granicus.if.org Git - zfs/blob - module/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, 2018 by Delphix. All rights reserved.
  28  */
  29
  30 #include <sys/zfs_context.h>
  31 #include <sys/vdev_impl.h>
  32 #include <sys/spa_impl.h>
  33 #include <sys/zio.h>
  34 #include <sys/avl.h>
  35 #include <sys/dsl_pool.h>
  36 #include <sys/metaslab_impl.h>
  37 #include <sys/spa.h>
  38 #include <sys/spa_impl.h>
  39 #include <sys/kstat.h>
  40 #include <sys/abd.h>
  41
  42 /*
  43  * ZFS I/O Scheduler
  44  * ---------------
  45  *
  46  * ZFS issues I/O operations to leaf vdevs to satisfy and complete zios.  The
  47  * I/O scheduler determines when and in what order those operations are
  48  * issued.  The I/O scheduler divides operations into five I/O classes
  49  * prioritized in the following order: sync read, sync write, async read,
  50  * async write, and scrub/resilver.  Each queue defines the minimum and
  51  * maximum number of concurrent operations that may be issued to the device.
  52  * In addition, the device has an aggregate maximum. Note that the sum of the
  53  * per-queue minimums must not exceed the aggregate maximum. If the
  54  * sum of the per-queue maximums exceeds the aggregate maximum, then the
  55  * number of active i/os may reach zfs_vdev_max_active, in which case no
  56  * further i/os will be issued regardless of whether all per-queue
  57  * minimums have been met.
  58  *
  59  * For many physical devices, throughput increases with the number of
  60  * concurrent operations, but latency typically suffers. Further, physical
  61  * devices typically have a limit at which more concurrent operations have no
  62  * effect on throughput or can actually cause it to decrease.
  63  *
  64  * The scheduler selects the next operation to issue by first looking for an
  65  * I/O class whose minimum has not been satisfied. Once all are satisfied and
  66  * the aggregate maximum has not been hit, the scheduler looks for classes
  67  * whose maximum has not been satisfied. Iteration through the I/O classes is
  68  * done in the order specified above. No further operations are issued if the
  69  * aggregate maximum number of concurrent operations has been hit or if there
  70  * are no operations queued for an I/O class that has not hit its maximum.
  71  * Every time an i/o is queued or an operation completes, the I/O scheduler
  72  * looks for new operations to issue.
  73  *
  74  * All I/O classes have a fixed maximum number of outstanding operations
  75  * except for the async write class. Asynchronous writes represent the data
  76  * that is committed to stable storage during the syncing stage for
  77  * transaction groups (see txg.c). Transaction groups enter the syncing state
  78  * periodically so the number of queued async writes will quickly burst up and
  79  * then bleed down to zero. Rather than servicing them as quickly as possible,
  80  * the I/O scheduler changes the maximum number of active async write i/os
  81  * according to the amount of dirty data in the pool (see dsl_pool.c). Since
  82  * both throughput and latency typically increase with the number of
  83  * concurrent operations issued to physical devices, reducing the burstiness
  84  * in the number of concurrent operations also stabilizes the response time of
  85  * operations from other -- and in particular synchronous -- queues. In broad
  86  * strokes, the I/O scheduler will issue more concurrent operations from the
  87  * async write queue as there's more dirty data in the pool.
  88  *
  89  * Async Writes
  90  *
  91  * The number of concurrent operations issued for the async write I/O class
  92  * follows a piece-wise linear function defined by a few adjustable points.
  93  *
  94  *        |                   o---------| <-- zfs_vdev_async_write_max_active
  95  *   ^    |                  /^         |
  96  *   |    |                 / |         |
  97  * active |                /  |         |
  98  *  I/O   |               /   |         |
  99  * count  |              /    |         |
 100  *        |             /     |         |
 101  *        |------------o      |         | <-- zfs_vdev_async_write_min_active
 102  *       0|____________^______|_________|
 103  *        0%           |      |       100% of zfs_dirty_data_max
 104  *                     |      |
 105  *                     |      `-- zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent
 106  *                     `--------- zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent
 107  *
 108  * Until the amount of dirty data exceeds a minimum percentage of the dirty
 109  * data allowed in the pool, the I/O scheduler will limit the number of
 110  * concurrent operations to the minimum. As that threshold is crossed, the
 111  * number of concurrent operations issued increases linearly to the maximum at
 112  * the specified maximum percentage of the dirty data allowed in the pool.
 113  *
 114  * Ideally, the amount of dirty data on a busy pool will stay in the sloped
 115  * part of the function between zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent
 116  * and zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent. If it exceeds the
 117  * maximum percentage, this indicates that the rate of incoming data is
 118  * greater than the rate that the backend storage can handle. In this case, we
 119  * must further throttle incoming writes (see dmu_tx_delay() for details).
 120  */
 121
 122 /*
 123  * The maximum number of i/os active to each device.  Ideally, this will be >=
 124  * the sum of each queue's max_active.  It must be at least the sum of each
 125  * queue's min_active.
 126  */
 127 uint32_t zfs_vdev_max_active = 1000;
 128
 129 /*
 130  * Per-queue limits on the number of i/os active to each device.  If the
 131  * number of active i/os is < zfs_vdev_max_active, then the min_active comes
 132  * into play. We will send min_active from each queue, and then select from
 133  * queues in the order defined by zio_priority_t.
 134  *
 135  * In general, smaller max_active's will lead to lower latency of synchronous
 136  * operations.  Larger max_active's may lead to higher overall throughput,
 137  * depending on underlying storage.
 138  *
 139  * The ratio of the queues' max_actives determines the balance of performance
 140  * between reads, writes, and scrubs.  E.g., increasing
 141  * zfs_vdev_scrub_max_active will cause the scrub or resilver to complete
 142  * more quickly, but reads and writes to have higher latency and lower
 143  * throughput.
 144  */
 145 uint32_t zfs_vdev_sync_read_min_active = 10;
 146 uint32_t zfs_vdev_sync_read_max_active = 10;
 147 uint32_t zfs_vdev_sync_write_min_active = 10;
 148 uint32_t zfs_vdev_sync_write_max_active = 10;
 149 uint32_t zfs_vdev_async_read_min_active = 1;
 150 uint32_t zfs_vdev_async_read_max_active = 3;
 151 uint32_t zfs_vdev_async_write_min_active = 2;
 152 uint32_t zfs_vdev_async_write_max_active = 10;
 153 uint32_t zfs_vdev_scrub_min_active = 1;
 154 uint32_t zfs_vdev_scrub_max_active = 2;
 155 uint32_t zfs_vdev_removal_min_active = 1;
 156 uint32_t zfs_vdev_removal_max_active = 2;
 157 uint32_t zfs_vdev_initializing_min_active = 1;
 158 uint32_t zfs_vdev_initializing_max_active = 1;
 159
 160 /*
 161  * When the pool has less than zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent
 162  * dirty data, use zfs_vdev_async_write_min_active.  When it has more than
 163  * zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent, use
 164  * zfs_vdev_async_write_max_active. The value is linearly interpolated
 165  * between min and max.
 166  */
 167 int zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent = 30;
 168 int zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent = 60;
 169
 170 /*
 171  * To reduce IOPs, we aggregate small adjacent I/Os into one large I/O.
 172  * For read I/Os, we also aggregate across small adjacency gaps; for writes
 173  * we include spans of optional I/Os to aid aggregation at the disk even when
 174  * they aren't able to help us aggregate at this level.
 175  */
 176 int zfs_vdev_aggregation_limit = 1 << 20;
 177 int zfs_vdev_read_gap_limit = 32 << 10;
 178 int zfs_vdev_write_gap_limit = 4 << 10;
 179
 180 /*
 181  * Define the queue depth percentage for each top-level. This percentage is
 182  * used in conjunction with zfs_vdev_async_max_active to determine how many
 183  * allocations a specific top-level vdev should handle. Once the queue depth
 184  * reaches zfs_vdev_queue_depth_pct * zfs_vdev_async_write_max_active / 100
 185  * then allocator will stop allocating blocks on that top-level device.
 186  * The default kernel setting is 1000% which will yield 100 allocations per
 187  * device. For userland testing, the default setting is 300% which equates
 188  * to 30 allocations per device.
 189  */
 190 #ifdef _KERNEL
 191 int zfs_vdev_queue_depth_pct = 1000;
 192 #else
 193 int zfs_vdev_queue_depth_pct = 300;
 194 #endif
 195
 196 /*
 197  * When performing allocations for a given metaslab, we want to make sure that
 198  * there are enough IOs to aggregate together to improve throughput. We want to
 199  * ensure that there are at least 128k worth of IOs that can be aggregated, and
 200  * we assume that the average allocation size is 4k, so we need the queue depth
 201  * to be 32 per allocator to get good aggregation of sequential writes.
 202  */
 203 int zfs_vdev_def_queue_depth = 32;
 204
 205
 206 int
 207 vdev_queue_offset_compare(const void *x1, const void *x2)
 208 {
 209         const zio_t *z1 = (const zio_t *)x1;
 210         const zio_t *z2 = (const zio_t *)x2;
 211
 212         int cmp = AVL_CMP(z1->io_offset, z2->io_offset);
 213
 214         if (likely(cmp))
 215                 return (cmp);
 216
 217         return (AVL_PCMP(z1, z2));
 218 }
 219
 220 static inline avl_tree_t *
 221 vdev_queue_class_tree(vdev_queue_t *vq, zio_priority_t p)
 222 {
 223         return (&vq->vq_class[p].vqc_queued_tree);
 224 }
 225
 226 static inline avl_tree_t *
 227 vdev_queue_type_tree(vdev_queue_t *vq, zio_type_t t)
 228 {
 229         ASSERT(t == ZIO_TYPE_READ || t == ZIO_TYPE_WRITE);
 230         if (t == ZIO_TYPE_READ)
 231                 return (&vq->vq_read_offset_tree);
 232         else
 233                 return (&vq->vq_write_offset_tree);
 234 }
 235
 236 int
 237 vdev_queue_timestamp_compare(const void *x1, const void *x2)
 238 {
 239         const zio_t *z1 = (const zio_t *)x1;
 240         const zio_t *z2 = (const zio_t *)x2;
 241
 242         int cmp = AVL_CMP(z1->io_timestamp, z2->io_timestamp);
 243
 244         if (likely(cmp))
 245                 return (cmp);
 246
 247         return (AVL_PCMP(z1, z2));
 248 }
 249
 250 static int
 251 vdev_queue_class_min_active(zio_priority_t p)
 252 {
 253         switch (p) {
 254         case ZIO_PRIORITY_SYNC_READ:
 255                 return (zfs_vdev_sync_read_min_active);
 256         case ZIO_PRIORITY_SYNC_WRITE:
 257                 return (zfs_vdev_sync_write_min_active);
 258         case ZIO_PRIORITY_ASYNC_READ:
 259                 return (zfs_vdev_async_read_min_active);
 260         case ZIO_PRIORITY_ASYNC_WRITE:
 261                 return (zfs_vdev_async_write_min_active);
 262         case ZIO_PRIORITY_SCRUB:
 263                 return (zfs_vdev_scrub_min_active);
 264         case ZIO_PRIORITY_REMOVAL:
 265                 return (zfs_vdev_removal_min_active);
 266         case ZIO_PRIORITY_INITIALIZING:
 267                 return (zfs_vdev_initializing_min_active);
 268         default:
 269                 panic("invalid priority %u", p);
 270                 return (0);
 271         }
 272 }
 273
 274 static int
 275 vdev_queue_max_async_writes(spa_t *spa)
 276 {
 277         int writes;
 278         uint64_t dirty = 0;
 279         dsl_pool_t *dp = spa_get_dsl(spa);
 280         uint64_t min_bytes = zfs_dirty_data_max *
 281             zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent / 100;
 282         uint64_t max_bytes = zfs_dirty_data_max *
 283             zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent / 100;
 284
 285         /*
 286          * Async writes may occur before the assignment of the spa's
 287          * dsl_pool_t if a self-healing zio is issued prior to the
 288          * completion of dmu_objset_open_impl().
 289          */
 290         if (dp == NULL)
 291                 return (zfs_vdev_async_write_max_active);
 292
 293         /*
 294          * Sync tasks correspond to interactive user actions. To reduce the
 295          * execution time of those actions we push data out as fast as possible.
 296          */
 297         if (spa_has_pending_synctask(spa))
 298                 return (zfs_vdev_async_write_max_active);
 299
 300         dirty = dp->dp_dirty_total;
 301         if (dirty < min_bytes)
 302                 return (zfs_vdev_async_write_min_active);
 303         if (dirty > max_bytes)
 304                 return (zfs_vdev_async_write_max_active);
 305
 306         /*
 307          * linear interpolation:
 308          * slope = (max_writes - min_writes) / (max_bytes - min_bytes)
 309          * move right by min_bytes
 310          * move up by min_writes
 311          */
 312         writes = (dirty - min_bytes) *
 313             (zfs_vdev_async_write_max_active -
 314             zfs_vdev_async_write_min_active) /
 315             (max_bytes - min_bytes) +
 316             zfs_vdev_async_write_min_active;
 317         ASSERT3U(writes, >=, zfs_vdev_async_write_min_active);
 318         ASSERT3U(writes, <=, zfs_vdev_async_write_max_active);
 319         return (writes);
 320 }
 321
 322 static int
 323 vdev_queue_class_max_active(spa_t *spa, zio_priority_t p)
 324 {
 325         switch (p) {
 326         case ZIO_PRIORITY_SYNC_READ:
 327                 return (zfs_vdev_sync_read_max_active);
 328         case ZIO_PRIORITY_SYNC_WRITE:
 329                 return (zfs_vdev_sync_write_max_active);
 330         case ZIO_PRIORITY_ASYNC_READ:
 331                 return (zfs_vdev_async_read_max_active);
 332         case ZIO_PRIORITY_ASYNC_WRITE:
 333                 return (vdev_queue_max_async_writes(spa));
 334         case ZIO_PRIORITY_SCRUB:
 335                 return (zfs_vdev_scrub_max_active);
 336         case ZIO_PRIORITY_REMOVAL:
 337                 return (zfs_vdev_removal_max_active);
 338         case ZIO_PRIORITY_INITIALIZING:
 339                 return (zfs_vdev_initializing_max_active);
 340         default:
 341                 panic("invalid priority %u", p);
 342                 return (0);
 343         }
 344 }
 345
 346 /*
 347  * Return the i/o class to issue from, or ZIO_PRIORITY_MAX_QUEUEABLE if
 348  * there is no eligible class.
 349  */
 350 static zio_priority_t
 351 vdev_queue_class_to_issue(vdev_queue_t *vq)
 352 {
 353         spa_t *spa = vq->vq_vdev->vdev_spa;
 354         zio_priority_t p;
 355
 356         if (avl_numnodes(&vq->vq_active_tree) >= zfs_vdev_max_active)
 357                 return (ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 358
 359         /* find a queue that has not reached its minimum # outstanding i/os */
 360         for (p = 0; p < ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE; p++) {
 361                 if (avl_numnodes(vdev_queue_class_tree(vq, p)) > 0 &&
 362                     vq->vq_class[p].vqc_active <
 363                     vdev_queue_class_min_active(p))
 364                         return (p);
 365         }
 366
 367         /*
 368          * If we haven't found a queue, look for one that hasn't reached its
 369          * maximum # outstanding i/os.
 370          */
 371         for (p = 0; p < ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE; p++) {
 372                 if (avl_numnodes(vdev_queue_class_tree(vq, p)) > 0 &&
 373                     vq->vq_class[p].vqc_active <
 374                     vdev_queue_class_max_active(spa, p))
 375                         return (p);
 376         }
 377
 378         /* No eligible queued i/os */
 379         return (ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 380 }
 381
 382 void
 383 vdev_queue_init(vdev_t *vd)
 384 {
 385         vdev_queue_t *vq = &vd->vdev_queue;
 386         zio_priority_t p;
 387
 388         mutex_init(&vq->vq_lock, NULL, MUTEX_DEFAULT, NULL);
 389         vq->vq_vdev = vd;
 390         taskq_init_ent(&vd->vdev_queue.vq_io_search.io_tqent);
 391
 392         avl_create(&vq->vq_active_tree, vdev_queue_offset_compare,
 393             sizeof (zio_t), offsetof(struct zio, io_queue_node));
 394         avl_create(vdev_queue_type_tree(vq, ZIO_TYPE_READ),
 395             vdev_queue_offset_compare, sizeof (zio_t),
 396             offsetof(struct zio, io_offset_node));
 397         avl_create(vdev_queue_type_tree(vq, ZIO_TYPE_WRITE),
 398             vdev_queue_offset_compare, sizeof (zio_t),
 399             offsetof(struct zio, io_offset_node));
 400
 401         for (p = 0; p < ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE; p++) {
 402                 int (*compfn) (const void *, const void *);
 403
 404                 /*
 405                  * The synchronous i/o queues are dispatched in FIFO rather
 406                  * than LBA order. This provides more consistent latency for
 407                  * these i/os.
 408                  */
 409                 if (p == ZIO_PRIORITY_SYNC_READ || p == ZIO_PRIORITY_SYNC_WRITE)
 410                         compfn = vdev_queue_timestamp_compare;
 411                 else
 412                         compfn = vdev_queue_offset_compare;
 413                 avl_create(vdev_queue_class_tree(vq, p), compfn,
 414                     sizeof (zio_t), offsetof(struct zio, io_queue_node));
 415         }
 416
 417         vq->vq_last_offset = 0;
 418 }
 419
 420 void
 421 vdev_queue_fini(vdev_t *vd)
 422 {
 423         vdev_queue_t *vq = &vd->vdev_queue;
 424
 425         for (zio_priority_t p = 0; p < ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE; p++)
 426                 avl_destroy(vdev_queue_class_tree(vq, p));
 427         avl_destroy(&vq->vq_active_tree);
 428         avl_destroy(vdev_queue_type_tree(vq, ZIO_TYPE_READ));
 429         avl_destroy(vdev_queue_type_tree(vq, ZIO_TYPE_WRITE));
 430
 431         mutex_destroy(&vq->vq_lock);
 432 }
 433
 434 static void
 435 vdev_queue_io_add(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 436 {
 437         spa_t *spa = zio->io_spa;
 438         spa_history_kstat_t *shk = &spa->spa_stats.io_history;
 439
 440         ASSERT3U(zio->io_priority, <, ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 441         avl_add(vdev_queue_class_tree(vq, zio->io_priority), zio);
 442         avl_add(vdev_queue_type_tree(vq, zio->io_type), zio);
 443
 444         if (shk->kstat != NULL) {
 445                 mutex_enter(&shk->lock);
 446                 kstat_waitq_enter(shk->kstat->ks_data);
 447                 mutex_exit(&shk->lock);
 448         }
 449 }
 450
 451 static void
 452 vdev_queue_io_remove(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 453 {
 454         spa_t *spa = zio->io_spa;
 455         spa_history_kstat_t *shk = &spa->spa_stats.io_history;
 456
 457         ASSERT3U(zio->io_priority, <, ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 458         avl_remove(vdev_queue_class_tree(vq, zio->io_priority), zio);
 459         avl_remove(vdev_queue_type_tree(vq, zio->io_type), zio);
 460
 461         if (shk->kstat != NULL) {
 462                 mutex_enter(&shk->lock);
 463                 kstat_waitq_exit(shk->kstat->ks_data);
 464                 mutex_exit(&shk->lock);
 465         }
 466 }
 467
 468 static void
 469 vdev_queue_pending_add(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 470 {
 471         spa_t *spa = zio->io_spa;
 472         spa_history_kstat_t *shk = &spa->spa_stats.io_history;
 473
 474         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 475         ASSERT3U(zio->io_priority, <, ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 476         vq->vq_class[zio->io_priority].vqc_active++;
 477         avl_add(&vq->vq_active_tree, zio);
 478
 479         if (shk->kstat != NULL) {
 480                 mutex_enter(&shk->lock);
 481                 kstat_runq_enter(shk->kstat->ks_data);
 482                 mutex_exit(&shk->lock);
 483         }
 484 }
 485
 486 static void
 487 vdev_queue_pending_remove(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 488 {
 489         spa_t *spa = zio->io_spa;
 490         spa_history_kstat_t *shk = &spa->spa_stats.io_history;
 491
 492         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 493         ASSERT3U(zio->io_priority, <, ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 494         vq->vq_class[zio->io_priority].vqc_active--;
 495         avl_remove(&vq->vq_active_tree, zio);
 496
 497         if (shk->kstat != NULL) {
 498                 kstat_io_t *ksio = shk->kstat->ks_data;
 499
 500                 mutex_enter(&shk->lock);
 501                 kstat_runq_exit(ksio);
 502                 if (zio->io_type == ZIO_TYPE_READ) {
 503                         ksio->reads++;
 504                         ksio->nread += zio->io_size;
 505                 } else if (zio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE) {
 506                         ksio->writes++;
 507                         ksio->nwritten += zio->io_size;
 508                 }
 509                 mutex_exit(&shk->lock);
 510         }
 511 }
 512
 513 static void
 514 vdev_queue_agg_io_done(zio_t *aio)
 515 {
 516         if (aio->io_type == ZIO_TYPE_READ) {
 517                 zio_t *pio;
 518                 zio_link_t *zl = NULL;
 519                 while ((pio = zio_walk_parents(aio, &zl)) != NULL) {
 520                         abd_copy_off(pio->io_abd, aio->io_abd,
 521                             0, pio->io_offset - aio->io_offset, pio->io_size);
 522                 }
 523         }
 524
 525         abd_free(aio->io_abd);
 526 }
 527
 528 /*
 529  * Compute the range spanned by two i/os, which is the endpoint of the last
 530  * (lio->io_offset + lio->io_size) minus start of the first (fio->io_offset).
 531  * Conveniently, the gap between fio and lio is given by -IO_SPAN(lio, fio);
 532  * thus fio and lio are adjacent if and only if IO_SPAN(lio, fio) == 0.
 533  */
 534 #define IO_SPAN(fio, lio) ((lio)->io_offset + (lio)->io_size - (fio)->io_offset)
 535 #define IO_GAP(fio, lio) (-IO_SPAN(lio, fio))
 536
 537 static zio_t *
 538 vdev_queue_aggregate(vdev_queue_t *vq, zio_t *zio)
 539 {
 540         zio_t *first, *last, *aio, *dio, *mandatory, *nio;
 541         zio_link_t *zl = NULL;
 542         uint64_t maxgap = 0;
 543         uint64_t size;
 544         uint64_t limit;
 545         int maxblocksize;
 546         boolean_t stretch = B_FALSE;
 547         avl_tree_t *t = vdev_queue_type_tree(vq, zio->io_type);
 548         enum zio_flag flags = zio->io_flags & ZIO_FLAG_AGG_INHERIT;
 549         abd_t *abd;
 550
 551         maxblocksize = spa_maxblocksize(vq->vq_vdev->vdev_spa);
 552         limit = MAX(MIN(zfs_vdev_aggregation_limit, maxblocksize), 0);
 553
 554         if (zio->io_flags & ZIO_FLAG_DONT_AGGREGATE || limit == 0)
 555                 return (NULL);
 556
 557         first = last = zio;
 558
 559         if (zio->io_type == ZIO_TYPE_READ)
 560                 maxgap = zfs_vdev_read_gap_limit;
 561
 562         /*
 563          * We can aggregate I/Os that are sufficiently adjacent and of
 564          * the same flavor, as expressed by the AGG_INHERIT flags.
 565          * The latter requirement is necessary so that certain
 566          * attributes of the I/O, such as whether it's a normal I/O
 567          * or a scrub/resilver, can be preserved in the aggregate.
 568          * We can include optional I/Os, but don't allow them
 569          * to begin a range as they add no benefit in that situation.
 570          */
 571
 572         /*
 573          * We keep track of the last non-optional I/O.
 574          */
 575         mandatory = (first->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL) ? NULL : first;
 576
 577         /*
 578          * Walk backwards through sufficiently contiguous I/Os
 579          * recording the last non-optional I/O.
 580          */
 581         while ((dio = AVL_PREV(t, first)) != NULL &&
 582             (dio->io_flags & ZIO_FLAG_AGG_INHERIT) == flags &&
 583             IO_SPAN(dio, last) <= limit &&
 584             IO_GAP(dio, first) <= maxgap &&
 585             dio->io_type == zio->io_type) {
 586                 first = dio;
 587                 if (mandatory == NULL && !(first->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL))
 588                         mandatory = first;
 589         }
 590
 591         /*
 592          * Skip any initial optional I/Os.
 593          */
 594         while ((first->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL) && first != last) {
 595                 first = AVL_NEXT(t, first);
 596                 ASSERT(first != NULL);
 597         }
 598
 599
 600         /*
 601          * Walk forward through sufficiently contiguous I/Os.
 602          * The aggregation limit does not apply to optional i/os, so that
 603          * we can issue contiguous writes even if they are larger than the
 604          * aggregation limit.
 605          */
 606         while ((dio = AVL_NEXT(t, last)) != NULL &&
 607             (dio->io_flags & ZIO_FLAG_AGG_INHERIT) == flags &&
 608             (IO_SPAN(first, dio) <= limit ||
 609             (dio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL)) &&
 610             IO_SPAN(first, dio) <= maxblocksize &&
 611             IO_GAP(last, dio) <= maxgap &&
 612             dio->io_type == zio->io_type) {
 613                 last = dio;
 614                 if (!(last->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL))
 615                         mandatory = last;
 616         }
 617
 618         /*
 619          * Now that we've established the range of the I/O aggregation
 620          * we must decide what to do with trailing optional I/Os.
 621          * For reads, there's nothing to do. While we are unable to
 622          * aggregate further, it's possible that a trailing optional
 623          * I/O would allow the underlying device to aggregate with
 624          * subsequent I/Os. We must therefore determine if the next
 625          * non-optional I/O is close enough to make aggregation
 626          * worthwhile.
 627          */
 628         if (zio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE && mandatory != NULL) {
 629                 zio_t *nio = last;
 630                 while ((dio = AVL_NEXT(t, nio)) != NULL &&
 631                     IO_GAP(nio, dio) == 0 &&
 632                     IO_GAP(mandatory, dio) <= zfs_vdev_write_gap_limit) {
 633                         nio = dio;
 634                         if (!(nio->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL)) {
 635                                 stretch = B_TRUE;
 636                                 break;
 637                         }
 638                 }
 639         }
 640
 641         if (stretch) {
 642                 /*
 643                  * We are going to include an optional io in our aggregated
 644                  * span, thus closing the write gap.  Only mandatory i/os can
 645                  * start aggregated spans, so make sure that the next i/o
 646                  * after our span is mandatory.
 647                  */
 648                 dio = AVL_NEXT(t, last);
 649                 dio->io_flags &= ~ZIO_FLAG_OPTIONAL;
 650         } else {
 651                 /* do not include the optional i/o */
 652                 while (last != mandatory && last != first) {
 653                         ASSERT(last->io_flags & ZIO_FLAG_OPTIONAL);
 654                         last = AVL_PREV(t, last);
 655                         ASSERT(last != NULL);
 656                 }
 657         }
 658
 659         if (first == last)
 660                 return (NULL);
 661
 662         size = IO_SPAN(first, last);
 663         ASSERT3U(size, <=, maxblocksize);
 664
 665         abd = abd_alloc_for_io(size, B_TRUE);
 666         if (abd == NULL)
 667                 return (NULL);
 668
 669         aio = zio_vdev_delegated_io(first->io_vd, first->io_offset,
 670             abd, size, first->io_type, zio->io_priority,
 671             flags | ZIO_FLAG_DONT_CACHE | ZIO_FLAG_DONT_QUEUE,
 672             vdev_queue_agg_io_done, NULL);
 673         aio->io_timestamp = first->io_timestamp;
 674
 675         nio = first;
 676         do {
 677                 dio = nio;
 678                 nio = AVL_NEXT(t, dio);
 679                 ASSERT3U(dio->io_type, ==, aio->io_type);
 680
 681                 if (dio->io_flags & ZIO_FLAG_NODATA) {
 682                         ASSERT3U(dio->io_type, ==, ZIO_TYPE_WRITE);
 683                         abd_zero_off(aio->io_abd,
 684                             dio->io_offset - aio->io_offset, dio->io_size);
 685                 } else if (dio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE) {
 686                         abd_copy_off(aio->io_abd, dio->io_abd,
 687                             dio->io_offset - aio->io_offset, 0, dio->io_size);
 688                 }
 689
 690                 zio_add_child(dio, aio);
 691                 vdev_queue_io_remove(vq, dio);
 692         } while (dio != last);
 693
 694         /*
 695          * We need to drop the vdev queue's lock to avoid a deadlock that we
 696          * could encounter since this I/O will complete immediately.
 697          */
 698         mutex_exit(&vq->vq_lock);
 699         while ((dio = zio_walk_parents(aio, &zl)) != NULL) {
 700                 zio_vdev_io_bypass(dio);
 701                 zio_execute(dio);
 702         }
 703         mutex_enter(&vq->vq_lock);
 704
 705         return (aio);
 706 }
 707
 708 static zio_t *
 709 vdev_queue_io_to_issue(vdev_queue_t *vq)
 710 {
 711         zio_t *zio, *aio;
 712         zio_priority_t p;
 713         avl_index_t idx;
 714         avl_tree_t *tree;
 715
 716 again:
 717         ASSERT(MUTEX_HELD(&vq->vq_lock));
 718
 719         p = vdev_queue_class_to_issue(vq);
 720
 721         if (p == ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE) {
 722                 /* No eligible queued i/os */
 723                 return (NULL);
 724         }
 725
 726         /*
 727          * For LBA-ordered queues (async / scrub / initializing), issue the
 728          * i/o which follows the most recently issued i/o in LBA (offset) order.
 729          *
 730          * For FIFO queues (sync), issue the i/o with the lowest timestamp.
 731          */
 732         tree = vdev_queue_class_tree(vq, p);
 733         vq->vq_io_search.io_timestamp = 0;
 734         vq->vq_io_search.io_offset = vq->vq_last_offset - 1;
 735         VERIFY3P(avl_find(tree, &vq->vq_io_search, &idx), ==, NULL);
 736         zio = avl_nearest(tree, idx, AVL_AFTER);
 737         if (zio == NULL)
 738                 zio = avl_first(tree);
 739         ASSERT3U(zio->io_priority, ==, p);
 740
 741         aio = vdev_queue_aggregate(vq, zio);
 742         if (aio != NULL)
 743                 zio = aio;
 744         else
 745                 vdev_queue_io_remove(vq, zio);
 746
 747         /*
 748          * If the I/O is or was optional and therefore has no data, we need to
 749          * simply discard it. We need to drop the vdev queue's lock to avoid a
 750          * deadlock that we could encounter since this I/O will complete
 751          * immediately.
 752          */
 753         if (zio->io_flags & ZIO_FLAG_NODATA) {
 754                 mutex_exit(&vq->vq_lock);
 755                 zio_vdev_io_bypass(zio);
 756                 zio_execute(zio);
 757                 mutex_enter(&vq->vq_lock);
 758                 goto again;
 759         }
 760
 761         vdev_queue_pending_add(vq, zio);
 762         vq->vq_last_offset = zio->io_offset + zio->io_size;
 763
 764         return (zio);
 765 }
 766
 767 zio_t *
 768 vdev_queue_io(zio_t *zio)
 769 {
 770         vdev_queue_t *vq = &zio->io_vd->vdev_queue;
 771         zio_t *nio;
 772
 773         if (zio->io_flags & ZIO_FLAG_DONT_QUEUE)
 774                 return (zio);
 775
 776         /*
 777          * Children i/os inherent their parent's priority, which might
 778          * not match the child's i/o type.  Fix it up here.
 779          */
 780         if (zio->io_type == ZIO_TYPE_READ) {
 781                 if (zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_SYNC_READ &&
 782                     zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_ASYNC_READ &&
 783                     zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_SCRUB &&
 784                     zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_REMOVAL &&
 785                     zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_INITIALIZING)
 786                         zio->io_priority = ZIO_PRIORITY_ASYNC_READ;
 787         } else {
 788                 ASSERT(zio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE);
 789                 if (zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_SYNC_WRITE &&
 790                     zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_ASYNC_WRITE &&
 791                     zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_REMOVAL &&
 792                     zio->io_priority != ZIO_PRIORITY_INITIALIZING)
 793                         zio->io_priority = ZIO_PRIORITY_ASYNC_WRITE;
 794         }
 795
 796         zio->io_flags |= ZIO_FLAG_DONT_CACHE | ZIO_FLAG_DONT_QUEUE;
 797
 798         mutex_enter(&vq->vq_lock);
 799         zio->io_timestamp = gethrtime();
 800         vdev_queue_io_add(vq, zio);
 801         nio = vdev_queue_io_to_issue(vq);
 802         mutex_exit(&vq->vq_lock);
 803
 804         if (nio == NULL)
 805                 return (NULL);
 806
 807         if (nio->io_done == vdev_queue_agg_io_done) {
 808                 zio_nowait(nio);
 809                 return (NULL);
 810         }
 811
 812         return (nio);
 813 }
 814
 815 void
 816 vdev_queue_io_done(zio_t *zio)
 817 {
 818         vdev_queue_t *vq = &zio->io_vd->vdev_queue;
 819         zio_t *nio;
 820
 821         mutex_enter(&vq->vq_lock);
 822
 823         vdev_queue_pending_remove(vq, zio);
 824
 825         zio->io_delta = gethrtime() - zio->io_timestamp;
 826         vq->vq_io_complete_ts = gethrtime();
 827         vq->vq_io_delta_ts = vq->vq_io_complete_ts - zio->io_timestamp;
 828
 829         while ((nio = vdev_queue_io_to_issue(vq)) != NULL) {
 830                 mutex_exit(&vq->vq_lock);
 831                 if (nio->io_done == vdev_queue_agg_io_done) {
 832                         zio_nowait(nio);
 833                 } else {
 834                         zio_vdev_io_reissue(nio);
 835                         zio_execute(nio);
 836                 }
 837                 mutex_enter(&vq->vq_lock);
 838         }
 839
 840         mutex_exit(&vq->vq_lock);
 841 }
 842
 843 void
 844 vdev_queue_change_io_priority(zio_t *zio, zio_priority_t priority)
 845 {
 846         vdev_queue_t *vq = &zio->io_vd->vdev_queue;
 847         avl_tree_t *tree;
 848
 849         /*
 850          * ZIO_PRIORITY_NOW is used by the vdev cache code and the aggregate zio
 851          * code to issue IOs without adding them to the vdev queue. In this
 852          * case, the zio is already going to be issued as quickly as possible
 853          * and so it doesn't need any reprioitization to help.
 854          */
 855         if (zio->io_priority == ZIO_PRIORITY_NOW)
 856                 return;
 857
 858         ASSERT3U(zio->io_priority, <, ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 859         ASSERT3U(priority, <, ZIO_PRIORITY_NUM_QUEUEABLE);
 860
 861         if (zio->io_type == ZIO_TYPE_READ) {
 862                 if (priority != ZIO_PRIORITY_SYNC_READ &&
 863                     priority != ZIO_PRIORITY_ASYNC_READ &&
 864                     priority != ZIO_PRIORITY_SCRUB)
 865                         priority = ZIO_PRIORITY_ASYNC_READ;
 866         } else {
 867                 ASSERT(zio->io_type == ZIO_TYPE_WRITE);
 868                 if (priority != ZIO_PRIORITY_SYNC_WRITE &&
 869                     priority != ZIO_PRIORITY_ASYNC_WRITE)
 870                         priority = ZIO_PRIORITY_ASYNC_WRITE;
 871         }
 872
 873         mutex_enter(&vq->vq_lock);
 874
 875         /*
 876          * If the zio is in none of the queues we can simply change
 877          * the priority. If the zio is waiting to be submitted we must
 878          * remove it from the queue and re-insert it with the new priority.
 879          * Otherwise, the zio is currently active and we cannot change its
 880          * priority.
 881          */
 882         tree = vdev_queue_class_tree(vq, zio->io_priority);
 883         if (avl_find(tree, zio, NULL) == zio) {
 884                 avl_remove(vdev_queue_class_tree(vq, zio->io_priority), zio);
 885                 zio->io_priority = priority;
 886                 avl_add(vdev_queue_class_tree(vq, zio->io_priority), zio);
 887         } else if (avl_find(&vq->vq_active_tree, zio, NULL) != zio) {
 888                 zio->io_priority = priority;
 889         }
 890
 891         mutex_exit(&vq->vq_lock);
 892 }
 893
 894 /*
 895  * As these two methods are only used for load calculations we're not
 896  * concerned if we get an incorrect value on 32bit platforms due to lack of
 897  * vq_lock mutex use here, instead we prefer to keep it lock free for
 898  * performance.
 899  */
 900 int
 901 vdev_queue_length(vdev_t *vd)
 902 {
 903         return (avl_numnodes(&vd->vdev_queue.vq_active_tree));
 904 }
 905
 906 uint64_t
 907 vdev_queue_last_offset(vdev_t *vd)
 908 {
 909         return (vd->vdev_queue.vq_last_offset);
 910 }
 911
 912 #if defined(_KERNEL)
 913 module_param(zfs_vdev_aggregation_limit, int, 0644);
 914 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_aggregation_limit, "Max vdev I/O aggregation size");
 915
 916 module_param(zfs_vdev_read_gap_limit, int, 0644);
 917 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_read_gap_limit, "Aggregate read I/O over gap");
 918
 919 module_param(zfs_vdev_write_gap_limit, int, 0644);
 920 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_write_gap_limit, "Aggregate write I/O over gap");
 921
 922 module_param(zfs_vdev_max_active, int, 0644);
 923 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_max_active, "Maximum number of active I/Os per vdev");
 924
 925 module_param(zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent, int, 0644);
 926 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_async_write_active_max_dirty_percent,
 927         "Async write concurrency max threshold");
 928
 929 module_param(zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent, int, 0644);
 930 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_async_write_active_min_dirty_percent,
 931         "Async write concurrency min threshold");
 932
 933 module_param(zfs_vdev_async_read_max_active, int, 0644);
 934 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_async_read_max_active,
 935         "Max active async read I/Os per vdev");
 936
 937 module_param(zfs_vdev_async_read_min_active, int, 0644);
 938 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_async_read_min_active,
 939         "Min active async read I/Os per vdev");
 940
 941 module_param(zfs_vdev_async_write_max_active, int, 0644);
 942 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_async_write_max_active,
 943         "Max active async write I/Os per vdev");
 944
 945 module_param(zfs_vdev_async_write_min_active, int, 0644);
 946 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_async_write_min_active,
 947         "Min active async write I/Os per vdev");
 948
 949 module_param(zfs_vdev_initializing_max_active, int, 0644);
 950 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_initializing_max_active,
 951         "Max active initializing I/Os per vdev");
 952
 953 module_param(zfs_vdev_initializing_min_active, int, 0644);
 954 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_initializing_min_active,
 955         "Min active initializing I/Os per vdev");
 956
 957 module_param(zfs_vdev_removal_max_active, int, 0644);
 958 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_removal_max_active,
 959         "Max active removal I/Os per vdev");
 960
 961 module_param(zfs_vdev_removal_min_active, int, 0644);
 962 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_removal_min_active,
 963         "Min active removal I/Os per vdev");
 964
 965 module_param(zfs_vdev_scrub_max_active, int, 0644);
 966 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_scrub_max_active,
 967         "Max active scrub I/Os per vdev");
 968
 969 module_param(zfs_vdev_scrub_min_active, int, 0644);
 970 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_scrub_min_active,
 971         "Min active scrub I/Os per vdev");
 972
 973 module_param(zfs_vdev_sync_read_max_active, int, 0644);
 974 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_sync_read_max_active,
 975         "Max active sync read I/Os per vdev");
 976
 977 module_param(zfs_vdev_sync_read_min_active, int, 0644);
 978 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_sync_read_min_active,
 979         "Min active sync read I/Os per vdev");
 980
 981 module_param(zfs_vdev_sync_write_max_active, int, 0644);
 982 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_sync_write_max_active,
 983         "Max active sync write I/Os per vdev");
 984
 985 module_param(zfs_vdev_sync_write_min_active, int, 0644);
 986 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_sync_write_min_active,
 987         "Min active sync write I/Os per vdev");
 988
 989 module_param(zfs_vdev_queue_depth_pct, int, 0644);
 990 MODULE_PARM_DESC(zfs_vdev_queue_depth_pct,
 991         "Queue depth percentage for each top-level vdev");
 992 #endif