Phase 13 v1 + E5-2 retest: Both NEUTRAL, freeze as research boxes
Phase 13 v1: Header Write Elimination (C7 preserve header)
- Verdict: NEUTRAL (+0.78%)
- Implementation: HAKMEM_TINY_C7_PRESERVE_HEADER ENV gate (default OFF)
- Makes C7 nextptr offset conditional (0→1 when enabled)
- 4-point matrix A/B test results:
* Case A (baseline): 51.49M ops/s
* Case B (WRITE_ONCE=1): 52.07M ops/s (+1.13%)
* Case C (C7_PRESERVE=1): 51.36M ops/s (-0.26%)
* Case D (both): 51.89M ops/s (+0.78% NEUTRAL)
- Action: Freeze as research box (default OFF, manual opt-in)
Phase 5 E5-2: Header Write-Once retest (promotion test)
- Verdict: NEUTRAL (+0.54%)
- Motivation: Phase 13 Case B showed +1.13%, re-tested with dedicated 20-run
- Results (20-run):
* Case A (baseline): 51.10M ops/s
* Case B (WRITE_ONCE=1): 51.37M ops/s (+0.54%)
- Previous test: +0.45% (consistent with NEUTRAL)
- Action: Keep as research box (default OFF, manual opt-in)
Key findings:
- Header write tax optimization shows consistent NEUTRAL results
- Neither Phase 13 v1 nor E5-2 reaches GO threshold (+1.0%)
- Both implemented as reversible ENV gates for future research
Files changed:
- New: core/box/tiny_c7_preserve_header_env_box.{c,h}
- Modified: core/box/tiny_layout_box.h (C7 offset conditional)
- Modified: core/tiny_nextptr.h, core/box/tiny_header_box.h (comments)
- Modified: core/bench_profile.h (refresh sync)
- Modified: Makefile (add new .o files)
- Modified: scripts/run_mixed_10_cleanenv.sh (add C7_PRESERVE ENV)
- Docs: PHASE13_*, PHASE5_E5_2_HEADER_WRITE_ONCE_* (design/results)
Next: Phase 14 (Pointer-chase reduction, tcache-style intrusive LIFO)
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Moe Charm (CI)
146
docs/analysis/PHASE13_HEADER_WRITE_ELIMINATION_1_DESIGN.md
Normal file
146
docs/analysis/PHASE13_HEADER_WRITE_ELIMINATION_1_DESIGN.md
Normal file
@ -0,0 +1,146 @@
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# Phase 13: Header Write Elimination v1（C7 Header-Preserving Freelist）
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**Date**: 2025-12-14
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**Status**: DESIGN（Phase 13 kickoff）→ ⚪ **NEUTRAL (+0.78%)**（research box freeze, default OFF）
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## 0. Executive Summary（1枚）
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Phase 12 の比較で **system malloc (glibc) が hakmem より +63.7% 速い**ことが判明し、次の大きい構造差として **“steady-state のヘッダ書き込み（write tax）”** が最優先仮説になった。
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ただし hakmem は free の hot path で `HEADER_MAGIC` を前提に **ヘッダを読む**ため、ヘッダを “無くす/壊す” と安全性が崩れる。
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そこで Phase 13 v1 は「ヘッダ自体は維持」しつつ、**C7 の freelist でヘッダを上書きしない**設計に寄せて、既存の **E5-2 (Header write-once)** を **C7 にも適用可能にする**。
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狙い:
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- C1-C6 は既に write-once で “alloc 時ヘッダ書き込み” をスキップ可能
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- **C7 は現状 “free の next がヘッダを潰す” ため、alloc で毎回ヘッダ再書き込みが必要**
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- C7 の next を **base+1（user 先頭）**へ移すとヘッダが保持され、write-once で alloc 側の再書き込みを削れる
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## 1. 現状（なぜ C7 だけ毎回書いているのか）
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### 1.1 重要な前提（現行の正）
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- Free hot path（例: `core/front/malloc_tiny_fast.h` の `free_tiny_fast()`）は、
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- `ptr-1` の `HEADER_MAGIC` を検証し
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- class_idx を header から抽出している
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→ **ヘッダの正しさは safety と fast path の前提**
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### 1.2 E5-2 (Header write-once) の適用範囲
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- `core/box/tiny_header_box.h` の `tiny_header_finalize_alloc()` が、
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- `HAKMEM_TINY_HEADER_WRITE_ONCE=1` かつ
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- `tiny_class_preserves_header(class_idx)=true`（C1-C6）
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のとき、alloc 時の `tiny_region_id_write_header()` をスキップする。
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### 1.3 C7 が write-once にならない理由（根本）
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- `core/box/tiny_layout_box.h` の `tiny_nextptr_offset()` が
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- C7 は `next_off=0`（= `base+0` に next を書く）
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→ free 時に **ヘッダ領域を next pointer で上書き**する
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→ alloc で必ず `tiny_region_id_write_header()` を実行し直す必要がある
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（C0 も同じだが、C0 は stride 8B のため `base+1` に 8B next を置けない制約がある）
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## 2. 提案（Phase 13 v1）
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### 2.1 変更のコア
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**C7 の next pointer を `base+1`（user 先頭）に移す**:
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- Before（現行）:
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- C7: `next_off=0` → `*(void**)base = next`（ヘッダ破壊）
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- After（Phase 13 v1）:
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- C7: `next_off=1` → `memcpy(base+1, &next, 8)`（ヘッダ保持）
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これにより C7 が “header-preserving class” になり、E5-2 の write-once が C7 にも効く。
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### 2.2 Box Theory（箱割り）
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```
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L0: tiny_c7_preserve_header_env_box (ENV gate, A/B, refresh)
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↓
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L1: tiny_layout_box (tiny_nextptr_offset の SSOT)
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↓
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L2: tiny_nextptr (next load/store は SSOT を参照)
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↓
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L3: tiny_header_box (class_preserves_header → write-once 適用)
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```
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境界は 1 箇所:
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- 「C7 の next オフセット決定」= `tiny_nextptr_offset()` に集約（他で分岐しない）
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### 2.3 戻せる（A/B）
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- ENV: `HAKMEM_TINY_C7_PRESERVE_HEADER=0/1`（default: 0）
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- まずは research box として導入し、GO なら preset 昇格
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## 3. Safety / Invariants（Fail-Fast）
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### 3.1 不変条件
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- `tiny_next_store/load` は **常に** `tiny_nextptr_offset()` を参照（直書き禁止）
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- `tiny_class_preserves_header(class_idx)` は offset!=0 で決まる（ハードコード禁止）
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- C7 preserve ON のとき:
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- free 後も `*(uint8_t*)base == HEADER_MAGIC|cls` が保持される（ヘッダ破壊が起きない）
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### 3.2 Fail-Fast（debug 限定）
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- デバッグのみ、C7 preserve ON のときに:
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- `tiny_header_validate(base, 7, ...)` の mismatch をワンショットで出す
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- release では常時ログ無し、必要なら stats カウンタのみ
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## 4. A/B 計測計画（同一バイナリ）
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この変更は “freelist next の配置” を変えるため、本来は layout 差になるが、Phase 13 v1 は **ENV で切替**できるようにして同一バイナリ A/B を維持する（Phase 5-7 の教訓）。
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### 4.1 4点マトリクス（必須）
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| Case | HAKMEM_TINY_C7_PRESERVE_HEADER | HAKMEM_TINY_HEADER_WRITE_ONCE | 意味 |
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|------|--------------------------------|-------------------------------|------|
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| A | 0 | 0 | 現行 baseline |
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| B | 0 | 1 | E5-2 のみ（C1-C6） |
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| C | 1 | 0 | C7 next を user に移す（ヘッダは毎回書く） |
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| D | 1 | 1 | Phase 13 v1 本命（C1-C7 を write-once） |
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### 4.2 GO/NO-GO（Mixed 10-run）
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- GO: mean **+1.0% 以上**
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- NO-GO: mean **-1.0% 以下**
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- NEUTRAL: ±1.0% → freeze（research box）
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## 5. リスクと対策
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### リスク 1: C7 next が unaligned になり memcpy 経由で遅くなる
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- 対策: Case C（write-once 無し）を必ず測り、layout 変更単体のコストを分離する
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- もし C が大きく負ける場合:
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- “C7 next offset=8（aligned）” の派生案を検討（Phase 13 v1b）
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### リスク 2: class_idx ハードコードが残っていて壊れる
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- 対策: `rg "== 7|!= 7|C7 uses offset 0"` を掃除し、SSOT（`tiny_layout_box`）参照に寄せる
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### リスク 3: ENV refresh が bench_profile putenv に追従しない
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- 対策: Phase 8 と同様に `*_env_refresh_from_env()` を用意し、`bench_profile.h` から呼ぶ
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## 6. 次（Phase 13 以降の視界）
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Phase 13 v1 は「ヘッダを “消す”」ではなく「**steady-state のヘッダ再書き込みを減らす**」に寄せる。
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もし system malloc との差がまだ大きい場合、次の大テーマは:
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- Thread cache（tcache 相当の構造）を TinyUnifiedCache に移植する（Phase 14 候補）
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