t        ms_lock;        /* metaslab lock                */
-       space_map_obj_t ms_smo;         /* synced space map object      */
-       space_map_obj_t ms_smo_syncing; /* syncing space map object     */
-       space_map_t     ms_allocmap[TXG_SIZE];  /* allocated this txg   */
-       space_map_t     ms_freemap[TXG_SIZE];   /* freed this txg       */
-       space_map_t     ms_defermap[TXG_DEFER_SIZE]; /* deferred frees  */
-       space_map_t     ms_map;         /* in-core free space map       */
+       kmutex_t        ms_lock;
+       kmutex_t        ms_sync_lock;
+       kcondvar_t      ms_load_cv;
+       space_map_t     *ms_sm;
+       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_tree;
+
+       /*
+        * 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_freeingtree; /* to free this syncing txg */
+       range_tree_t    *ms_freedtree; /* already freed this syncing txg */
+       range_tree_t    *ms_defertree[TXG_DEFER_SIZE];
+
+       boolean_t       ms_condensing;  /* condensing? */
+       boolean_t       ms_condense_wanted;
+
+       /*
+        * We must hold both ms_lock and ms_group->mg_lock in order to
+        * modify ms_loaded.
+        */
+       boolean_t       ms_loaded;
+       boolean_t       ms_loading;
+
        int64_t         ms_deferspace;  /* sum of ms_defermap[] space   */
        uint64_t        ms_weight;      /* weight vs. others in group   */
+       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;
+
+       uint64_t        ms_alloc_txg;   /* last successful alloc (debug only) */
+       uint64_t        ms_max_size;    /* maximum allocatable size     */
+
+       /*
+        * 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.
+        */
+       avl_tree_t      ms_size_tree;
+       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 */