]> granicus.if.org Git - zfs/blob - include/sys/metaslab_impl.h
76f670a4d43f565dafc5bb87d1a4a3273240f9b4
[zfs] / include / sys / metaslab_impl.h
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) 2011, 2016 by Delphix. All rights reserved.
28  */
29
30 #ifndef _SYS_METASLAB_IMPL_H
31 #define _SYS_METASLAB_IMPL_H
32
33 #include <sys/metaslab.h>
34 #include <sys/space_map.h>
35 #include <sys/range_tree.h>
36 #include <sys/vdev.h>
37 #include <sys/txg.h>
38 #include <sys/avl.h>
39
40 #ifdef  __cplusplus
41 extern "C" {
42 #endif
43
44 /*
45  * Metaslab allocation tracing record.
46  */
47 typedef struct metaslab_alloc_trace {
48         list_node_t                     mat_list_node;
49         metaslab_group_t                *mat_mg;
50         metaslab_t                      *mat_msp;
51         uint64_t                        mat_size;
52         uint64_t                        mat_weight;
53         uint32_t                        mat_dva_id;
54         uint64_t                        mat_offset;
55 } metaslab_alloc_trace_t;
56
57 /*
58  * Used by the metaslab allocation tracing facility to indicate
59  * error conditions. These errors are stored to the offset member
60  * of the metaslab_alloc_trace_t record and displayed by mdb.
61  */
62 typedef enum trace_alloc_type {
63         TRACE_ALLOC_FAILURE     = -1ULL,
64         TRACE_TOO_SMALL         = -2ULL,
65         TRACE_FORCE_GANG        = -3ULL,
66         TRACE_NOT_ALLOCATABLE   = -4ULL,
67         TRACE_GROUP_FAILURE     = -5ULL,
68         TRACE_ENOSPC            = -6ULL,
69         TRACE_CONDENSING        = -7ULL,
70         TRACE_VDEV_ERROR        = -8ULL
71 } trace_alloc_type_t;
72
73 #define METASLAB_WEIGHT_PRIMARY         (1ULL << 63)
74 #define METASLAB_WEIGHT_SECONDARY       (1ULL << 62)
75 #define METASLAB_WEIGHT_TYPE            (1ULL << 61)
76 #define METASLAB_ACTIVE_MASK            \
77         (METASLAB_WEIGHT_PRIMARY | METASLAB_WEIGHT_SECONDARY)
78
79 /*
80  * The metaslab weight is used to encode the amount of free space in a
81  * metaslab, such that the "best" metaslab appears first when sorting the
82  * metaslabs by weight. The weight (and therefore the "best" metaslab) can
83  * be determined in two different ways: by computing a weighted sum of all
84  * the free space in the metaslab (a space based weight) or by counting only
85  * the free segments of the largest size (a segment based weight). We prefer
86  * the segment based weight because it reflects how the free space is
87  * comprised, but we cannot always use it -- legacy pools do not have the
88  * space map histogram information necessary to determine the largest
89  * contiguous regions. Pools that have the space map histogram determine
90  * the segment weight by looking at each bucket in the histogram and
91  * determining the free space whose size in bytes is in the range:
92  *      [2^i, 2^(i+1))
93  * We then encode the largest index, i, that contains regions into the
94  * segment-weighted value.
95  *
96  * Space-based weight:
97  *
98  *      64      56      48      40      32      24      16      8       0
99  *      +-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+
100  *      |PS1|                   weighted-free space                     |
101  *      +-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+
102  *
103  *      PS - indicates primary and secondary activation
104  *      space - the fragmentation-weighted space
105  *
106  * Segment-based weight:
107  *
108  *      64      56      48      40      32      24      16      8       0
109  *      +-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+
110  *      |PS0| idx|             count of segments in region              |
111  *      +-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+-------+
112  *
113  *      PS - indicates primary and secondary activation
114  *      idx - index for the highest bucket in the histogram
115  *      count - number of segments in the specified bucket
116  */
117 #define WEIGHT_GET_ACTIVE(weight)               BF64_GET((weight), 62, 2)
118 #define WEIGHT_SET_ACTIVE(weight, x)            BF64_SET((weight), 62, 2, x)
119
120 #define WEIGHT_IS_SPACEBASED(weight)            \
121         ((weight) == 0 || BF64_GET((weight), 61, 1))
122 #define WEIGHT_SET_SPACEBASED(weight)           BF64_SET((weight), 61, 1, 1)
123
124 /*
125  * These macros are only applicable to segment-based weighting.
126  */
127 #define WEIGHT_GET_INDEX(weight)                BF64_GET((weight), 55, 6)
128 #define WEIGHT_SET_INDEX(weight, x)             BF64_SET((weight), 55, 6, x)
129 #define WEIGHT_GET_COUNT(weight)                BF64_GET((weight), 0, 55)
130 #define WEIGHT_SET_COUNT(weight, x)             BF64_SET((weight), 0, 55, x)
131
132 /*
133  * A metaslab class encompasses a category of allocatable top-level vdevs.
134  * Each top-level vdev is associated with a metaslab group which defines
135  * the allocatable region for that vdev. Examples of these categories include
136  * "normal" for data block allocations (i.e. main pool allocations) or "log"
137  * for allocations designated for intent log devices (i.e. slog devices).
138  * When a block allocation is requested from the SPA it is associated with a
139  * metaslab_class_t, and only top-level vdevs (i.e. metaslab groups) belonging
140  * to the class can be used to satisfy that request. Allocations are done
141  * by traversing the metaslab groups that are linked off of the mc_rotor field.
142  * This rotor points to the next metaslab group where allocations will be
143  * attempted. Allocating a block is a 3 step process -- select the metaslab
144  * group, select the metaslab, and then allocate the block. The metaslab
145  * class defines the low-level block allocator that will be used as the
146  * final step in allocation. These allocators are pluggable allowing each class
147  * to use a block allocator that best suits that class.
148  */
149 struct metaslab_class {
150         kmutex_t                mc_lock;
151         spa_t                   *mc_spa;
152         metaslab_group_t        *mc_rotor;
153         metaslab_ops_t          *mc_ops;
154         uint64_t                mc_aliquot;
155
156         /*
157          * Track the number of metaslab groups that have been initialized
158          * and can accept allocations. An initialized metaslab group is
159          * one has been completely added to the config (i.e. we have
160          * updated the MOS config and the space has been added to the pool).
161          */
162         uint64_t                mc_groups;
163
164         /*
165          * Toggle to enable/disable the allocation throttle.
166          */
167         boolean_t               mc_alloc_throttle_enabled;
168
169         /*
170          * The allocation throttle works on a reservation system. Whenever
171          * an asynchronous zio wants to perform an allocation it must
172          * first reserve the number of blocks that it wants to allocate.
173          * If there aren't sufficient slots available for the pending zio
174          * then that I/O is throttled until more slots free up. The current
175          * number of reserved allocations is maintained by the mc_alloc_slots
176          * refcount. The mc_alloc_max_slots value determines the maximum
177          * number of allocations that the system allows. Gang blocks are
178          * allowed to reserve slots even if we've reached the maximum
179          * number of allocations allowed.
180          */
181         uint64_t                mc_alloc_max_slots;
182         refcount_t              mc_alloc_slots;
183
184         uint64_t                mc_alloc_groups; /* # of allocatable groups */
185
186         uint64_t                mc_alloc;       /* total allocated space */
187         uint64_t                mc_deferred;    /* total deferred frees */
188         uint64_t                mc_space;       /* total space (alloc + free) */
189         uint64_t                mc_dspace;      /* total deflated space */
190         uint64_t                mc_histogram[RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE];
191 };
192
193 /*
194  * Metaslab groups encapsulate all the allocatable regions (i.e. metaslabs)
195  * of a top-level vdev. They are linked together to form a circular linked
196  * list and can belong to only one metaslab class. Metaslab groups may become
197  * ineligible for allocations for a number of reasons such as limited free
198  * space, fragmentation, or going offline. When this happens the allocator will
199  * simply find the next metaslab group in the linked list and attempt
200  * to allocate from that group instead.
201  */
202 struct metaslab_group {
203         kmutex_t                mg_lock;
204         avl_tree_t              mg_metaslab_tree;
205         uint64_t                mg_aliquot;
206         boolean_t               mg_allocatable;         /* can we allocate? */
207
208         /*
209          * A metaslab group is considered to be initialized only after
210          * we have updated the MOS config and added the space to the pool.
211          * We only allow allocation attempts to a metaslab group if it
212          * has been initialized.
213          */
214         boolean_t               mg_initialized;
215
216         uint64_t                mg_free_capacity;       /* percentage free */
217         int64_t                 mg_bias;
218         int64_t                 mg_activation_count;
219         metaslab_class_t        *mg_class;
220         vdev_t                  *mg_vd;
221         taskq_t                 *mg_taskq;
222         metaslab_group_t        *mg_prev;
223         metaslab_group_t        *mg_next;
224
225         /*
226          * Each metaslab group can handle mg_max_alloc_queue_depth allocations
227          * which are tracked by mg_alloc_queue_depth. It's possible for a
228          * metaslab group to handle more allocations than its max. This
229          * can occur when gang blocks are required or when other groups
230          * are unable to handle their share of allocations.
231          */
232         uint64_t                mg_max_alloc_queue_depth;
233         refcount_t              mg_alloc_queue_depth;
234
235         /*
236          * A metalab group that can no longer allocate the minimum block
237          * size will set mg_no_free_space. Once a metaslab group is out
238          * of space then its share of work must be distributed to other
239          * groups.
240          */
241         boolean_t               mg_no_free_space;
242
243         uint64_t                mg_allocations;
244         uint64_t                mg_failed_allocations;
245         uint64_t                mg_fragmentation;
246         uint64_t                mg_histogram[RANGE_TREE_HISTOGRAM_SIZE];
247 };
248
249 /*
250  * This value defines the number of elements in the ms_lbas array. The value
251  * of 64 was chosen as it covers all power of 2 buckets up to UINT64_MAX.
252  * This is the equivalent of highbit(UINT64_MAX).
253  */
254 #define MAX_LBAS        64
255
256 /*
257  * Each metaslab maintains a set of in-core trees to track metaslab
258  * operations.  The in-core free tree (ms_tree) contains the list of
259  * free segments which are eligible for allocation.  As blocks are
260  * allocated, the allocated segment are removed from the ms_tree and
261  * added to a per txg allocation tree (ms_alloctree).  As blocks are
262  * freed, they are added to the free tree (ms_freeingtree).  These trees
263  * allow us to process all allocations and frees in syncing context
264  * where it is safe to update the on-disk space maps.  An additional set
265  * of in-core trees is maintained to track deferred frees
266  * (ms_defertree).  Once a block is freed it will move from the
267  * ms_freedtree to the ms_defertree.  A deferred free means that a block
268  * has been freed but cannot be used by the pool until TXG_DEFER_SIZE
269  * transactions groups later.  For example, a block that is freed in txg
270  * 50 will not be available for reallocation until txg 52 (50 +
271  * TXG_DEFER_SIZE).  This provides a safety net for uberblock rollback.
272  * A pool could be safely rolled back TXG_DEFERS_SIZE transactions
273  * groups and ensure that no block has been reallocated.
274  *
275  * The simplified transition diagram looks like this:
276  *
277  *
278  *      ALLOCATE
279  *         |
280  *         V
281  *    free segment (ms_tree) -----> ms_alloctree[4] ----> (write to space map)
282  *         ^
283  *         |                           ms_freeingtree <--- FREE
284  *         |                                 |
285  *         |                                 v
286  *         |                           ms_freedtree
287  *         |                                 |
288  *         +-------- ms_defertree[2] <-------+---------> (write to space map)
289  *
290  *
291  * Each metaslab's space is tracked in a single space map in the MOS,
292  * which is only updated in syncing context.  Each time we sync a txg,
293  * we append the allocs and frees from that txg to the space map.  The
294  * pool space is only updated once all metaslabs have finished syncing.
295  *
296  * To load the in-core free tree we read the space map from disk.  This
297  * object contains a series of alloc and free records that are combined
298  * to make up the list of all free segments in this metaslab.  These
299  * segments are represented in-core by the ms_tree and are stored in an
300  * AVL tree.
301  *
302  * As the space map grows (as a result of the appends) it will
303  * eventually become space-inefficient.  When the metaslab's in-core
304  * free tree is zfs_condense_pct/100 times the size of the minimal
305  * on-disk representation, we rewrite it in its minimized form.  If a
306  * metaslab needs to condense then we must set the ms_condensing flag to
307  * ensure that allocations are not performed on the metaslab that is
308  * being written.
309  */
310 struct metaslab {
311         kmutex_t        ms_lock;
312         kmutex_t        ms_sync_lock;
313         kcondvar_t      ms_load_cv;
314         space_map_t     *ms_sm;
315         uint64_t        ms_id;
316         uint64_t        ms_start;
317         uint64_t        ms_size;
318         uint64_t        ms_fragmentation;
319
320         range_tree_t    *ms_alloctree[TXG_SIZE];
321         range_tree_t    *ms_tree;
322
323         /*
324          * The following range trees are accessed only from syncing context.
325          * ms_free*tree only have entries while syncing, and are empty
326          * between syncs.
327          */
328         range_tree_t    *ms_freeingtree; /* to free this syncing txg */
329         range_tree_t    *ms_freedtree; /* already freed this syncing txg */
330         range_tree_t    *ms_defertree[TXG_DEFER_SIZE];
331
332         boolean_t       ms_condensing;  /* condensing? */
333         boolean_t       ms_condense_wanted;
334
335         /*
336          * We must hold both ms_lock and ms_group->mg_lock in order to
337          * modify ms_loaded.
338          */
339         boolean_t       ms_loaded;
340         boolean_t       ms_loading;
341
342         int64_t         ms_deferspace;  /* sum of ms_defermap[] space   */
343         uint64_t        ms_weight;      /* weight vs. others in group   */
344         uint64_t        ms_activation_weight;   /* activation weight    */
345
346         /*
347          * Track of whenever a metaslab is selected for loading or allocation.
348          * We use this value to determine how long the metaslab should
349          * stay cached.
350          */
351         uint64_t        ms_selected_txg;
352
353         uint64_t        ms_alloc_txg;   /* last successful alloc (debug only) */
354         uint64_t        ms_max_size;    /* maximum allocatable size     */
355
356         /*
357          * The metaslab block allocators can optionally use a size-ordered
358          * range tree and/or an array of LBAs. Not all allocators use
359          * this functionality. The ms_size_tree should always contain the
360          * same number of segments as the ms_tree. The only difference
361          * is that the ms_size_tree is ordered by segment sizes.
362          */
363         avl_tree_t      ms_size_tree;
364         uint64_t        ms_lbas[MAX_LBAS];
365
366         metaslab_group_t *ms_group;     /* metaslab group               */
367         avl_node_t      ms_group_node;  /* node in metaslab group tree  */
368         txg_node_t      ms_txg_node;    /* per-txg dirty metaslab links */
369 };
370
371 #ifdef  __cplusplus
372 }
373 #endif
374
375 #endif  /* _SYS_METASLAB_IMPL_H */