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SmallObject HotBox v3 Design (Tiny + mid/smallmid 統合案)
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目的と背景
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- 現状の性能スナップショット:
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- Mixed 16–1024B (1t, ws=400, iters=1M, PROFILE=C7_SAFE, Tiny v2 OFF):
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- HAKMEM ≈ 40–50M ops/s
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- mimalloc ≈ 110–120M ops/s
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- system ≈ 90M ops/s
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- mid/smallmid (bench_mid_large_mt, 1t, ws=400, iters=1M):
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- HAKMEM ≈ 28–29M ops/s
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- mimalloc ≈ 54M ops/s
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- system ≈ 15M ops/s
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- これまでの Tiny/Pool v2 の試行から見えたこと:
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- C7 v2 (TinyHotHeap v2) は C7-only / Mixed 長尺では v1 C7_SAFE と同等以上まで到達したが、C6/C5 への水平展開や pool v2 は現フェーズでは perf 未達で凍結。
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- pool v2 は page_of O(1) 化＋Cold IF=v1 pool/Superslab まで実装したが、C6-heavy 長尺で極端な遅さが発生し、現行設計のまま押し上げるのは難しい。
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- 結論:
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- mimalloc に 7〜8割で迫るには、「Tiny (16〜1KiB) と mid/smallmid の両方」を一体の SmallObject HotBox として設計し直す必要がある。
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- Superslab/Segment/Tier/Guard/Remote といった Cold/Safety 層は Box として残しつつ、SmallObject 側の Hot Box を 1 枚に集約する方向で v3 を設計する。
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進捗サマリ (Phase A/B 通電)
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- ENV: `HAKMEM_SMALL_HEAP_V3_ENABLED` / `HAKMEM_SMALL_HEAP_V3_CLASSES` を追加（デフォルトは C7-only ON: ENABLED=1, CLASSES=0x80 相当）。
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- 型/IF: `core/box/smallobject_hotbox_v3_box.h` に so_page/class/ctx と stats を定義。TLS 初期化でクラス別 stride/max_partial をセット。
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- Cold IF: `smallobject_cold_iface_v1.h` で C7 専用の v1 Tiny ラッパを実装。refill で tiny_heap_prepare_page(7) を借り、retire で tiny_heap_page_becomes_empty に返す。
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- Hot: `core/smallobject_hotbox_v3.c` で so_alloc/so_free を実装（current/partial freelist を v3 で管理、refill 失敗は v1 fallback）。ページ内 freelist carve は v3 側で実施。
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- Route: `tiny_route_env_box.h` に `TINY_ROUTE_SMALL_HEAP_V3` を追加。クラスビットが立っているときだけ route snapshot で v3 に振り分け。
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- Front: malloc/free で v3 route を試し、失敗時は v2/v1/legacy に落とす直線パス。デフォルトは OFF なので挙動は従来通り。
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設計ゴール (SmallObjectHotBox v3)
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- 対象サイズ帯:
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- 16〜約 2KiB 程度の「SmallObject」領域（既存 Tiny C0〜C7 + mid/smallmid の一部）。
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- それより大きいサイズは現行 mid/large ルート（pool v1 / direct mmap）を継続使用。
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- Box 構造:
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- Hot Box: `SmallObjectHotBox` (per-thread)
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- 責務: size→class→page→block のみを扱う。ページ内 freelist pop/push、current/partial 管理。
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- Tiny v2 / pool v2 で学んだ「page_of O(1)、current/partial/retire ポリシー」を統合。
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- Cold Box: Superslab/Segment/Tier/Guard/Remote
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- 責務: Superslab/Segment の割当て・解放、Tier/HOT/DRAINING/FREE 管理、Remote Queue、Guard/Budget。
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- Hot からは refill/retire の 2 箇所でのみ触れる。
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- Policy Box: `SmallObjectPolicySnapshot`
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- 責務: クラスごとの有効/無効、max_partial_pages、warm_cap などのポリシーを `_Atomic` スナップショットで保持。
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- Hot は snapshot を読むだけ。Learner/ENV は snapshot の更新のみ。
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- Stats Box / Learning Box:
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- 責務: page/event 単位の delta を受け取り、Cold 側で集計・観測・学習を行う。
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- Hot は「page refill/retire 時」「alloc/free のカウンタ更新」以外では触らない。
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- 境界:
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- Hot → Cold は 2 箇所に集約:
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- `so_refill_page(cold_ctx, class_idx)` … SmallObjectHotBox が page を 1 枚借りる。
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- `so_page_retire(cold_ctx, class_idx, page)` … empty page を Cold 側に返却。
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- 現行 TinyColdIface / PoolColdIface の経験を活かし、SmallObject 用 Cold IF を 1 枚設計する。
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データ構造案
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### Page メタ (`so_page_t`)
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typedef struct so_page_t {
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void* freelist; // ページ内 block 単位の LIFO freelist
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uint32_t used; // 使用中 block 数
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uint32_t capacity; // ページ内 block 総数
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uint16_t class_idx; // SmallObject クラス ID
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uint16_t flags; // HOT/PARTIAL/FULL などの軽量フラグ
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uint32_t block_size; // 1 block のバイト数
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void* base; // ページ base アドレス
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void* slab_ref; // Superslab/Segment 側 token (Cold Box 用)
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struct so_page_t* next;
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} so_page_t;
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ポイント:
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- Tiny v2 / pool v2 のページ構造を統一し、「SmallObject 全体で同じ page 型」を使う。
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- page_of は `POOL_PAGE_SIZE` や Superslab サイズに合わせた mask + header で O(1) を前提とする（pool v2 で得た知見）。
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### クラス状態 (`so_class_t`)
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typedef struct so_class_t {
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so_page_t* current; // ホットページ
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so_page_t* partial; // 空きありページのリスト
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uint16_t max_partial; // partial に保持する上限枚数
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uint16_t partial_count; // 現在の partial 枚数
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uint32_t block_size; // クラスの block サイズ
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} so_class_t;
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- Tiny C7 Safe / TinyHotHeap v2 / pool v2 の current/partial/retire ポリシーを統合。
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- full リストは v3 初期段階では不要（必要になったら追加）。
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### TLS コンテキスト (`so_ctx_t`)
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```c
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typedef struct so_ctx_t {
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so_class_t cls[SMALLOBJECT_NUM_CLASSES];
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} so_ctx_t;
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- TLS (`__thread`) で per-thread の SmallObject コンテキストを保持。
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- 初期化時にクラスごとの `block_size` / `max_partial` / ポリシー値をセットする。
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Cold IF (SmallObjectColdIface) のイメージ
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typedef struct SmallObjectColdIface {
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so_page_t* (*refill_page)(void* cold_ctx, uint32_t class_idx);
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void (*retire_page)(void* cold_ctx, uint32_t class_idx, so_page_t* page);
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} SmallObjectColdIface;
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- `refill_page`:
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- Cold Box が Superslab/Segment から SmallObject 用ページを 1 枚切り出し、
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- `base` / `block_size` / `capacity` / `slab_ref` を設定した `so_page_t` を返す。
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- v3 では `so_page_t` 自体を Cold 側で確保する案と、Hot 側 node を再利用する案のどちらかを選べるようにしておく。
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- `retire_page`:
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- `used==0` のページを Cold Box に返却し、Tier/Guard/Remote の扱いは Cold 側に委譲。
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- 現行の TinyColdIface / pool Cold IF をラップする形で、SmallObject 用 Cold IF を段階的に導入する。
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Hot パス設計（alloc/free）
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### alloc (Hot パス)
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void* so_alloc_fast(so_ctx_t* ctx, uint32_t ci) {
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so_class_t* hc = &ctx->cls[ci];
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so_page_t* p = hc->current;
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if (likely(p && p->freelist && p->used < p->capacity)) {
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void* blk = p->freelist;
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p->freelist = *(void**)blk;
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p->used++;
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return blk;
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}
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if (hc->partial) {
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p = hc->partial;
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hc->partial = p->next;
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p->next = NULL;
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hc->current = p;
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if (p->freelist && p->used < p->capacity) {
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void* blk = p->freelist;
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p->freelist = *(void**)blk;
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p->used++;
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return blk;
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}
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}
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return NULL; // slow_refill へ
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}
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- Slow パス (`so_alloc_refill_slow`) では:
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- `SmallObjectColdIface.refill_page()` で Cold Box からページを 1 枚借りる。
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- `so_page_t` に geometry を設定し、ページ内 freelist を Hot Box 側で carve。
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- `hc->current` にセットしてから `so_alloc_fast` で pop。
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### free (Hot パス)
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void so_free_fast(so_ctx_t* ctx, uint32_t ci, void* ptr) {
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so_class_t* hc = &ctx->cls[ci];
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so_page_t* p = so_page_of(ptr); // O(1) page_of
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*(void**)ptr = p->freelist;
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p->freelist = ptr;
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p->used--;
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if (p->used == 0) {
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if (hc->partial_count < hc->max_partial) {
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p->next = hc->partial;
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hc->partial = p;
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hc->partial_count++;
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} else {
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so_page_retire_slow(ctx, ci, p); // Cold IF 経由
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}
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if (hc->current == p) hc->current = NULL;
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} else {
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if (!hc->current) hc->current = p;
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}
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}
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- Tiny v2 / pool v2 で使った「空ページ温存 or retire」のポリシーを、クラス別 `max_partial` で制御する。
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- page_of は pool v2 と同様に O(1) で実装し、Fail-Fast ではなく統計＋前段 fallback で診断できるようにする。
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Front/Gate/Route の統合方針
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- size→class→route の LUT は既存 TinyRoute Box を流用しつつ、「SmallObjectHotBox v3 対応 route」を追加する。
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- 例:
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- `ROUTE_SMALL_HEAP_V3` … SmallObjectHotBox v3。
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- `ROUTE_TINY_V1` / `ROUTE_POOL_V1` / `ROUTE_LEGACY` … 現行のまま。
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- PolicySnapshot で:
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enum SmallObjectHeapVersion {
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SO_HEAP_V1 = 0,
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SO_HEAP_V3 = 1,
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};
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typedef struct SmallObjectPolicySnapshot {
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uint8_t heap_version[SMALLOBJECT_NUM_CLASSES]; // V1/V3
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uint8_t enabled_mask[SMALLOBJECT_NUM_CLASSES]; // クラスごとの ON/OFF
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uint16_t max_partial[SMALLOBJECT_NUM_CLASSES];
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} SmallObjectPolicySnapshot;
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- Front からは:
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- `class_idx = size_to_smallobject_class(size);`
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- `route = g_smallobject_route[class_idx];`
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- `switch (route) { SMALL_HEAP_V3 / TINY_V1 / POOL_V1 / LEGACY }`
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という 1 LUT + 1 switch で決定。C7 v2 / Tiny v1 / pool v1 など既存経路もここで選べるようにする。
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段階的 rollout 戦略
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1. Phase A: 設計・骨格導入（bench/実験専用）
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- `SmallObjectHotBox` 型・SmallObjectColdIface・PolicySnapshot を導入。
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- まずは Tiny C7-only を SmallObjectHotBox v3 経由に差し替え（現行 C7 v2 を v3 枠に移すイメージ）。
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- ENV (`HAKMEM_SMALL_HEAP_V3_ENABLED`, `HAKMEM_SMALL_HEAP_V3_CLASSES`) で C7-only を v3 に切り替え可能に。
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2. Phase B: C6/C5 など Tiny クラスを v3 に拡張
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- C6-heavy / C5-heavy ベンチで C6/C5 を v3 に載せ、v1 vs v3 の perf A/B を取得。
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- Mixed 16–1024B で C7-only v3 vs C6+C7 v3 を比較。
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- ここまでは pool v1 をそのまま使い、SmallObjectHotBox v3 側で Tiny 相当をまとめて扱う。
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3. Phase C: mid/smallmid pool を SmallObject に寄せる
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- mid/smallmid サイズクラスを SmallObjectHotBox v3 のクラスとして増やし、pool v1 経路の一部を v3 に移管する。
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- Cold IF は Superslab/Segment 共通のまま、SmallObject クラスの範囲だけ v3 で扱う。
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4. Phase D: v1/v2/v3 の役割を整理
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- v1 TinyHeap / pool v1 は完全な fallback/研究箱とし、標準は SmallObjectHotBox v3 をメインにする。
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- v2 系（TinyHotHeap v2 / pool v2）は v3 開発の "失敗を記録した箱" として docs/analysis に残す。
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非ゴール（この設計フェーズでやらないこと）
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- Superslab/Segment/Tier/Guard/Remote のフル再設計（Segment サイズや Tier ポリシー変更など）は v3 後半〜v4 テーマとする。
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- first-touch/pf/HugePage/NUMA 最適化は SmallObjectHotBox v3 の上に乗る別箱として扱い、この設計では触らない。
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- 学習層 (ACE/ELO) の仕様変更は行わず、PolicySnapshot の更新だけを学習側が持ち、Hot パスは snapshot を読むだけにする。
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まとめ
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- SmallObjectHotBox v3 は、TinyHotHeap v2 / pool v2 で得た知見を統合し、「SmallObject 全体を 1 枚の Hot Box」として扱う設計。
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- Hot Box と Cold Box の境界を 2 箇所（refill/retire）に絞り、Policy/Stats/Learning を別箱に押し出すことで、Box Theory に沿った形で mimalloc に近い構造を目指す。
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- 実装は `docs/design/SMALLOBJECT_HOTBOX_V3_IMPLEMENTATION_GUIDE.md` に従って段階的に行い、常に v1/v2 への rollback path を維持する。
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## Phase65 簡易ベンチメモ（C7-only v3, Tiny/Pool v2 OFF）
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- 短尺 20k/ws=64: v3 OFF 41.26M ops/s → v3 ON 57.55M ops/s（alloc_refill=49, fallback_v1=0, page_of_fail=0）。
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- 長尺 1M/ws=400: v3 OFF 38.26M ops/s → v3 ON 50.24M ops/s（alloc_refill=5077, fallback_v1=0）。
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- Mixed 16–1024B 1M/ws=400: v3 OFF 41.56M ops/s → v3 ON 49.40M ops/s（alloc_refill=2446, fallback_v1=0）。
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- デフォルトは C7-only ON (`HAKMEM_SMALL_HEAP_V3_ENABLED` 未指定 / `HAKMEM_SMALL_HEAP_V3_CLASSES` 未指定で class7 のみ v3)。明示的に `ENABLED=0` または CLASSES から bit7 を外すことで v1 経路に戻せる。
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## Phase65-HEAP_STATS 追加観測（C7-only v3 A/B, Tiny/Pool v2 OFF）
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- 短尺 20k/ws=64:
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- v3 OFF: 40.91M ops/s, `HEAP_STATS[7] fast=11015 slow=1`。
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- v3 ON: 56.43M ops/s, v3 stats `alloc_refill=49 fb_v1=0 page_of_fail=0`（短尺ウォームアップ由来の refill）。HEAP_STATS は Tiny v1 経路のみ出力。
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- 長尺 1M/ws=400:
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- v3 OFF: 38.29M ops/s, `HEAP_STATS[7] fast=550099 slow=1`。
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- v3 ON: 50.25M ops/s, v3 stats `alloc_refill=5077 fb_v1=0 page_of_fail=0`。
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- Mixed 16–1024B 1M/ws=400（参考）:
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- v3 OFF: 42.35M ops/s (`HEAP_STATS[7] fast=283169 slow=1`)。
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- v3 ON: 49.60M ops/s (`alloc_refill=2446 fb_v1=0 page_of_fail=0`)。
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- まとめ: HEAP_STATS で slow≈1 を維持したまま v3 ON は C7-only/Mixed とも大幅プラス。デフォルトでは C7-only v3 を ON（ENABLED=1, CLASSES デフォルト=0x80）としつつ、混乱を避けるため `HAKMEM_SMALL_HEAP_V3_ENABLED=0` / クラスマスクでいつでも v1 に戻せるようにしている。***
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