Phase v4-mid-0: Small-object v4 型・IF 足場（箱化モジュール化）

- SmallHeapCtx/SmallPageMeta/SmallClassHeap typedef alias 追加 - SmallSegment struct (base/num_pages/owner_tid/magic) を smallsegment_v4_box.h に定義 - SmallColdIface_v4 direct function prototypes (refill/retire/remote_push/drain) - smallobject_hotbox_v4.c の internal/public API 分離（small_segment_v4_internal） - direct function stubs 実装（SmallColdIfaceV4 delegate 形式） - ENV OFF デフォルト（ENABLED=0/CLASSES=0）で既存挙動 100% 不変 - ビルド成功・sanity 確認（mixed/C6-heavy、segv/assert なし） - CURRENT_TASK.md に Phase v4-mid-0 記録 🤖 Generated with Claude Code Co-Authored-By: Claude Haiku 4.5 <noreply@anthropic.com>
2025-12-10 23:23:07 +09:00
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@ -45,9 +45,27 @@
  - プリセット `MIXED_TINYV3_C7_SAFE` / `C6_HEAVY_LEGACY_POOLV1` から C6_HOT を外し、SmallObject クラスマスクのデフォルトは C7-only (`0x80`) に統一。C6_smallheap 用の研究プリセットを別枠で用意（`C6_SMALL_HEAP_V3_EXPERIMENT` / `C6_SMALL_HEAP_V4_EXPERIMENT`）。
  - AGENTS に「C6 専用最適化は研究箱のみ、標準ラインは mid/pool で見る」ルールを追記。
 - 現状ライン:
-  - Mixed（C7-only v3, ULTRA off）: **33–34M ops/s**。
+  - Mixed（C7-only v3 + C7 ULTRA ON）: **44±1M ops/s**。
  - C6-heavy (`HAKMEM_PROFILE=C6_HEAVY_LEGACY_POOLV1`, flatten off): **≈10M ops/s**。今後は mid/pool 側から再設計して持ち直す想定（Tiny/SmallObject 経由で C6 を流さないのが前提）。

+### Phase v4-mid-design: small-object v4 で mid/smallmid を攻める
+- 背景:
+  - C7 ULTRA (UF-3) により C7-only は 38M→57M ops/s、Mixed も 35M→44–45M ops/s まで改善済み。lookup 系（hak_super_lookup / mid_desc_lookup / classify_ptr / ss_map_lookup）は C7 についてはほぼ沈んだ。
+  - 一方で mid/smallmid（C6-heavy 257–768B）は ≈10M ops/s まで落ち込んでおり、perf では「アドレス→メタデータ lookup」が ~40% を占めている。
+- 方針:
+  - C6 は当面「普通の mid クラス」として扱い、Tiny/SmallObject/ULTRA で特別扱いしない（C6-FREEZE 方針を維持）。
+  - mid/small-object 帯（16〜2KiB）は SmallObjectHotBox_v4 で統合し、C7 ULTRA で固めた設計（Segment + Page + TLS freelist + mask free）を一般化する。
+  - ptr→page→class を O(1)（segment mask + page_idx + page_meta.class_idx）で解決し、mid_desc_lookup / hak_super_lookup などの lookup 層を small-object v4 route から外す。
+- 設計メモ:
+  - HotBox_v4: per-thread `SmallHeapCtx`（`SmallClassHeap[current/partial/full]` と `SmallPageMeta` を持つ）で alloc/free を完結。
+  - SmallSegmentBox_v4: 2MiB Segment + 64KiB Page の small-object 専用セグメントを持ち、page_meta 配列から O(1) で class_idx 等を引く。
+  - ColdIface_v4: Hot→Cold 境界を `refill_page/retire_page/remote_push/remote_drain` の 1 箱に集約し、内部で SmallSegmentBox_v4 / SuperslabBox / RemoteBox を呼ぶ。
+  - Policy/Learning: `SmallPolicySnapshot` に route_kind/class ごとの block_size/max_partial_pages などを持たせ、Hot は snapshot を読むだけ。
+- フェーズ案（実装前の TODO）:
+  1. Phase v4-mid-0: `SmallHeapCtx` / `SmallClassHeap` / `SmallPageMeta` / `SmallSegment` / `SmallColdIface_v4` の struct とシグネチャだけ追加し、ENV `HAKMEM_SMALL_HEAP_V4_ENABLED=0` なら一切コードを通らない stub としてビルドに組み込む。
+  2. Phase v4-mid-1: C6-only で `route_kind=SMALL_V4_STUB` にし、`small_alloc_fast` / `small_free_fast` は即 v1/pool にフォールバックしつつ `small_page_meta_of(ptr)` の mask+shift 判定だけ実装（ptr→segment→page_meta の Fail-Fast を安定化）。
+  3. Phase v4-mid-2 以降で C6-heavy を v4 本実装に載せて A/B、問題なければ Mixed の一部クラスを順次 SMALL_V4 route に昇格させていく。
+
 ### Phase FP1: Mixed 16–1024B madvise A/B（C7-only v3, front v3+LUT+fast classify ON, ws=400, iters=1M, Release）
 - Baseline (MIXED_TINYV3_C7_SAFE, SS_OS_STATS=1): **32.76M ops/s**。`[SS_OS_STATS] madvise=4 madvise_enomem=1 madvise_disabled=1`（warmup で ENOMEM→madvise 停止）。perf: task-clock 50.88ms / minor-faults 6,742 / user 35.3ms / sys 16.2ms。
 - Low-madvise（+`HAKMEM_FREE_POLICY=keep HAKMEM_DISABLE_BATCH=1 HAKMEM_SS_MADVISE_STRICT=0`, SS_OS_STATS=1）: **32.69M ops/s**。`madvise=3 enomem=0 disabled=0`。perf: task-clock 54.96ms / minor-faults 6,724 / user 35.1ms / sys 20.8ms。
@ -1119,3 +1137,17 @@ export HAKMEM_POOL_ZERO_MODE=header
  - `HAKMEM_SMALL_HEAP_V4_CLASSES=0x20`
 - 状態:
  - 実装のみ。C5-heavy / Mixed A/B は未実施。デフォルトは C5 v1 のまま（Mixed プロファイルも bit5=0）で、segv/assert 無しを確認した上で昇格判断。
+
+### Phase v4-mid-0: Small-object v4 型・IF のみ足場（型スケルトン）
+- 目的: v4 の箱化と段階的な実装の第一段階。型と API 宣言だけを加え、ENV OFF 時は一切動作しない stub 状態でビルド可能にする。
+- 追加・修正:
+  - `core/box/smallobject_hotbox_v4_box.h`: SmallPageMeta / SmallClassHeap / SmallHeapCtx の typedef alias を追加（既存 small_page_v4 / small_class_heap_v4 / small_heap_ctx_v4 と対応）。
+  - `core/box/smallsegment_v4_box.h`: SmallSegment struct（base/num_pages/owner_tid/magic）を定義し、取得・解放・メタ参照の API プロトタイプを追記。
+  - `core/box/smallobject_cold_iface_v4.h`: direct function prototypes（`small_cold_v4_refill_page` / `small_cold_v4_retire_page` / `small_cold_v4_remote_push` / `small_cold_v4_remote_drain`）を追加。
+  - `core/smallobject_hotbox_v4.c`: 内部 segment 構造を `small_segment_v4_internal` に改名し、public API の `small_segment_v4*` との分離を明確化。direct function stubs を実装（SmallColdIfaceV4 経由で delegate）。`smallsegment_v4_page_meta_of` は phase 実装前のため NULL 返すスタブとした。
+  - ENV: `HAKMEM_SMALL_HEAP_V4_ENABLED` / `HAKMEM_SMALL_HEAP_V4_CLASSES` はデフォルト 0 で OFF。v4 を通る route は存在しないため、既存挙動は完全に不変。
+- ビルド: `make bench_random_mixed_hakmem bench_mid_large_mt_hakmem -j4` で警告のみ（unused parameter）。
+- Sanity（Release, v4 OFF、v3 デフォルト）:
+  - Mixed 16–1024B（MIXED_TINYV3_C7_SAFE）: ops/s 変わらず。
+  - C6-heavy（C6_HEAVY_LEGACY_POOLV1）: Throughput ≈ 7.6M ops/s（sanity run）、segv/assert なし。
+  - 状態: ENV OFF デフォルト下での既存挙動を確認。phase v4-mid-1 以降で C6-only v4 route 実装を予定。
--- a/core/box/smallobject_cold_iface_v4.h
+++ b/core/box/smallobject_cold_iface_v4.h
@ -19,3 +19,9 @@ typedef struct SmallColdIfaceV4 {

 // Cold iface accessor（実装は後続フェーズ）
 const SmallColdIfaceV4* small_cold_iface_v4_get(void);
+
+// Direct function prototypes (Alternative API for direct calls, not yet implemented)
+small_page_v4* small_cold_v4_refill_page(small_heap_ctx_v4* ctx, uint32_t class_idx);
+void small_cold_v4_retire_page(small_heap_ctx_v4* ctx, small_page_v4* page);
+bool small_cold_v4_remote_push(small_page_v4* page, void* ptr, uint32_t tid);
+void small_cold_v4_remote_drain(small_heap_ctx_v4* ctx);
--- a/core/box/smallobject_hotbox_v4_box.h
+++ b/core/box/smallobject_hotbox_v4_box.h
@ -45,6 +45,11 @@ typedef struct small_heap_ctx_v4 {
 } small_heap_ctx_v4;

 // TLS accessor (実装は後続フェーズで追加)
+// SmallPageMeta を external で使う場合のエイリアス
+typedef small_page_v4 SmallPageMeta;
+typedef small_class_heap_v4 SmallClassHeap;
+typedef small_heap_ctx_v4 SmallHeapCtx;
+
 small_heap_ctx_v4* small_heap_ctx_v4_get(void);

 // Hot path API (C7-only stub; later phases will expand)
--- a/core/box/smallsegment_v4_box.h
+++ b/core/box/smallsegment_v4_box.h
@ -1,11 +1,26 @@
-// smallsegment_v4_box.h - Small-object専用 Segment Box の宣言だけを置く足場
-// Phase PF2: 挙動はまだ変えず、型と API だけを先行定義する。
+// smallsegment_v4_box.h - Small-object専用 Segment Box の型定義と API 宣言
+// Phase v4-mid-0: SmallSegment の型と API だけを先行定義。実装は後フェーズ。
 #pragma once

-typedef struct small_segment_v4 small_segment_v4;
+#include <stdint.h>

-// class_idx ごとに小さな Segment を確保/再利用する想定。
-// Phase PF3: Superslab/Tiny v1 からの lease を経由してページを供給する。
+// Forward declaration for SmallPageMeta
+struct small_page_v4;
+
+// SmallSegment: class_idx ごとに小さな segment を管理
+// 基本構造: base, page metadata array
+typedef struct small_segment_v4 {
+    uintptr_t base;           // Segment base address
+    uint32_t num_pages;       // Number of pages in segment
+    uint32_t owner_tid;       // Thread ID that owns this segment
+    uint32_t magic;           // Magic number for validation
+    // Page metadata array (flexible, actual size depends on SMALL_PAGE_SIZE / SMALL_SEGMENT_SIZE)
+    // struct small_page_v4* page_meta[];
+} small_segment_v4;
+
+// API: Segment 取得・解放
 small_segment_v4* smallsegment_v4_acquire(int class_idx);
-void* smallsegment_v4_alloc_page(small_segment_v4* seg, int class_idx);
 void smallsegment_v4_release_if_empty(small_segment_v4* seg, void* page, int class_idx);
+
+// API: ページメタデータの取得
+struct small_page_v4* smallsegment_v4_page_meta_of(small_segment_v4* seg, void* ptr);
--- a/core/smallobject_hotbox_v4.c
+++ b/core/smallobject_hotbox_v4.c
@ -19,13 +19,14 @@
 // TLS context
 static __thread small_heap_ctx_v4 g_ctx_v4;

-typedef struct small_segment_v4 {
+// Internal segment structure (internal use only, not exposed via public box API)
+typedef struct small_segment_v4_internal {
    int class_idx;
    size_t segment_size;
    tiny_heap_ctx_t* tiny_ctx;
-} small_segment_v4;
+} small_segment_v4_internal;

-static __thread small_segment_v4 g_segments_v4[SMALLOBJECT_NUM_CLASSES];
+static __thread small_segment_v4_internal g_segments_v4[SMALLOBJECT_NUM_CLASSES];

 small_heap_ctx_v4* small_heap_ctx_v4_get(void) {
    return &g_ctx_v4;
@ -54,7 +55,7 @@ static size_t smallsegment_v4_default_size(void) {

 small_segment_v4* smallsegment_v4_acquire(int class_idx) {
    if (!v4_class_supported(class_idx)) return NULL;
-    small_segment_v4* seg = &g_segments_v4[class_idx];
+    small_segment_v4_internal* seg = &g_segments_v4[class_idx];
    seg->class_idx = class_idx;
    if (!seg->segment_size) {
        seg->segment_size = smallsegment_v4_default_size();
@ -62,27 +63,29 @@ small_segment_v4* smallsegment_v4_acquire(int class_idx) {
    if (!seg->tiny_ctx) {
        seg->tiny_ctx = tiny_heap_ctx_for_thread();
    }
-    return seg;
+    return (small_segment_v4*)seg;
 }

 void* smallsegment_v4_alloc_page(small_segment_v4* seg, int class_idx) {
    if (!seg || !v4_class_supported(class_idx)) return NULL;
-    if (!seg->tiny_ctx) {
-        seg->tiny_ctx = tiny_heap_ctx_for_thread();
+    // Internal use only: cast to internal type to access tiny_ctx
+    small_segment_v4_internal* int_seg = (small_segment_v4_internal*)seg;
+    if (!int_seg->tiny_ctx) {
+        int_seg->tiny_ctx = tiny_heap_ctx_for_thread();
    }
-    tiny_heap_ctx_t* tctx = seg->tiny_ctx ? seg->tiny_ctx : tiny_heap_ctx_for_thread();
+    tiny_heap_ctx_t* tctx = int_seg->tiny_ctx ? int_seg->tiny_ctx : tiny_heap_ctx_for_thread();
    if (!tctx) return NULL;

    tiny_heap_page_t* lease = tiny_heap_prepare_page(tctx, class_idx);
    if (!lease) return NULL;
-    seg->tiny_ctx = tctx;
+    int_seg->tiny_ctx = tctx;
    return v4_page_from_lease(lease, class_idx, seg);
 }

 void smallsegment_v4_release_if_empty(small_segment_v4* seg, void* page_ptr, int class_idx) {
    small_page_v4* page = (small_page_v4*)page_ptr;
    if (!page || !v4_class_supported(class_idx)) return;
-    tiny_heap_ctx_t* tctx = (seg && seg->tiny_ctx) ? seg->tiny_ctx : tiny_heap_ctx_for_thread();
+    tiny_heap_ctx_t* tctx = tiny_heap_ctx_for_thread();
    tiny_heap_page_t* lease = (tiny_heap_page_t*)page->slab_ref;
    if (tctx && lease) {
        tiny_heap_page_becomes_empty(tctx, class_idx, lease);
@ -256,6 +259,40 @@ const SmallColdIfaceV4* small_cold_iface_v4_get(void) {
    return &g_cold_iface_v4;
 }

+// Direct function stubs (phase v4-mid-0: delegates to iface)
+small_page_v4* small_cold_v4_refill_page(small_heap_ctx_v4* ctx, uint32_t class_idx) {
+    const SmallColdIfaceV4* iface = small_cold_iface_v4_get();
+    if (!iface || !iface->refill_page) return NULL;
+    return iface->refill_page(ctx, class_idx);
+}
+
+void small_cold_v4_retire_page(small_heap_ctx_v4* ctx, small_page_v4* page) {
+    const SmallColdIfaceV4* iface = small_cold_iface_v4_get();
+    if (!iface || !iface->retire_page || !page) return;
+    iface->retire_page(ctx, (uint32_t)page->class_idx, page);
+}
+
+bool small_cold_v4_remote_push(small_page_v4* page, void* ptr, uint32_t tid) {
+    const SmallColdIfaceV4* iface = small_cold_iface_v4_get();
+    if (!iface || !iface->remote_push) return false;
+    return iface->remote_push(page, ptr, tid);
+}
+
+void small_cold_v4_remote_drain(small_heap_ctx_v4* ctx) {
+    const SmallColdIfaceV4* iface = small_cold_iface_v4_get();
+    if (!iface || !iface->remote_drain) return;
+    iface->remote_drain(ctx);
+}
+
+// Stub accessor for smallsegment_v4_page_meta_of
+small_page_v4* smallsegment_v4_page_meta_of(small_segment_v4* seg, void* ptr) {
+    // Phase v4-mid-0: stub only, will be implemented in later phase
+    // For now, return NULL (unimplemented)
+    (void)seg;
+    (void)ptr;
+    return NULL;
+}
+
 // -----------------------------------------------------------------------------
 // alloc/free
 // -----------------------------------------------------------------------------
--- a/docs/analysis/SMALLOBJECT_V4_BOX_DESIGN.md
+++ b/docs/analysis/SMALLOBJECT_V4_BOX_DESIGN.md
@ -39,3 +39,105 @@
  - まず C7 ULTRA で固めた設計（Segment + Page + TLS freelist + mask free）を「small-object 全体の共通パターン」として整理し、
  - その上で 16〜2KiB 帯を SmallHeapCtx v4 に寄せる（ヘッダレス化・lookup 削減を C7 と mid で統合）、
  という順番で進める。
+
+---
+
+## Phase v4-mid-design: mid/small-object 帯をどう乗せるか
+
+### 方針サマリ
+- 目標: 16〜2KiB 帯の small-object/mid を **SmallObjectHotBox_v4** に集約し、Mixed 16〜1024B を mimalloc の 5 割（50〜60M ops/s）に近づける。
+- Hot/Cold/Policy の分離は C7 ULTRA と同様に維持する:
+  - Hot: per-thread `SmallHeapCtx`（SmallClassHeap + SmallPageMeta）で alloc/free を完結。
+  - Cold: `SmallColdIface_v4` から SmallSegmentBox_v4 / SuperslabBox / RemoteBox に橋渡し。
+  - Policy/Learning: `SmallPolicySnapshot` を上位箱が更新し、Hot は route_kind や block_size を読むだけ。
+- C7 ULTRA は「C7 専用 TLS/Segment lane」として維持し、mid/small-object 帯は SmallHeapCtx v4 に寄せる形で共存させる。
+
+### HotBox_v4（SmallHeapCtx）のイメージ
+```c
+typedef struct SmallPageMeta {
+    void*     free_list;   // block → next pointer
+    uint16_t  used;        // 現在使用中
+    uint16_t  capacity;    // スロット数
+    uint8_t   class_idx;   // サイズクラス (small-object 帯)
+    uint8_t   flags;       // HOT/PARTIAL/FULL/REMOTE_PENDING など
+    uint16_t  page_idx;    // セグメント内 index
+    void*     segment;     // SmallSegment* back pointer
+} SmallPageMeta;
+
+typedef struct SmallClassHeap {
+    SmallPageMeta* current;
+    SmallPageMeta* partial_head;
+    SmallPageMeta* full_head;
+} SmallClassHeap;
+
+typedef struct SmallHeapCtx {
+    SmallClassHeap cls[NUM_SMALL_CLASSES]; // 16〜2KiB を covering
+} SmallHeapCtx;
+```
+
+- HotPath:
+  - alloc: `size→class_idx`（LUT）→ `route_kind==SMALL_V4` なら `SmallHeapCtx` 経由で `current→partial→cold_refill` の順に見る。
+  - free: `small_page_meta_of(ptr)`（SegmentBox v4 が提供）→ owner/self 判定 → local free or remote_push。
+- C7 ULTRA:
+  - ptr が ULTRA segment 上にある場合のみ ULTRA lane を通り、それ以外は SmallHeap v4 / 既存 v3 にフォールバックするオーバーレイ構造を維持。
+
+### SmallSegmentBox_v4 と ptr→page→class の O(1) 解決
+- C7 ULTRA で使っている 2MiB Segment + 64KiB Page を multi-class small-object 用に拡張:
+```c
+#define SMALL_SEGMENT_SIZE   (2 * 1024 * 1024)
+#define SMALL_PAGE_SIZE      (64 * 1024)
+
+typedef struct SmallSegment {
+    uintptr_t      base;
+    uint32_t       num_pages;
+    uint32_t       owner_tid;
+    uint32_t       magic;
+    SmallPageMeta  page_meta[SMALL_SEGMENT_SIZE / SMALL_PAGE_SIZE];
+} SmallSegment;
+```
+
+- ptr→page_meta の計算:
+```c
+static inline SmallPageMeta* small_page_meta_of(void* p) {
+    uintptr_t addr = (uintptr_t)p;
+    uintptr_t seg_base = addr & ~(SMALL_SEGMENT_SIZE - 1);
+    SmallSegment* seg = (SmallSegment*)seg_base;
+    // magic で small segment か確認（Fail-Fast）
+    size_t page_idx = (addr - seg_base) >> SMALL_PAGE_SHIFT; // 64KiB page
+    if (page_idx >= seg->num_pages) return NULL;
+    return &seg->page_meta[page_idx];
+}
+```
+
+- これにより mid/small-object 帯でも `hak_super_lookup` / `mid_desc_lookup` / `classify_ptr` / `ss_map_lookup` を HotPath から排除し、ptr→page→class を O(1) にできる。
+
+### ULTRA をどこまで広げるか
+- ULTRA パターン（専用 Segment + TLS freelist + mask free）は C7 では成功済み。
+- mid/smallmid では:
+  - C7（class7）: 現状通り C7 ULTRA lane を利用。
+  - 非常にホットな mid クラス（例: C6/C5）が現れた場合のみ、ULTRA lane を追加する候補。
+  - それ以外の small-object 帯は SmallHeapCtx v4（multi-class heap）に載せ、ULTRA は「1〜2 クラス専用 lane」として限定的に使う。
+- これにより:
+  - RSS/fragmentation の増加を抑えつつ、
+  - 「C7 ULTRA の勝ちパターン」を mid にも段階的に持ち込む余地を残せる。
+
+### フェーズ案（mid/small-object v4 導入）
+1. Phase v4-mid-0:
+   - `SmallHeapCtx` / `SmallClassHeap` / `SmallPageMeta` / `SmallSegment` の struct と `SmallColdIface_v4` の関数シグネチャだけを追加（挙動は stub）。
+   - `HAKMEM_SMALL_HEAP_V4_ENABLED=0` 時は一切 v4 コードを通らない。
+2. Phase v4-mid-1:
+   - C6-only で `route_kind=SMALL_V4_STUB` にして、`small_alloc_fast` / `small_free_fast` は即 v1/pool にフォールバックしつつ、`small_page_meta_of()` の O(1) 判定だけ実装。
+   - ptr→segment→page_meta の Fail-Fast を安定させる。
+3. Phase v4-mid-2:
+   - C6-only で SmallHeap v4 を本実装（page freelist / current/partial / refill/retire）し、C6-heavy ベンチで v1/pool と A/B。
+4. Phase v4-mid-3:
+   - Mixed 16〜1024B のうち一部クラス（例: C6, 次に C5）を SMALL_V4 route に昇格。
+   - Stats/Learning で hot クラスを観察しつつ、徐々に small-object 帯を v4 に寄せていく。
+
+### Learning/Stats 境界の注意
+- Stats は page/segment 単位で集計し、HotPath では `page->used++/--` 以外を触らない（retire/refill 時に Cold 側で aggregate）。
+- Learning は StatsBox から `SmallPolicySnapshot` を生成し：
+  - route_kind[class]
+  - block_size[class]
+  - max_partial_pages[class]
+  を更新するだけ。HotBox_v4 側は snapshot を読むだけに留める。