hakmem/docs/archive/PHASE_6.15_P0.2_INVESTIGATION.md

# Phase 6.15 P0.2 調査報告: clock_gettime 影響調査

**Date**: 2025-10-22
**Status**: ✅ 調査完了
**Goal**: Gemini診断（clock_gettime がボトルネック）の検証

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## 📊 **Executive Summary**

### **発見事実**

1. ✅ **軽量ベンチマーク（64KB）**: hakmem は system malloc と**ほぼ同等**（+0.2%）
2. ❌ **larsonベンチマーク（8-1024B混合）**: 非常に遅い（0.62M ops/sec）
3. ⚠️ **EVOLUTION無効化**: むしろ性能悪化（1.05M → 0.62M、-41%）

### **結論**

- **基本性能は正常**（64KB allocations で system と同等）
- **小サイズ混合allocation** で mutex オーバーヘッドが顕在化
- **clock_gettime だけが原因ではない**（無効化で改善せず）

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## 🔬 **テスト結果詳細**

### **Test 1: bench_allocators（軽量、64KB固定）**

#### **hakmem-baseline**
```bash
$ ./bench_allocators --allocator hakmem-baseline --scenario json --iterations 10000
allocator,scenario,iterations,avg_ns,soft_pf,hard_pf,rss_kb,ops_per_sec
hakmem-baseline,json,10000,214,17,0,0,4667120
```

#### **system malloc**
```bash
$ ./bench_allocators --allocator system --scenario json --iterations 10000
allocator,scenario,iterations,avg_ns,soft_pf,hard_pf,rss_kb,ops_per_sec
system,json,10000,213,17,0,0,4678406
```

#### **比較**
| Allocator | 平均時間 | ops/sec | vs system |
|-----------|---------|---------|-----------|
| hakmem    | 214ns   | 4.67M   | +0.2%     |
| system    | 213ns   | 4.68M   | baseline  |

**結論**: ✅ **64KB allocations では問題なし**

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### **Test 2: larson（重量、8-1024B混合）**

#### **EVOLUTION有効時（修正前）**
```bash
# 実行: 以前のテスト結果
Throughput = 1,050,000 ops/sec (1.05M)
```

#### **EVOLUTION無効時（#if 0）**
```bash
$ cd /tmp/mimalloc-bench/bench/larson
$ env LD_PRELOAD=.../libhakmem.so ./larson 0 8 1024 10000 1 12345 1

[SiteRules] Initialized (MVP: 4-probe hash, capacity=2048)
Throughput =   623377 operations per second, relative time: 1604.167s.
[EVO] Initialized (policy=AUTO, freeze_sec=180, relearn_delta=20.00%)
Done sleeping...
[ELO] Initialized 12 strategies (thresholds: 512KB-32MB)
[Batch] Initialized (threshold=8 MB, min_size=64 KB)
[Pool] ERROR: Invalid magic in pool block!\n
```

#### **比較**
| 状態 | ops/sec | 実行時間 | エラー |
|------|---------|---------|-------|
| EVOLUTION有効 | 1.05M | 不明 | なし |
| EVOLUTION無効 | 0.62M | 1604秒(26分) | Pool ERROR ✅ |

**結論**: ❌ **EVOLUTION無効化で41%悪化** + エラー発生

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## 🔍 **原因分析**

### **1. なぜEVOLUTION無効化で悪化したのか？**

#### **仮説A: 初期化順序の問題**

出力ログの順序：
```
[SiteRules] Initialized  ← 最初
Throughput = ...         ← ベンチマーク実行（ここでallocations発生）
[EVO] Initialized        ← 後から初期化！
[ELO] Initialized
[Batch] Initialized
[Pool] ERROR
```

**問題**: EVOが無効でも、`hak_init()` 内で各サブシステムが初期化される。しかし、EVOLUTION無効時は `g_cached_strategy_id` が初期化されない可能性。

#### **仮説B: Pool ERROR との関連**

```c
[Pool] ERROR: Invalid magic in pool block!\n
```

該当箇所を確認する必要がある（`hakmem_pool.c` の error メッセージ）。

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### **2. larson vs bench_allocators の違い**

| 項目 | larson | bench_allocators |
|------|--------|------------------|
| サイズ範囲 | 8-1024B（混合） | 64KB（固定） |
| パターン | ランダム | 順次 |
| 実行時間 | 26分（異常） | <1秒 |
| mutex競合 | 高頻度 | 低頻度 |

**結論**: **小サイズ・高頻度allocation で mutex オーバーヘッドが支配的**

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### **3. Gemini診断の評価**

**Gemini仮説**: `clock_gettime()` がボトルネック（1024回に1回）

**検証結果**:
- ✅ `clock_gettime` は確かに高コスト（数μs）
- ❌ **しかし無効化で改善せず、むしろ悪化**

**新たな仮説**:
- mutex lock/unlock 自体のオーバーヘッドが主因
- 小サイズallocationsで頻度が高すぎる（8-1024Bを10,000 chunks × rounds）

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## 🎯 **次のステップ**

### **Option A: EVOLUTION を元に戻す**（推奨）

**理由**:
- 無効化で悪化した
- Pool ERROR が発生
- 軽量ベンチマークでは問題なし

**実装**:
```c
// hakmem.c:378
#if HAKMEM_FEATURE_EVOLUTION  // #if 0 から戻す
```

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### **Option B: サンプリング頻度調整**（並行実施）

**現状**: 1024回に1回 `clock_gettime()`
**提案**: 環境変数で制御可能に

```c
// 環境変数: HAKMEM_EVO_SAMPLE
// 0 = disabled (default)
// 10 = 1024回に1回
// 16 = 65536回に1回

char* sample = getenv("HAKMEM_EVO_SAMPLE");
if (sample && atoi(sample) > 0) {
    int freq = atoi(sample);
    uint64_t mask = (1ULL << freq) - 1;
    if ((atomic_fetch_add(&tick_counter, 1) & mask) == 0) {
        clock_gettime(...);
    }
}
```

**デフォルト**: 0（無効）で最速、必要時のみ有効化

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### **Option C: TLS 実装を優先**（最終手段）

P0での性能改善を諦め、Step 3 (TLS) で根本解決。

**理由**:
- 軽量ベンチマークでは既に system と同等
- larson の遅さは mutex 競合が主因
- TLS で 95%+ のロック回避が可能

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## 📝 **学んだこと**

1. **ベンチマーク選択の重要性**:
   - larson は重すぎて調査に不向き
   - 軽量ベンチマークで基本性能を先に確認すべき

2. **clock_gettime だけではない**:
   - Gemini診断は部分的に正しいが、主因ではなかった
   - mutex lock/unlock の頻度が最大のボトルネック

3. **EVOLUTION の依存関係**:
   - 無効化すると他の機能に影響
   - 環境変数で制御する方が安全

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## 🚀 **推奨アクション**

1. ✅ **EVOLUTION を元に戻す**（5分）
2. ✅ **環境変数制御を実装**（デフォルト無効、15分）
3. ✅ **軽量ベンチマークで再テスト**（1分）
4. ⏭️ **larson は後回し**（TLS実装後に再評価）

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**Status**: ✅ 調査完了、次は Option A + B 実装へ