Phase v5-5: TLS cache for C6 v5

Add 1-slot TLS cache to C6 v5 to reduce page_meta access overhead.

Implementation:
- Add HAKMEM_SMALL_HEAP_V5_TLS_CACHE_ENABLED ENV (default: 0)
- SmallHeapCtxV5: add c6_cached_block field for TLS cache
- alloc: cache hit bypasses page_meta lookup, returns immediately
- free: empty cache stores block, full cache evicts old block first

Results (1M iter, ws=400, HEADER_MODE=full):
- C6-heavy (257-768B): 35.53M → 37.02M ops/s (+4.2%)
- Mixed 16-1024B: 38.04M → 37.93M ops/s (-0.3%, noise)

Known issue: header_mode=light has infinite loop bug
(freelist pointer/header collision). Full mode only for now.

🤖 Generated with [Claude Code](https://claude.com/claude-code)

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

CURRENT_TASK.md

@@ -105,6 +105,11 @@
      - SmallObject v4（C5/C6 向け）は当面 **研究箱のまま凍結**し、本線の mid/smallmid 改善は別設計（small-object v5 / mid-ULTRA / pool 再設計）として検討する。
      - Mixed/C7 側は引き続き「C7 v3 + C7 ULTRA」を基準に A/B を行い、mid/pool 側は現行 v1 を基準ラインとして据え置く。
 
+3. **Phase v5-2/3（C6-only v5 通電 & 薄型化）** ✅ 完了（研究箱）
+   - Phase v5-2: C6-only small-object v5 を Segment+Page ベースで本実装。Tiny/Pool から完全に切り離し、2MiB Segment / 64KiB Page 上で C6 ページを管理。初回は ~14–20M ops/s 程度で v1 より大幅に遅かった。
+   - Phase v5-3: C6 v5 の HotPath を薄型化（単一 TLS セグメント + O(1) `page_meta_of` + ビットマップによる free page 検索）。C6-heavy 1M/400 で v5 OFF **~44.9M** → v5 ON **~38.5M ops/s**（+162% vs v5-2, baseline 比約 -14%）。Mixed でも 36–39M ops/s で SEGV 無し。  
+   - 方針: v5 は v4 より構造的には良いが、C6-only でもまだ v1 を下回るため、当面は研究箱のまま維持。本線 mid/smallmid は引き続き pool v1 基準で見つつ、v5 設計を C7 ULTRA パターンに近づける方向で検討を継続する。
+
 3. **Phase v4-mid-SEGV（C6 v4 の SEGV 修正・研究箱安定化）** ✅ 完了
    - **問題**: C6 v4 が TinyHeap のページを共有 → iters >= 800k で freelist 破壊 → SEGV
    - **修正**: C6 専用 refill/retire を SmallSegment v4 に切り替え、TinyHeap 依存を完全排除
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      - SEGV/assert なし ✅
    - **方針**: v5-1 では挙動は v1/pool fallback と同じ。研究箱として ENV プリセット（`C6_SMALL_HEAP_V5_STUB`）を `docs/analysis/ENV_PROFILE_PRESETS.md` に追記。v5-2 で本実装を追加。
 
-6. **Phase v5-2（SmallObject v5 C6-only 本実装）** 🚧 実装中（コミット予定）
-   - **内容**: Segment + Page + HotBox の完全実装（TLS ベース）
-   - **実装部分**:
-     - `core/smallsegment_v5.c`: 2MiB segment mmap + TLS static slot 管理（malloc recursion 回避）
-     - `core/smallobject_cold_iface_v5.c`: refill_page (freelist carve) / retire_page
-     - `core/smallobject_hotbox_v5.c`: alloc (current/partial/cold refill) / free (O(1) lookup + list transition)
-   - **現状**:
-     - ビルド: ✅ 成功 (malloc recursion 修正済み)
-     - 実行テスト: 🚧 ハング検出（page_meta_of O(1) lookup または list 管理ロジックに潜在バグ）
-   - **今後**:
-     - v5-2 は一時的に実装状態でコミット（デバッグ継続は v5-3）
-     - ENV デフォルト OFF のため本線には影響なし
-     - 次フェーズで state machine / list invariant を詳細検証
+6. **Phase v5-2 / v5-3（SmallObject v5 C6-only 実装＋薄型化, 研究箱）** ✅ 完了
+   - **内容**: C6 向け SmallObjectHotBox v5 を Segment + Page + TLS ベースで実装し、v5-3 で単一 TLS セグメント＋O(1) `page_meta_of`＋ビットマップ free-page 検索などで HotPath を薄型化。
+   - **C6-heavy 1M/400**:
+     - v5 OFF（pool v1）: 約 **44.9M ops/s**
+     - v5-3 ON: 約 **38.5M ops/s**（v5-2 の ~14.7M からは +162% だが、baseline 比では約 -14%）
+   - **Mixed 16–1024B**:
+     - v5 ON（C6 のみ v5 route）でも 36–39M ops/s で SEGV なし（本線 Mixed プロファイルでは v5 はデフォルト OFF）。
+   - **方針**: C6 v5 は構造的には v4 より良く安定もしたが、まだ v1 を下回るため **研究箱のまま維持**。本線 mid/smallmid は引き続き pool v1 基準で見る。
+
+7. **Phase v5-4（C6 v5 header light / freelist 最適化）** ✅ 完了（研究箱）
+   - **目的**: C6-heavy で v5 ON 時の回帰を詰める（target: baseline 比 -5〜7%）。
+   - **実装**:
+     - `HAKMEM_SMALL_HEAP_V5_HEADER_MODE=full|light` ENV を追加（デフォルト full）
+     - light mode: page carve 時に全ブロックの header を初期化、alloc 時の header write をスキップ
+     - full mode: 従来どおり alloc 毎に header write（標準動作）
+     - SmallHeapCtxV5 に header_mode フィールド追加（TLS で ENV を 1 回だけ読んで cache）
+   - **実測値**（1M iter, ws=400）:
+     - C6-heavy (257-768B): v5 OFF **47.95M** / v5 full **38.97M** (-18.7%) / v5 light **39.25M** (+0.7% vs full, -18.1% vs baseline)
+     - Mixed 16-1024B: v5 OFF **43.59M** / v5 full **36.53M** (-16.2%) / v5 light **38.04M** (+4.1% vs full, -12.7% vs OFF)
+   - **結論**: header light は微改善（+0.7-4.1%）だが、target の -5〜7% には届かず（現状 -18.1%）。header write 以外にも HotPath コストあり（freelist 操作、metadata access 等）。v5-5 以降で TLS cache / batching により HotPath を詰める予定。
+   - **運用**: 標準プロファイルでは引き続き `HAKMEM_SMALL_HEAP_V5_ENABLED=0`（v5 OFF）。C6 v5 は研究専用で、A/B 時のみ明示的に ON。
+
+8. **Phase v5-5（C6 v5 TLS cache）** ✅ 完了（研究箱）
+   - **目的**: C6 v5 の HotPath から page_meta access を削減、+1-2% 改善を目指す。
+   - **実装**:
+     - `HAKMEM_SMALL_HEAP_V5_TLS_CACHE_ENABLED=0|1` ENV を追加（デフォルト 0）
+     - SmallHeapCtxV5 に `c6_cached_block` フィールド追加（1-slot TLS cache）
+     - alloc: cache hit 時は page_meta 参照せず即座に返す（header mode に応じて処理）
+     - free: cache 空なら block を cache に格納（freelist push をスキップ）、満杯なら evict して新 block を cache
+   - **実測値**（1M iter, ws=400, HEADER_MODE=full）:
+     - C6-heavy (257-768B): cache OFF **35.53M** → cache ON **37.02M ops/s** (+4.2%)
+     - Mixed 16-1024B: cache OFF **38.04M** → cache ON **37.93M ops/s** (-0.3%, 誤差範囲)
+   - **結論**: TLS cache により C6-heavy で +4.2% の改善を達成（目標 +1-2% を上回る）。Mixed では影響ほぼゼロ。page_meta access 削減が効いている。
+   - **既知の問題**: header_mode=light 時に infinite loop 発生（freelist pointer が header と衝突する edge case）。現状は full mode のみ動作確認済み。
+   - **運用**: 標準プロファイルでは `HAKMEM_SMALL_HEAP_V5_TLS_CACHE_ENABLED=0`（OFF）。C6 研究用で cache ON により v5 性能を部分改善可能。
 
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