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# Phase 6.12: Tiny Pool 実装完了レポート

**完了日**: 2025-10-21
**ステータス**: ✅ 基本実装完了、❌ 性能目標未達、🎯 P0最適化へ進む

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## 📊 **実装サマリ**

### ✅ **完了した実装**

1. **8 size classes 実装**
   - 8B, 16B, 32B, 64B, 128B, 256B, 512B, 1KB
   - Bitmap-based free block search (`__builtin_ctzll`)
   - Free list管理 (free_slabs / full_slabs)

2. **64KB slab allocator**
   - posix_memalign使用（memory leak修正済み）
   - Slab metadata: TinySlab構造体 + bitmap

3. **Lite P1 pre-allocation**
   - Tier 1 (8-64B) 4クラスのみ事前確保
   - 256KB常駐（512KBではない）

4. **ベンチマークシナリオ追加**
   - string-builder (8-64B, short-lived)
   - token-stream (16-128B, FIFO)
   - small-objects (32-256B, long-lived)

5. **Warmup分離実装**
   - 測定フェーズと初期化フェーズを分離
   - 測定精度向上

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## 📊 **ベンチマーク結果**

### **性能測定結果** (vs mimalloc)

| Scenario | hakmem | mimalloc | system | 相対性能 |
|----------|--------|----------|--------|---------|
| **string-builder** (8-64B) | 7,871 ns | 18 ns | 18 ns | **437x slower** ❌ |
| **token-stream** (16-128B) | 99 ns | 9 ns | 12 ns | **11x slower** ⚠️ |
| **small-objects** (32-256B) | 6 ns | 3 ns | 6 ns | **2x slower** ✅ |

### **測定環境**
- CPU: x86_64 Linux
- Compiler: gcc -O2
- Iterations: 10,000 (string-builder, token-stream, small-objects)
- Warmup: 各シナリオで4サイズクラス事前確保

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## 🔍 **根本原因分析**

### **Task先生調査結果**

**犯人特定**: `find_slab_by_ptr()` の二重呼び出し = **6,000ns/op (75%)**

#### **問題のコード**

```c
// hakmem.c:510 - hak_free_at()
if (hak_tiny_is_managed(ptr)) {  // ← 1回目の find_slab_by_ptr()
    hak_tiny_free(ptr);          // ← 2回目の find_slab_by_ptr()
    return;
}

// hakmem_tiny.c:253 - hak_tiny_is_managed()
int hak_tiny_is_managed(void* ptr) {
    return find_slab_by_ptr(ptr) != NULL;  // ← O(N) 線形探索！
}

// hakmem_tiny.c:71-96 - find_slab_by_ptr()
static TinySlab* find_slab_by_ptr(void* ptr) {
    // Search in free_slabs (O(N))
    for (int class_idx = 0; class_idx < TINY_NUM_CLASSES; class_idx++) {
        for (TinySlab* slab = ...; slab; slab = slab->next) {
            if ((uintptr_t)slab->base == slab_base) return slab;
        }
    }
    // Search in full_slabs (O(N))
    for (int class_idx = 0; class_idx < TINY_NUM_CLASSES; class_idx++) {
        for (TinySlab* slab = ...; slab; slab = slab->next) {
            if ((uintptr_t)slab->base == slab_base) return slab;
        }
    }
    return NULL;
}
```

#### **コスト内訳**

```
string-builder: 40,000 free calls
× 2回 find_slab_by_ptr()
× 平均 3,000ns/call (O(N) 探索)
= 240,000,000 ns total
→ 6,000 ns/op (75%)
```

**その他のオーバーヘッド**:
- memset: 100 ns/op (1.3%)
- 関数呼び出し: 80 ns/op (1.0%)
- bitmap探索: 推定 1,691 ns/op (21.5%)

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## 💡 **ChatGPT Pro 診断結果**

### **判断: 継続推奨！諦めない**

**理由**:
1. ✅ **P0+TLS で桁が変わる** - 7,871ns → 50-80ns (157倍高速化)
2. ✅ **SACS/ELO の差別化** - Tiny帯でもHot/Warm/Cold適用可能
3. ✅ **一貫性** - L1/L2/L2.5/L3が同じ方針で動く

**タイムボックス**: P0で ≤200ns/op 切れなければL2.5に注力

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## 🎯 **P0最適化戦略**

### **Option B: Embedded Metadata (Slab先頭16Bにタグ)**

**実装**:
```c
typedef struct __attribute__((packed)) {
    uintptr_t xored_owner;   // owner ^ cookie
    uint32_t  magic;         // 0xH4KM3M01
    uint16_t  class_idx;
    uint16_t  epoch;         // ABA防止
} SlabTag;

static inline TinySlab* owner_slab(void* p) {
    uintptr_t base = (uintptr_t)p & ~(TINY_SLAB_SIZE-1);
    SlabTag* t = (SlabTag*)base;
    if (unlikely(t->magic != MAGIC)) return NULL;
    return (TinySlab*)((t->xored_owner) ^ cookie);  // O(1)!
}
```

**期待効果**: 6,000ns → 5ns (**1200倍高速化**)

### **Option C: 二重呼び出し削除**

```c
// hak_free_at() 修正
TinySlab* slab = owner_slab(ptr);  // ← 1回のみ
if (slab) {
    hak_tiny_free_with_slab(ptr, slab);
    return;
}
```

**期待効果**: 2倍高速化

### **memset全削除**

ベンチマーク測定用memset以外を削除

**期待効果**: 100ns削減

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## 📊 **期待される改善効果**

| 改善 | 現状 | 改善後 | 効果 |
|------|------|--------|------|
| **P0: Option B + C + memset削除** | 7,871 ns | 1,871 ns | 4.2倍高速 |
| **P1: TLS freelist** | 1,871 ns | 50-80 ns | 27倍高速 |
| **最終** | 7,871 ns | **50-80 ns** | **157倍高速** |

**mimalloc比**: 18ns vs 50-80ns → 2.8-4.4倍遅い（許容範囲）

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## 🎯 **最終目標**

| Scenario | 現状 | 目標 | mimalloc | 達成度 |
|----------|------|------|----------|--------|
| **string-builder** | 7,871 ns | **50-80 ns** | 18 ns | mimalloc比 2.8-4.4倍 ✅ |
| **token-stream** | 99 ns | **≤20 ns** | 9 ns | mimalloc比 2.2倍 ✅ |
| **small-objects** | 6 ns | **≤10 ns** | 3 ns | mimalloc比 3.3倍 ✅ |

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## 📁 **関連ファイル**

### **実装**
- `apps/experiments/hakmem-poc/hakmem_tiny.h` - Tiny Pool API
- `apps/experiments/hakmem-poc/hakmem_tiny.c` - Slab allocator実装
- `apps/experiments/hakmem-poc/hakmem.c` - 統合コード

### **ベンチマーク**
- `apps/experiments/hakmem-poc/bench_allocators.c` - 3シナリオ実装
- `apps/experiments/hakmem-poc/Makefile` - ビルド設定

### **調査レポート**
- `apps/experiments/hakmem-poc/WARMUP_ZERO_EFFECT_INVESTIGATION.md` - Task先生調査
- `/tmp/chatgpt_tiny_pool_optimization.txt` - ChatGPT Pro質問状
- `/mnt/c/git/nyash-project/chatgpt_tiny_pool_optimization.txt` - 同上（Windows版）

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## ✅ **Phase 6.12 完了判定**

**基本実装**: ✅ 完了
**性能目標**: ❌ 未達（mimalloc比 437倍遅い）
**根本原因**: ✅ 特定（find_slab_by_ptr 二重呼び出し）
**最適化戦略**: ✅ 確定（ChatGPT Pro承認済み）

**次のステップ**: Phase 6.12.1 (P0最適化) 実装開始

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**作成者**: Claude + Task先生 + ChatGPT Pro
**作成日**: 2025-10-21