hakmem/docs/analysis/ALLOC_TINY_FAST_DUALHOT_1_DESIGN.md

# Phase ALLOC-TINY-FAST-DUALHOT-1 設計（C0–C3 を第2ホットとして扱う）

## 背景（現状のボトルネック）

FREE-TINY-FAST-DUALHOT-1 により `free` の self% が大きく低下したため、Mixed の次のボトルネックが **alloc 側**に移った。

（例: `tiny_alloc_gate_fast` + `malloc` が合計 ~30% 付近）

ここで重要なのは、FREE 側の学びと同じ:

- C7 は ULTRA で “第1ホット”
- C0–C3 は LEGACY（UC/SFC/SLL 等）で “第2ホット”
- “第2ホット” を rare 扱いして `policy snapshot` を毎回踏むと損

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## 目的

`malloc_tiny_fast()` の alloc 経路で、C0–C3 については

- `small_policy_v7_snapshot()`（policy snapshot）
- `route_kind` 判定（switch）

を **スキップ**し、LEGACY の最短経路（TLS unified cache hit → refill）へ直行させる。

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## 非目標（やらないこと）

- C4–C7 のルーティング設計変更（ULTRA/MID/v7 の構造は触らない）
- “PGO build 前提の大改造” はやらない（まずは小パッチで A/B）
- 統計の常時 ON（global atomic）を入れない（外乱要因になる）

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## 設計（Box Theory）

### 箱と境界

- 対象ホット関数: `core/front/malloc_tiny_fast.h` の `malloc_tiny_fast(size)`
- 境界: `class_idx` 確定直後（size→class の 1 回目）に “第2ホット” を判定して early-exit
- 既存の Box は変更しない（`tiny_hot_alloc_fast()` と `tiny_cold_refill_and_alloc()` を再利用）

### 戻せる（A/B）

- ENV gate を 1 つ追加する:
  - `HAKMEM_TINY_ALLOC_DUALHOT=0/1`
  - 初期は default OFF（A/B しやすくする）

### Fail-Fast / Safety

- alloc は cross-thread free と違い “所有者” 概念がないため、Larson ガード不要。
- ただし、将来 C0–C3 を v6/v7 等へ載せる実験に備え、ENV でいつでも OFF に戻せるようにする。

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## 具体案（擬似コード）

差し込み位置は `class_idx` を確定し、C7 ULTRA early-exit を試した **直後**。

```c
// C7 ULTRA early-exit (既存)
if (class_idx == 7 && tiny_c7_ultra_enabled_env()) { ... }

// NEW: C0–C3 DUALHOT
if (alloc_dualhot_enabled() && class_idx <= 3) {
    void* p = tiny_hot_alloc_fast(class_idx);
    if (p) return p;
    return tiny_cold_refill_and_alloc(class_idx);
}

// 既存: policy snapshot + route_kind switch
const SmallPolicyV7* policy = small_policy_v7_snapshot();
switch (policy->route_kind[class_idx]) { ... }
```

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## 計測手順（GO/NO-GO）

### Gate 1: 健康診断

`scripts/verify_health_profiles.sh` を default 設定（ENV OFF）で 1 回。

### Gate 2: A/B（Mixed）

- Baseline: `HAKMEM_TINY_ALLOC_DUALHOT=0`
- Opt: `HAKMEM_TINY_ALLOC_DUALHOT=1`

同一条件で 10-run。中央値と分散を比較。

### Gate 3: perf（Mixed）

期待:
- `tiny_alloc_gate_fast` / `malloc` self% が下がる
- `main` が相対的に上がる（= allocator 側の余地を削った証拠）

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## 成功条件

- Mixed: +2% 以上（または free DUALHOT と同等の “明確な改善”）
- C6-heavy: ±2% 以内（回帰なし）
- 回帰が出たら default OFF の研究箱として freeze（保持して次の学びに使う）

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## 実測結果（2025-12-13）

計測条件:
- Mixed: `HAKMEM_PROFILE=MIXED_TINYV3_C7_SAFE ./bench_random_mixed_hakmem 100000000 400 1`（10-run）
- C6-heavy: `HAKMEM_PROFILE=C6_HEAVY_LEGACY_POOLV1 ./bench_mid_large_mt_hakmem 1 10000000 400 1`（10-run）

結果:

### Mixed（MIXED_TINYV3_C7_SAFE）

- Baseline（`HAKMEM_TINY_ALLOC_DUALHOT=0`）: mean=50.60M, median=50.87M ops/s
- Opt（`HAKMEM_TINY_ALLOC_DUALHOT=1`）: mean=50.27M, median=50.28M ops/s
- 差分（median）: **-1.17%**（許容範囲内だが “勝ち筋” ではない）

### C6-heavy（C6_HEAVY_LEGACY_POOLV1）

- Baseline（`HAKMEM_TINY_ALLOC_DUALHOT=0`）: mean=24.73M, median=24.69M ops/s
- Opt（`HAKMEM_TINY_ALLOC_DUALHOT=1`）: mean=24.62M, median=24.78M ops/s
- 差分（median）: **+0.36%**（実質ニュートラル）

## 判定

- ✅ Gate 1: health（ENV OFF/ON）PASS
- ✅ Gate 2: 性能（±2% 以内）PASS
- ❌ Gate 3: Mixed の +2% は未達

結論:
- **default OFF の研究箱として freeze**（保持はするが、標準プロファイルでは有効化しない）
- 次に alloc を攻めるなら「C0–C3 だけ」ではなく、`malloc`/front-gate まわりの構造的オーバーヘッドを狙う（別フェーズに切る）