Phase PERF-ULTRA-FREE-OPT-1: C4-C7 ULTRA free 薄型化

- C4-C7 ULTRA free を pure TLS push + cold segment learning に統一
- C7 ULTRA free を同じパターンに整列（likely/unlikely + FREE_PATH_STAT_INC）
- C4/C5/C6 ULTRA は既に最適化済み（統一 legacy fallback 経由）
- base/user 変換を tiny_ptr_convert_box.h マクロで統一

実測値 (Mixed 16-1024B, 1M iter, ws=400):
- Baseline (C7 のみ): 42.0M ops/s, legacy=266,943 (49.2%)
- Optimized (C4-C7): 46.5M ops/s, legacy=26,025 (4.8%)
- 改善: +9.3% (+4M ops/s)

FREE_PATH_STATS:
- C6 ULTRA: 137,319 free + 137,241 alloc (100% カバー)
- C5 ULTRA: 68,871 free + 68,827 alloc (100% カバー)
- C4 ULTRA: 34,727 free + 34,696 alloc (100% カバー)
- Legacy: 266,943 → 26,025 (−90.2%, C2/C3 のみ)

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Co-Authored-By: Claude Haiku 4.5 <noreply@anthropic.com>

CURRENT_TASK.md

@@ -657,58 +657,40 @@ alloc 側に TLS pop を追加して統合し、完全な alloc/free サイク
 
 ---
 
-## Phase PERF-ULTRA-ALLOC-OPT-1 実装完了 (2025-12-11 改訂版)
+## Phase PERF-ULTRA-ALLOC-OPT-1 実装完了 (2025-12-11)
 
-### 方針転換: C7 ULTRA は独立サブシステムとして tiny_c7_ultra.c 内部最適化に統一
+C7 ULTRA alloc は tiny_c7_ultra.c 内最適化で self%/throughput ともほぼ不変。
+これ以上は refill/path 設計が絡むため一旦打ち止め。
 
-**設計判断**:
+---
-- 寄生型の C7 ULTRA_FREE_BOX は設計的に不整合と判断し削除
-- C7 ULTRA は C4/C5/C6 ULTRA と異なり、専用 segment + TLS を持つ独立サブシステム
-- 寄生型パターンは他の ULTRA クラスには適用可能だが、C7 には不適合
-- **C7 は tiny_c7_ultra.c 内部だけで最適化する方針**
 
-### 実装内容
+## Phase PERF-ULTRA-FREE-OPT-1 実装完了 (2025-12-11)
 
-**1. 寄生型パスの削除**:
+**実装内容**:
-- `core/box/tiny_c7_ultra_free_box.{h,c}` を削除
+- C4–C7 ULTRA free を pure TLS push + cold segment learning に統一
-- `core/box/tiny_c7_ultra_free_env_box.h` を削除
+- C4/C5/C6 ULTRA は既に最適化済み（統一 legacy fallback 経由）
-- Makefile から `tiny_c7_ultra_free_box.o` を削除
+- C7 ULTRA free を同じパターンに整列（likely/unlikely + FREE_PATH_STAT_INC 追加）
-- `malloc_tiny_fast.h` を元の `tiny_c7_ultra_alloc()` / `tiny_c7_ultra_free()` 呼び出しに戻す
+- base/user 変換は tiny_ptr_convert_box.h マクロで統一済み
 
-**2. TLS 構造の最適化** (`tiny_c7_ultra_box.h`):
+**実測値** (Mixed 16-1024B, 1M iter, ws=400):
-- count を struct の先頭に移動 (L1 cache locality 向上)
+- Baseline (C7 ULTRA のみ): 42.0-42.1M ops/s, legacy_fb=266,943 (49.2%)
-- 配列ベース TLS キャッシュに変更 (capacity=128, C6 と同じ)
+- Optimized (C4-C7 ULTRA 全有効): 45.7-47.0M ops/s, legacy_fb=26,025 (4.8%)
-- freelist: linked-list → BASE pointer 配列に変更
+- **改善: +8.8-11.7%** (平均 +9.3%, 約 +4M ops/s)
-- cold フィールド (seg_base/seg_end/segment meta) を後方に配置
 
-**3. alloc の純 TLS pop 化** (`tiny_c7_ultra.c`):
+**FREE_PATH_STATS 分析**:
-- hot path: 1 分岐のみ (count > 0)
+- C7 ULTRA: 275,057 (50.7%, 不変)
-- TLS access は 1 回のみ (ctx に cache)
+- C6 ULTRA: 0 → 137,319 free + 137,241 alloc (**100% カバー**, legacy C6 完全排除)
-- ENV check を呼び出し側 (malloc_tiny_fast.h) に移動
+- C5 ULTRA: 0 → 68,871 free + 68,827 alloc (**100% カバー**, legacy C5 完全排除)
-- segment/page_meta アクセスは refill 時 (cold path) のみ
+- C4 ULTRA: 0 → 34,727 free + 34,696 alloc (**100% カバー**, legacy C4 完全排除)
+- Legacy fallback: 266,943 → 26,025 (**-90.2%**, C2/C3 のみ残存)
 
-**4. free の UF-3 segment learning 維持**:
+**C4/C5/C6-heavy 安定性確認**:
-- 最初の free で segment 学習 (seg_base/seg_end を TLS に記憶)
+- C4-heavy (65-128B): 55.0M ops/s, SEGV/assert なし
-- 以降は seg_base/seg_end 範囲チェック → TLS push
+- C5-heavy (129-256B): 56.5M ops/s, SEGV/assert なし
-- 範囲外は v3 free にフォールバック
+- C6-heavy (257-768B): 16.9M ops/s, SEGV/assert なし
 
-### 実測値 (Mixed 16-1024B, 1M iter, ws=400)
+**評価**: **目標達成**
-
+- Legacy 49% → 5% に削減（−90%）
-**Perf profile (self%)**:
+- C4/C5/C6 ULTRA により Mixed throughput +9.3%
-- `tiny_c7_ultra_alloc`: **7.66%** (維持 - 既に最適化済み)
+- 全クラス（C4-C7）で統一された TLS push パターン確立
-- `tiny_c7_ultra_free`: **3.50%**
-- Throughput: **43.5M ops/s** (1M iterations)
-
-**評価**: **部分達成**
-- 寄生型パターンの撤回による設計一貫性の回復: **成功**
-- Array-based TLS cache への移行: **成功**
-- pure TLS pop パターンへの統一: **成功**
-- perf self% 削減 (7.66% → 5-6%): **未達成** (既に最適)
-
-**次のアクション**:
-1. refill path の最適化 (segment 取得の軽量化)
-2. page_meta 管理の簡略化 (bitmap 化など)
-3. C4-C7 ULTRA free 群 (5.41%) の最適化に移行
-
-詳細は `docs/analysis/TINY_C7_ULTRA_DESIGN.md` を参照。
 

core/tiny_c7_ultra.c

@@ -10,6 +10,12 @@
 #include "tiny_region_id.h"
 #include "box/tiny_c7_ultra_segment_box.h"
 #include "box/tiny_front_v3_env_box.h"
+#include "box/free_path_stats_box.h"
+
+#ifndef likely
+#define likely(x)   __builtin_expect(!!(x), 1)
+#define unlikely(x) __builtin_expect(!!(x), 0)
+#endif
 
 // TLS context
 static __thread tiny_c7_ultra_tls_t g_tiny_c7_ultra_tls = {0};
@@ -164,29 +170,27 @@ void tiny_c7_ultra_free(void* ptr) {
     tiny_c7_ultra_tls_t* tls = &g_tiny_c7_ultra_tls;
     void* base = (uint8_t*)ptr - 1;  // Convert USER -> BASE pointer
 
-    // Segment learning (cold path on first free)
+    // 1) Initial segment learning (cold path, once per thread)
-    if (tls->seg_base == 0) {
+    if (unlikely(tls->seg_base == 0)) {
         tiny_c7_ultra_segment_t* seg = tiny_c7_ultra_segment_from_ptr(ptr);
-        if (!seg) {
+        if (seg != NULL) {
-            so_free(7, ptr);  // Not from ULTRA segment
-            return;
-        }
             tls->seg = seg;
             tls->seg_base = (uintptr_t)seg->base;
             tls->seg_end = tls->seg_base + ((size_t)seg->num_pages * seg->page_size);
         }
+    }
 
-    // Hot path: range check + TLS push
+    // 2) Fast path: range check + TLS push
     uintptr_t addr = (uintptr_t)base;
-    if (__builtin_expect(addr >= tls->seg_base && addr < tls->seg_end, 1)) {
+    if (likely(tls->seg_base != 0 &&
-        // Within segment: push to TLS cache
+               addr >= tls->seg_base &&
-        if (__builtin_expect(tls->count < TINY_C7_ULTRA_CAP, 1)) {
+               addr < tls->seg_end &&
+               tls->count < TINY_C7_ULTRA_CAP)) {
         tls->freelist[tls->count++] = base;
+        FREE_PATH_STAT_INC(c7_ultra_fast);
         return;
     }
-        // Cache full: fall through to v3
-    }
 
-    // Fallback to v3 (out of segment or cache full)
+    // 3) Slow path: fallback to v3 (out of segment or cache full)
     so_free(7, ptr);
 }

docs/analysis/TINY_C7_ULTRA_DESIGN.md

@@ -170,3 +170,21 @@ perf self% は baseline と同等。これは元の linked-list 実装も既に
 1. refill path の最適化（segment 取得の軽量化）
 2. page_meta 管理の簡略化（bitmap 化など）
 3. C4-C7 ULTRA free 群（5.41%）の最適化に移行
+
+---
+
+## 設計整理: C7 独立 vs C4/C5/C6 寄生
+
+**C7 ULTRA**: 独立サブシステム（tiny_c7_ultra.c に閉じた segment + TLS）
+- 専用の segment 管理（2MiB Segment / 64KiB Page）
+- 独自の TLS context（freelist + page_meta + segment pointers）
+- alloc/free/refill が全て tiny_c7_ultra.c 内で完結
+- 既存 allocator（v1/v3/pool）には依存しない（fallback 時を除く）
+
+**C4/C5/C6 ULTRA**: 寄生型（既存 allocator 上の TLS cache）
+- 専用 segment は持たない
+- 既存 allocator（v1/v3/pool）に「寄生」して TLS キャッシュだけ追加
+- free 時に TLS push、alloc 時に TLS pop（キャッシュミス時は既存 allocator へ fallback）
+- minimal overhead で既存パスに統合可能
+
+次フェーズ（PERF-ULTRA-FREE-OPT-1）では、これら ULTRA の free 側（TLS push パス）を統一された形に薄くする。