Phase 4: E1 docs + E2 next instructions

CURRENT_TASK.md

@@ -1,6 +1,36 @@
 # 本線タスク（現在）
 
-## 更新メモ（2025-12-14 Phase 4 E1 Next - ENV Snapshot Consolidation）
+## 更新メモ（2025-12-14 Phase 4 E1 Complete - ENV Snapshot Consolidation）
+
+### Phase 4 E1: ENV Snapshot Consolidation ✅ COMPLETE (2025-12-14)
+
+**Target**: Consolidate 3 ENV gate TLS reads → 1 TLS read
+- `tiny_c7_ultra_enabled_env()`: 1.28% self
+- `tiny_front_v3_enabled()`: 1.01% self
+- `tiny_metadata_cache_enabled()`: 0.97% self
+- **Total ENV overhead: 3.26% self** (from perf profile)
+
+**Implementation**:
+- Created `core/box/hakmem_env_snapshot_box.{h,c}` (new ENV snapshot box)
+- Migrated 8 call sites across 3 hot path files to use snapshot
+- ENV gate: `HAKMEM_ENV_SNAPSHOT=0/1` (default: 0, research box)
+- Pattern: Similar to `tiny_front_v3_snapshot` (proven approach)
+
+**A/B Test Results** (Mixed, 10-run, 20M iters):
+- Baseline (E1=0): **43.62M ops/s** (avg), 43.56M ops/s (median)
+- Optimized (E1=1): **45.33M ops/s** (avg), 45.31M ops/s (median)
+- **Improvement: +3.92% avg, +4.01% median**
+
+**Decision: GO** (+3.92% >= +2.5% threshold)
+- Exceeded conservative expectation (+1-3%) → Achieved +3.92%
+- Action: Keep as research box for now (default OFF)
+- Commit: `88717a873`
+
+**Key Insight**: Shifting from shape optimizations (plateaued) to TLS/memory overhead yields strong returns. ENV snapshot consolidation represents new optimization frontier beyond branch prediction tuning.
+
+### Next: Phase 4 E2 - Alloc Per-Class Fast Path
+- 指示書（SSOT）: `docs/analysis/PHASE4_E2_ALLOC_PER_CLASS_FASTPATH_NEXT_INSTRUCTIONS.md`
+- 設計メモ: `docs/analysis/PHASE4_E2_ALLOC_PER_CLASS_FASTPATH_1_DESIGN.md`
 
 ### Phase 4 Perf Profiling Complete ✅ (2025-12-14)
 
@@ -9,30 +39,10 @@
 - Samples: 922 samples @ 999Hz, 3.1B cycles
 - Analysis doc: `docs/analysis/PHASE4_PERF_PROFILE_ANALYSIS.md`
 
-**Key Findings**:
+**Key Findings Leading to E1**:
-1. **ENV Gate Overhead (3.26% combined)**:
+1. ENV Gate Overhead (3.26% combined) → **E1 target**
-   - `tiny_c7_ultra_enabled_env()` (1.28%)
+2. Shape Optimization Plateau (B3 +2.89%, D3 +0.56% NEUTRAL)
-   - `tiny_front_v3_enabled()` (1.01%)
+3. tiny_alloc_gate_fast (15.37% self%) → defer to E2
-   - `tiny_metadata_cache_enabled()` (0.97%)
-   - Root cause: 3 separate TLS reads + lazy init checks on every hot path call
-
-2. **Shape Optimization Plateau**:
-   - B3 (Routing Shape): +2.89% (initial win)
-   - D3 (Alloc Gate Shape): +0.56% (NEUTRAL, diminishing returns)
-   - Lesson: Branch prediction saturation → Next approach should target memory/TLS overhead
-
-3. **tiny_alloc_gate_fast (15.37% self%)**:
-   - Route determination: 15.74% (local)
-   - C7 logging: 17.04% (local, rare in Mixed)
-   - Opportunity: Per-class fast path specialization (defer to E2)
-
-**Next Target**: **Phase 4 E1 - ENV Snapshot Consolidation**
-- Expected gain: **+3.0-3.5%** (eliminate 3.26% ENV overhead)
-- Approach: Consolidate all ENV gates into single TLS snapshot struct
-- Precedent: `tiny_front_v3_snapshot` pattern (already proven)
-- Cross-cutting: Improves both alloc and free paths
-- Next instructions (SSOT): `docs/analysis/PHASE4_E1_ENV_SNAPSHOT_CONSOLIDATION_NEXT_INSTRUCTIONS.md`
-- Design memo: `docs/analysis/PHASE4_E1_ENV_SNAPSHOT_CONSOLIDATION_1_DESIGN.md`
 
 ### Phase 4 D3: Alloc Gate Shape（HAKMEM_ALLOC_GATE_SHAPE）
 - ✅ 実装完了（ENV gate + alloc gate 分岐形）

docs/analysis/ENV_PROFILE_PRESETS.md

@@ -101,6 +101,13 @@ HAKMEM_ALLOC_GATE_SHAPE=1
 ```
   - **Status**: NEUTRAL（Mixed 10-run: Mean **+0.56%** / Median **-0.5%**）→ default OFF
   - **Effect**: `tiny_alloc_gate_fast()` の分岐形を簡素化（`tiny_route_get()` と release logging branch を回避）
+- **Phase 4 E1（ENV Snapshot Consolidation）** ✅ GO (opt-in):
+```sh
+HAKMEM_ENV_SNAPSHOT=1
+```
+  - **Status**: ✅ GO（Mixed 10-run: **+3.92% avg / +4.01% median**）→ default OFF（opt-in）
+  - **Effect**: `tiny_c7_ultra_enabled_env/tiny_front_v3_enabled/tiny_metadata_cache_enabled` のホット ENV gate を snapshot 1 本に集約
+  - **Rollback**: `HAKMEM_ENV_SNAPSHOT=0`
 - v2 系は触らない（C7_SAFE では Pool v2 / Tiny v2 は常時 OFF）。
 - FREE_POLICY/THP を触る実験例（現在の HEAD では必須ではなく、組み合わせによっては微マイナスになる場合もある）:
 ```sh

docs/analysis/PHASE4_E1_ENV_SNAPSHOT_CONSOLIDATION_1_DESIGN.md

@@ -1,5 +1,15 @@
 # Phase 4 E1: ENV Snapshot Consolidation（設計メモ）
 
+## Status（2025-12-14）
+
+- ✅ 実装完了（commit: `88717a873`）
+- ✅ Mixed A/B（10-run, iter=20M, ws=400）:
+  - Baseline: **43.62M** ops/s
+  - Optimized: **45.33M** ops/s
+  - Gain: **+3.92% avg / +4.01% median**
+- 判定: **GO**（目標 +2.5% をクリア）
+- 運用: `HAKMEM_ENV_SNAPSHOT=1` は **opt-in（default OFF）** のまま保持（必要ならプリセット昇格）
+
 ## 目的
 
 ホットパスで毎回呼ばれている ENV gate（小さな関数）の呼び出し／分岐／TLS参照を **1 回の “snapshot load” に集約**し、
@@ -54,19 +64,17 @@ MIXED の「shape 最適化の頭打ち」を越える。
 ## API（案）
 
 ```c
+// core/box/hakmem_env_snapshot_box.h
 typedef struct HakmemEnvSnapshot {
-    int inited;
+    bool tiny_c7_ultra_enabled;   // ENV: HAKMEM_TINY_C7_ULTRA_ENABLED (default 1)
-    int enabled;  // ENV: HAKMEM_ENV_SNAPSHOT=0/1（default 0）
+    bool tiny_front_v3_enabled;   // ENV: HAKMEM_TINY_FRONT_V3_ENABLED (default 1)
-
+    bool tiny_metadata_cache;     // ENV: HAKMEM_TINY_METADATA_CACHE (default 0)
-    // Hot toggles (effective values)
+    bool tiny_metadata_cache_eff; // tiny_metadata_cache && !learner
-    int tiny_front_v3_enabled;     // default 1
-    int tiny_c7_ultra_enabled;     // default 1
-    int tiny_metadata_cache;       // default 0
-    int tiny_metadata_cache_eff;   // tiny_metadata_cache && !learner
 } HakmemEnvSnapshot;
 
-const HakmemEnvSnapshot* hakmem_env_snapshot_get_fast(void);
+bool hakmem_env_snapshot_enabled(void);      // ENV: HAKMEM_ENV_SNAPSHOT=0/1 (default 0)
-void hakmem_env_snapshot_refresh_from_env(void);
+const HakmemEnvSnapshot* hakmem_env_snapshot(void);
+void hakmem_env_snapshot_refresh_from_env(void); // bench_profile putenv sync
 ```
 
 設計ノート:
@@ -80,6 +88,16 @@ bench では `bench_setenv_default()` が `putenv()` を使うため、lazy init
 - `core/bench_profile.h` の最後で `hakmem_env_snapshot_refresh_from_env()` を必ず呼ぶ
 - `wrapper_env_refresh_from_env()` / `tiny_static_route_refresh_from_env()` と同じ “ENV 同期箱” 扱い
 
+## 実装（置換した call-site）
+
+- `core/front/malloc_tiny_fast.h`:
+  - `tiny_c7_ultra_enabled_env()` → snapshot（alloc/free の C7 ULTRA gate）
+  - `tiny_front_v3_enabled()` → snapshot（free 側 front_snap）
+- `core/box/tiny_legacy_fallback_box.h`:
+  - `tiny_front_v3_enabled()` / `tiny_metadata_cache_enabled()` → snapshot
+- `core/box/tiny_metadata_cache_hot_box.h`:
+  - `tiny_metadata_cache_enabled()` → snapshot（learner interlock を snapshot 側で処理）
+
 ## 移行対象（最小）
 
 まずは “毎回評価される” ところを最小パッチで狙う:
@@ -114,3 +132,7 @@ bench では `bench_setenv_default()` が `putenv()` を使うため、lazy init
 - **Learner interlock**:
   - `tiny_metadata_cache_eff` の計算で learner を必ず抑制
 
+## 次（Graduate）
+
+- 追加で 20-run を回し、問題がなければ `MIXED_TINYV3_C7_SAFE` に `HAKMEM_ENV_SNAPSHOT=1` を **プリセット昇格**する（bench default 注入）。
+- rollback は `HAKMEM_ENV_SNAPSHOT=0`（即戻せる）。

docs/analysis/PHASE4_E1_ENV_SNAPSHOT_CONSOLIDATION_NEXT_INSTRUCTIONS.md

@@ -1,5 +1,11 @@
 # Phase 4 E1: ENV Snapshot Consolidation（次の指示書）
 
+## Status（2025-12-14）
+
+- ✅ GO（commit: `88717a873`）
+- Mixed A/B（10-run, iter=20M, ws=400）: **+3.92% avg / +4.01% median**
+- 現状: opt-in（default OFF）のまま保持
+
 ## ゴール
 
 MIXED の Hot path にある ENV gate 呼び出しを “snapshot 1 回” に集約し、**+2.5% 以上**を狙う。
@@ -96,3 +102,6 @@ E1=1 で perf を取り直し、次を確認:
 NEUTRAL/NO-GO の場合:
 - default OFF のまま freeze（本線は汚さない）
 
+## Next（Phase 4 E2）
+
+- 次の指示書: `docs/analysis/PHASE4_E2_ALLOC_PER_CLASS_FASTPATH_NEXT_INSTRUCTIONS.md`

docs/analysis/PHASE4_E2_ALLOC_PER_CLASS_FASTPATH_1_DESIGN.md

@@ -0,0 +1,46 @@
+# Phase 4 E2: Alloc Per-Class Fast Path（設計メモ）
+
+## 目的
+
+E1 で ENV gate の “TLS/branch 3 本” を潰したあとの次の芯は、
+alloc 側の「class ごとの第2ホット」を勝ち箱にすること。
+
+狙い:
+- Mixed の alloc ホットで、**C0–C3（小サイズ側）**を “第2ホット” として扱い、
+  policy/route の汎用分岐を避けて **LEGACY unified cache へ直行**させる。
+
+前提:
+- FREE 側は DUALHOT で勝っている（C0–C3 が大量に出る現実がある）
+- ALLOC 側は過去に DUALHOT が NO-GO だったが、Phase 2 の SSOT/分岐再配置で “再評価できる状態” になっている
+
+## 方針（Box Theory）
+
+- L0: ENV（戻せる）
+  - `HAKMEM_TINY_ALLOC_DUALHOT=0/1` を “研究箱” から再評価対象へ
+  - `HAKMEM_ENV_SNAPSHOT=1` と併用（ENV overhead を抑えた状態で判定）
+
+- L1: Per-class Fast Path（境界 1 箇所）
+  - `malloc_tiny_fast_for_class()` の **C0–C3 ブロック**でのみ評価する（C4–C7 を汚さない）
+  - miss のときは **必ず return** で抜けて、後続の policy/route を二重実行しない（過去の失敗原因を再発させない）
+
+## 成功条件（A/B）
+
+Mixed 10-run（iter=20M, ws=400, 1T）:
+- Baseline: `HAKMEM_TINY_ALLOC_DUALHOT=0`（+ E1 は ON）
+- Opt:      `HAKMEM_TINY_ALLOC_DUALHOT=1`（+ E1 は ON）
+
+判定:
+- GO: mean **+1.0% 以上**
+- ±1%: NEUTRAL（freeze）
+- -1% 以下: NO-GO（freeze）
+
+## リスク
+
+- C0–C3 の割合が小さいワークロードでは効かない（NEUTRAL になりやすい）
+- 分岐予測/ICache の影響で回帰する可能性（NO-GO も許容）
+
+## 次（GO の場合）
+
+- `MIXED_TINYV3_C7_SAFE` プリセットへ昇格検討（default 注入）
+- 併せて perf で `malloc_tiny_fast_for_class` / `tiny_hot_alloc_fast` / `tiny_cold_refill_and_alloc` の変化を確認
+

docs/analysis/PHASE4_E2_ALLOC_PER_CLASS_FASTPATH_NEXT_INSTRUCTIONS.md

@@ -0,0 +1,52 @@
+# Phase 4 E2: Alloc Per-Class Fast Path（次の指示書）
+
+## Step 0: 前提（E1 を ON にしてから評価）
+
+E2 は “ENV overhead を消した状態” で効果を見たいので、まず E1 を有効化して測る。
+
+推奨:
+```sh
+HAKMEM_PROFILE=MIXED_TINYV3_C7_SAFE HAKMEM_ENV_SNAPSHOT=1 \
+  ./bench_random_mixed_hakmem 20000000 400 1
+```
+
+## Step 1: perf で GO 条件（self% ≥ 5%）を満たすか確認
+
+```sh
+HAKMEM_PROFILE=MIXED_TINYV3_C7_SAFE HAKMEM_ENV_SNAPSHOT=1 perf record -F 99 -- \
+  ./bench_random_mixed_hakmem 20000000 400 1
+perf report --stdio --no-children
+```
+
+メモ: `malloc_tiny_fast_for_class` / `tiny_hot_alloc_fast` / `tiny_cold_refill_and_alloc` が見えていれば GO。
+
+## Step 2: A/B（既存スイッチの再評価）
+
+E2 の最短は “既存の per-class スイッチ” を正しい条件で測ること。
+
+Mixed 10-run（iter=20M, ws=400, 1T）:
+```sh
+# Baseline
+HAKMEM_PROFILE=MIXED_TINYV3_C7_SAFE HAKMEM_ENV_SNAPSHOT=1 HAKMEM_TINY_ALLOC_DUALHOT=0 \
+  ./bench_random_mixed_hakmem 20000000 400 1
+
+# Optimized
+HAKMEM_PROFILE=MIXED_TINYV3_C7_SAFE HAKMEM_ENV_SNAPSHOT=1 HAKMEM_TINY_ALLOC_DUALHOT=1 \
+  ./bench_random_mixed_hakmem 20000000 400 1
+```
+
+判定（10-run mean）:
+- GO: **+1.0% 以上**
+- ±1%: NEUTRAL（freeze）
+- -1% 以下: NO-GO（freeze）
+
+## Step 3: GO の場合の昇格
+
+- `core/bench_profile.h` の `MIXED_TINYV3_C7_SAFE` に `bench_setenv_default("HAKMEM_TINY_ALLOC_DUALHOT","1");` を入れるか検討
+- `docs/analysis/ENV_PROFILE_PRESETS.md` に結果と rollback を追記
+- `CURRENT_TASK.md` を更新
+
+## Step 4: NO-GO/NEUTRAL の場合
+
+- E2 は freeze（default OFF）
+- 次の候補へ（例: `tiny_region_id_write_header` の hot/cold 化、`tiny_get_max_size` の snapshot 化）

hakmem.d

@@ -143,6 +143,7 @@ hakmem.o: core/hakmem.c core/hakmem.h core/hakmem_build_flags.h \
  core/box/../front/../box/free_path_stats_box.h \
  core/box/../front/../box/tiny_front_hot_box.h \
  core/box/../front/../box/tiny_metadata_cache_env_box.h \
+ core/box/../front/../box/hakmem_env_snapshot_box.h \
  core/box/../front/../box/tiny_ptr_convert_box.h \
  core/box/../front/../box/tiny_front_stats_box.h \
  core/box/../front/../box/free_path_stats_box.h \
@@ -152,6 +153,7 @@ hakmem.o: core/hakmem.c core/hakmem.h core/hakmem_build_flags.h \
  core/box/../front/../box/free_tiny_fast_hotcold_stats_box.h \
  core/box/../front/../box/tiny_metadata_cache_hot_box.h \
  core/box/../front/../box/tiny_free_route_cache_env_box.h \
+ core/box/../front/../box/hakmem_env_snapshot_box.h \
  core/box/tiny_alloc_gate_box.h core/box/tiny_route_box.h \
  core/box/tiny_alloc_gate_shape_env_box.h \
  core/box/tiny_front_config_box.h core/box/wrapper_env_box.h \
@@ -377,6 +379,7 @@ core/box/../front/../box/tiny_front_v3_env_box.h:
 core/box/../front/../box/free_path_stats_box.h:
 core/box/../front/../box/tiny_front_hot_box.h:
 core/box/../front/../box/tiny_metadata_cache_env_box.h:
+core/box/../front/../box/hakmem_env_snapshot_box.h:
 core/box/../front/../box/tiny_ptr_convert_box.h:
 core/box/../front/../box/tiny_front_stats_box.h:
 core/box/../front/../box/free_path_stats_box.h:
@@ -386,6 +389,7 @@ core/box/../front/../box/free_tiny_fast_hotcold_env_box.h:
 core/box/../front/../box/free_tiny_fast_hotcold_stats_box.h:
 core/box/../front/../box/tiny_metadata_cache_hot_box.h:
 core/box/../front/../box/tiny_free_route_cache_env_box.h:
+core/box/../front/../box/hakmem_env_snapshot_box.h:
 core/box/tiny_alloc_gate_box.h:
 core/box/tiny_route_box.h:
 core/box/tiny_alloc_gate_shape_env_box.h: