hakmem/docs/analysis/PHASE5_E5_NEXT_INSTRUCTIONS.md

# Phase 5 E5: Post E4-Combined Next Instructions（次の指示書）

## Status（2025-12-14 / E5-2 FREEZE 反映）

- Baseline（Mixed, 20M iters, ws=400）: **47.34M ops/s**（E4-1+E4-2 ON）
- Hot spots（self%）:
  - `free`: **37.56%**
  - `tiny_alloc_gate_fast`: **13.73%**
  - `malloc`: **12.95%**
  - `tiny_region_id_write_header`: **6.97%**
  - `hakmem_env_snapshot_enabled`: **4.29%**
  - `tiny_get_max_size`: **4.24%**

狙い: “形” 最適化は一段落。次は **free 内部** と **ヘッダ書き込み**、そして **ENV snapshot gate の常時コスト**を削る。

Update:
- E5-1（Free Tiny Direct Path）✅ GO（+3.35% mean / +3.36% median）
- E5-2（Header write-once）⚪ NEUTRAL → FREEZE
- E5-4（Malloc Tiny Direct）⚪ NEUTRAL → FREEZE
- E6（ENV snapshot branch-shape fix）❌ NO-GO → FREEZE（-1.71%）
- E7（Frozen box prune / baseline diet）❌ NO-GO（-3%台）→ 差し戻し
- 次の芯: “削る/分岐形” ではなく、再び **重複排除（境界の一本化）** か **大きい構造変更** を探す

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## Step 0: Baseline 固定（Mixed）

```sh
HAKMEM_PROFILE=MIXED_TINYV3_C7_SAFE \
  HAKMEM_FREE_WRAPPER_ENV_SNAPSHOT=1 \
  HAKMEM_MALLOC_WRAPPER_ENV_SNAPSHOT=1 \
  ./bench_random_mixed_hakmem 20000000 400 1
```

以後の A/B は必ず同一バイナリで:
- A: `E5_* = 0`
- B: `E5_* = 1`

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## Step 1: perf で “free の中身” を割る（必須）

```sh
HAKMEM_PROFILE=MIXED_TINYV3_C7_SAFE perf record -F 99 -- \
  ./bench_random_mixed_hakmem 20000000 400 1
perf report --stdio --no-children
```

次に `free` だけを掘る:
```sh
perf report --stdio --no-children --symbol free
```

目的:
- `free` の中で **真に重い行/分岐**を特定し、E5-1 の境界（箱の切り方）を決める。

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## E5-1（優先A）: free() 内部の “Tiny 直通” を一本化

### 仮説
`free` は依然トップだが、wrapper での “tiny 判定→tiny free” がまだ重い（チェック/分岐/再判定が残っている）。

### 方針（箱理論）
- **L0 SplitBox**: `header_magic` / `class_idx` が valid なときだけ Tiny 直通（fail-fast）
- **L1 HotBox**: Tiny の same-thread TLS push だけ（副作用ゼロ）
- **L1 ColdBox**: 既存の fallback（pool/mid/large/invalid header）

### 実装ルール
- 境界は 1 箇所（`free()` wrapper の先頭分岐で確定）
- `ENV gate`: `HAKMEM_FREE_TINY_DIRECT=0/1`（default 0 / preset(MIXED)=1）
- 可視化はカウンタのみ（`direct_hit`, `direct_miss`, `invalid_header`）

### GO/NO-GO
- Mixed 10-run mean:
  - GO: **+1.0% 以上**
  - ±1.0%: NEUTRAL（freeze）
  - -1.0% 以下: NO-GO（freeze）

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## E5-2: Header write-once（⚪ NEUTRAL → FROZEN）

結論:
- E5-2 は **NEUTRAL**（branch overhead ≈ savings）なので **freeze**。
- 以後は追わず、次は E5-4 を優先する。

参照:
- Design: `docs/analysis/PHASE5_E5_2_HEADER_REFILL_ONCE_DESIGN.md`
- Results: `docs/analysis/PHASE5_E5_2_HEADER_REFILL_ONCE_AB_TEST_RESULTS.md`

### 仮説
`tiny_region_id_write_header` は “正しいが高頻度”。
ブロックは同一クラス内で再利用されるので、ヘッダは **初回だけ**書けば足りる。

### 方針（箱理論）
- **HeaderPrefillBox**（cold/refill 境界）で “ブロック生成時” に header をセット
- alloc hot path は `base+1` 返却のみ（header write をしない）

### 安全ゲート
- `ENV gate`: `HAKMEM_TINY_HEADER_PREFILL=0/1`（default 0）
- Fail-fast:
  - “prefill された slab” だけ skip を許可
  - prefill 未完のブロックは従来 `tiny_region_id_write_header()` にフォールバック

### A/B
- Mixed 10-run + health profiles
- 期待: +1〜3%（ヘッダ書き込み + 関連分岐の削減）

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## E5-4（次の芯）: Malloc Tiny Direct（E5-1 の alloc 側複製）

指示書:
- `docs/analysis/PHASE5_E5_4_MALLOC_TINY_DIRECT_NEXT_INSTRUCTIONS.md`

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## E5-3（DEFER）: `hakmem_env_snapshot_enabled()` の分岐形を “enabled 前提” に寄せる

### 背景
`MIXED_TINYV3_C7_SAFE` では `HAKMEM_ENV_SNAPSHOT=1` が常用になったため、
現状の `if (__builtin_expect(hakmem_env_snapshot_enabled(), 0))` は **hint が逆**になり得る。

### 方針
同じ意味で分岐形だけ変える（箱の外形最適化）:
- `if (__builtin_expect(!hakmem_env_snapshot_enabled(), 0)) { legacy; } else { snapshot; }`
- もしくは `*_cold()` に legacy を追い出す（noinline,cold）

### ENV / 戻せる
- `ENV gate`: `HAKMEM_ENV_SNAPSHOT_SHAPE=0/1`（default 0）
- まず `malloc_tiny_fast.h` の 5 箇所と、`tiny_legacy_fallback_box.h` / `tiny_metadata_cache_hot_box.h` を対象にする

### GO/NO-GO
- Mixed 10-run mean で **+1.0% 以上**なら採用候補
- 期待: +0.5〜2.0%（mispredict 回避）

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## Step 2: 健康診断（必須）

```sh
scripts/verify_health_profiles.sh
```

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## Step 3: 昇格（勝ち箱のみ）

- `core/bench_profile.h` の `MIXED_TINYV3_C7_SAFE` に default 化（opt-out 可能）
- `docs/analysis/ENV_PROFILE_PRESETS.md` に A/B と rollback を追記
- `CURRENT_TASK.md` を更新（結果と “次の芯” を 1 行で）