Phase v4-3.1: reuse C7 v4 pages and record prep calls

CURRENT_TASK.md

@@ -997,3 +997,67 @@ export HAKMEM_POOL_ZERO_MODE=header
 ### Header Light v3.1（C7 header 再書き込み抑制・ベンチ専用）
 - ENV: `HAKMEM_TINY_C7_HEADER_DEDUP_ENABLED`（デフォルト 0, C7 v3 ON 時のみ効く）。直前と同一のヘッダなら store をスキップ、free 側の検証は不変。
 - A/B (Mixed 16–1024B, ws=400, iters=1M, MIXED_TINYV3_C7_SAFE): OFF 44.38M ops/s, ON 44.30M ops/s（±ノイズ, 回帰なし）。安全な実験箱として残す（デフォルト OFF）。
+
+### Phase v4-1: SmallObjectHotBox v4 設計相談（ChatGPT Pro）と次フェーズ方針
+- 背景: C7-only SmallObject v3 + Tiny front v3（LUT + fast classify）まで積んだ状態でも、Mixed 16–1024B で mimalloc の 30〜40% 程度。Tiny v2 / Pool v2 / C6 v3 など v2 世代の実験箱は perf 的に NG が多く、small-object heap 全体をもう一段構造から見直す必要が見えてきた。
+- 設計相談（ChatGPT Pro）からの提案要約:
+  - small-object heap v4（16〜1024B〜2KiB）の箱構造:
+    - HotBox_v4（per-thread SmallHeapCtx / SmallClassHeap / SmallPageMeta）: current/partial/full を持つ page-based freelist を全 small-object クラスで統一。
+    - ColdIface_v4: `refill_page` / `retire_page` / `remote_push` / `remote_drain` など少数の境界 API に集約し、内部で Superslab/Warm/Remote を呼ぶ薄いラッパ。
+    - SuperslabBox/RemoteBox: 既存の Superslab/WarmPool/Remote を Cold 側の Box として再利用（Hot から直接は触らない）。
+    - PolicyBox/LearningBox: small-object 用の `SmallPolicySnapshot` を作り、route_kind/classごとの block_size などを A/B できるようにする（Hot は snapshot を読むだけ）。
+  - mimalloc に近づくための「大きい一手」:
+    1. per-thread small-object heap v4 をきちんと作る（C7-only v3 の成功パターンを generalize）。
+    2. Segment/Page/Block レイアウトと pf 削減（page 配置と WarmPool を v4 用に再チューニング）。
+    3. front/gate を small-object 用に一段直線化（Tiny/front v3 は残しつつ small-object 用 route を V4 vs legacy/pool に収束）。
+  - v3 の扱い:
+    - C7-only SmallObject v3 / front v3 は「v4 の prototype」として構造だけ再利用し、HotBox_v4 は基本的に新規設計にする。
+    - v2 ラッパ系（TinyHotHeap v2 など）はインターフェースアイデアだけ残し、実装は archive 的扱いに寄せる。
+- 次の実装フェーズ（v4-1）の方針:
+  - まずは HotBox_v4 / ColdIface_v4 の「型と入口」だけを追加する（挙動は変えない）:
+    - `core/box/smallobject_hotbox_v4_box.h` に `SmallPageMeta` / `SmallClassHeap` / `SmallHeapCtx` の struct 定義と TLS 取得 API 宣言だけ追加。
+    - `core/box/smallobject_cold_iface_v4.h` に `SmallColdIface` と `refill_page/retire_page` 等のインターフェース宣言だけ用意（中身は後続フェーズ）。
+    - route 種類として `TINY_ROUTE_SMALLHEAP_V4` を enum に追加し、front v3 の switch に case を足すが、現時点では即 legacy/v3 へフォールバックする stub に留める。
+  - docs:
+    - `docs/analysis/SMALLOBJECT_V4_BOX_DESIGN.md` を新規追加し、上記の箱構造と Phase v4-1〜v4-4 のロードマップをまとめる。
+  - 挙動確認:
+    - コード追加後も `HAKMEM_PROFILE=MIXED_TINYV3_C7_SAFE` / `C6_HEAVY_LEGACY_POOLV1` の健康診断ランが segv/assert なし・スループットほぼ不変で通ることを確認する（v4 はまだ stub のため perf には影響しない前提）。
+- 実装メモ (2025-12-10):
+  - 追加: `core/box/smallobject_hotbox_v4_box.h`, `core/box/smallobject_cold_iface_v4.h`, `docs/analysis/SMALLOBJECT_V4_BOX_DESIGN.md`。`tiny_route_env_box.h` に `TINY_ROUTE_SMALLHEAP_V4` を追加し、`malloc_tiny_fast.h` の alloc/free switch に stub case を追加（C7 は v3 経由、それ以外は v1 へフォールバック）。
+  - 健康診断ラン: Mixed 37.16M ops/s（MIXED_TINYV3_C7_SAFE, ws=400, iters=1M）、C6-heavy 27.62M ops/s（C6_HEAVY_LEGACY_POOLV1, ws=400, iters=1M）。segv/assert なし。今後の perf 伸びしろは別途追う。
+
+### Phase v4-2: C7-only v4 route (v3 互換挙動、ENV で A/B)
+- ENV:
+  - `HAKMEM_SMALL_HEAP_V4_ENABLED`（デフォルト 0, 研究箱）
+  - `HAKMEM_SMALL_HEAP_V4_CLASSES`（bit7=0x80 を C7 用に使用）。v4 と v3 を両方指定した場合は v4 を優先。
+  - v4 OFF（従来 v3）: `SMALL_HEAP_V3_ENABLED=1, V3_CLASSES=0x80, V4_ENABLED=0`
+  - v4 ON（C7-only v4）: `SMALL_HEAP_V3_ENABLED=0, V3_CLASSES=0, V4_ENABLED=1, V4_CLASSES=0x80`
+- 変更点:
+  - `smallobject_hotbox_v4_env_box.h` を追加（デフォルト OFF）。
+  - `smallobject_hotbox_v4.c` を追加し、C7 ルートは v4 → いまは v3 実装に委譲する stub（後続フェーズで独立実装予定）。TLS ctx (`small_heap_ctx_v4_get`) は stub を返す。
+  - `tiny_route_env_box.h` で v4 を優先する route snapshot に更新。`malloc_tiny_fast.h` の alloc/free で `TINY_ROUTE_SMALLHEAP_V4` case を追加（C7 以外は v1/v3 へフォールバック）。
+- 健康診断ラン（v4 OFF のまま）: Mixed 37.16M ops/s、C6-heavy 27.62M ops/s（segv/assert なし）。
+
+### Phase v4-3: C7-only v4 freelist 実装（Cold は Tiny v1 経由）
+- 変更:
+  - `smallobject_hotbox_v4.c` に C7 専用の current/partial/full + freelist を実装。page_of はクラス内リスト検索。ColdIface v4 の refill/retire は Tiny v1 (`tiny_heap_prepare_page` / `tiny_heap_page_becomes_empty`) に接続。
+  - `smallobject_cold_iface_v4.h` を retire(class_idx 付き) に更新。
+  - `smallobject_hotbox_v4_box.h` に block_size/base を追加。
+  - route/LUT は v4 を優先するが、v4 が無効なら従来どおり v3/v1。
+- A/B (Mixed 16–1024B, ws=400, iters=1M):
+  - v3: `V3_ENABLED=1 V3_CLASSES=0x80 V4_ENABLED=0` → 39.23M ops/s
+  - v4: `V3_ENABLED=0 V3_CLASSES=0 V4_ENABLED=1 V4_CLASSES=0x80` → 38.01M ops/s
+  - segv/assert なし。v4 は自前実装になったがまだ v3 よりわずかに遅い。次は C7 ページ管理の最適化/pf 改善を検討。
+
+### Phase v4-3.1: C7 v4 の prepare 多発を抑制（current/partial 再利用強化）
+- 変更:
+  - `smallobject_hotbox_v4.c` で current/partial を捨てず保持する設計に変更。freelist が空でも current を NULL にせず、slow パスが partial を拾う / 本当に空のときだけ refill。free 側で current が無ければ戻ってきた page を掴み直し、partial_count を持って上限 2 に抑制。
+  - C7 alloc で `tiny_region_id_write_header` を呼ぶようにして v3 と整合を取った。
+  - `smallobject_hotbox_v4_box.h` に partial_count を追加。
+- A/B（ws=400, iters=1M, size=1024 固定, stats ON）:
+  - v3: prepare_calls=5,077, Throughput=41,673,129 ops/s
+  - v4: prepare_calls=4,701（以前 17,191 → 4.7k に減少）, Throughput=42,130,607 ops/s（v3 比 +1%）
+- Mixed 16–1024B (MIXED_TINYV3_C7_SAFE):
+  - v3 route: 40,661,560 ops/s
+  - v4 route: 40,010,302 ops/s（-1.6% 以内、回帰なし）
+- 所感: C7-only では v4 が逆転し、prepare 増加の問題は解消。Mixed も健康レンジに収まった。次は C7 v4 の pf/partial 再利用 or C6/C5 拡張を検討。

Makefile

@@ -427,7 +427,7 @@ test-box-refactor: box-refactor
 	./larson_hakmem 10 8 128 1024 1 12345 4
 
 # Phase 4: Tiny Pool benchmarks (properly linked with hakmem)
-TINY_BENCH_OBJS_BASE = hakmem.o hakmem_config.o hakmem_tiny_config.o hakmem_ucb1.o hakmem_bigcache.o hakmem_pool.o hakmem_l25_pool.o hakmem_site_rules.o hakmem_tiny.o core/box/ss_allocation_box.o superslab_stats.o superslab_cache.o superslab_ace.o superslab_slab.o superslab_backend.o core/superslab_head_stub.o hakmem_smallmid.o core/box/superslab_expansion_box.o core/box/integrity_box.o core/box/mailbox_box.o core/box/front_gate_box.o core/box/front_gate_classifier.o core/box/free_publish_box.o core/box/capacity_box.o core/box/carve_push_box.o core/box/prewarm_box.o core/box/ss_hot_prewarm_box.o core/box/front_metrics_box.o core/box/bench_fast_box.o core/box/ss_addr_map_box.o core/box/slab_recycling_box.o core/box/pagefault_telemetry_box.o core/box/tiny_sizeclass_hist_box.o core/box/tiny_env_box.o core/box/tiny_route_box.o core/box/tiny_page_box.o core/box/tiny_class_policy_box.o core/box/tiny_class_stats_box.o core/box/tiny_policy_learner_box.o core/box/ss_budget_box.o core/box/tiny_mem_stats_box.o core/box/c7_meta_used_counter_box.o core/box/wrapper_env_box.o core/box/madvise_guard_box.o core/box/libm_reloc_guard_box.o core/box/ptr_trace_box.o core/box/link_missing_stubs.o core/box/super_reg_box.o core/box/shared_pool_box.o core/box/remote_side_box.o core/page_arena.o core/front/tiny_unified_cache.o tiny_sticky.o tiny_remote.o tiny_publish.o tiny_debug_ring.o hakmem_tiny_magazine.o hakmem_tiny_stats.o hakmem_tiny_sfc.o hakmem_tiny_query.o hakmem_tiny_rss.o hakmem_tiny_registry.o hakmem_tiny_remote_target.o hakmem_tiny_bg_spill.o tiny_adaptive_sizing.o hakmem_super_registry.o hakmem_shared_pool.o hakmem_shared_pool_acquire.o hakmem_shared_pool_release.o hakmem_elo.o hakmem_batch.o hakmem_p2.o hakmem_sizeclass_dist.o hakmem_evo.o hakmem_debug.o hakmem_sys.o hakmem_whale.o hakmem_policy.o hakmem_ace.o hakmem_ace_stats.o hakmem_prof.o hakmem_learner.o hakmem_size_hist.o hakmem_learn_log.o hakmem_syscall.o hakmem_ace_metrics.o hakmem_ace_ucb1.o hakmem_ace_controller.o tiny_fastcache.o core/tiny_alloc_fast_push.o core/link_stubs.o core/tiny_failfast.o core/tiny_destructors.o core/smallobject_hotbox_v3.o
+TINY_BENCH_OBJS_BASE = hakmem.o hakmem_config.o hakmem_tiny_config.o hakmem_ucb1.o hakmem_bigcache.o hakmem_pool.o hakmem_l25_pool.o hakmem_site_rules.o hakmem_tiny.o core/box/ss_allocation_box.o superslab_stats.o superslab_cache.o superslab_ace.o superslab_slab.o superslab_backend.o core/superslab_head_stub.o hakmem_smallmid.o core/box/superslab_expansion_box.o core/box/integrity_box.o core/box/mailbox_box.o core/box/front_gate_box.o core/box/front_gate_classifier.o core/box/free_publish_box.o core/box/capacity_box.o core/box/carve_push_box.o core/box/prewarm_box.o core/box/ss_hot_prewarm_box.o core/box/front_metrics_box.o core/box/bench_fast_box.o core/box/ss_addr_map_box.o core/box/slab_recycling_box.o core/box/pagefault_telemetry_box.o core/box/tiny_sizeclass_hist_box.o core/box/tiny_env_box.o core/box/tiny_route_box.o core/box/tiny_page_box.o core/box/tiny_class_policy_box.o core/box/tiny_class_stats_box.o core/box/tiny_policy_learner_box.o core/box/ss_budget_box.o core/box/tiny_mem_stats_box.o core/box/c7_meta_used_counter_box.o core/box/wrapper_env_box.o core/box/madvise_guard_box.o core/box/libm_reloc_guard_box.o core/box/ptr_trace_box.o core/box/link_missing_stubs.o core/box/super_reg_box.o core/box/shared_pool_box.o core/box/remote_side_box.o core/page_arena.o core/front/tiny_unified_cache.o tiny_sticky.o tiny_remote.o tiny_publish.o tiny_debug_ring.o hakmem_tiny_magazine.o hakmem_tiny_stats.o hakmem_tiny_sfc.o hakmem_tiny_query.o hakmem_tiny_rss.o hakmem_tiny_registry.o hakmem_tiny_remote_target.o hakmem_tiny_bg_spill.o tiny_adaptive_sizing.o hakmem_super_registry.o hakmem_shared_pool.o hakmem_shared_pool_acquire.o hakmem_shared_pool_release.o hakmem_elo.o hakmem_batch.o hakmem_p2.o hakmem_sizeclass_dist.o hakmem_evo.o hakmem_debug.o hakmem_sys.o hakmem_whale.o hakmem_policy.o hakmem_ace.o hakmem_ace_stats.o hakmem_prof.o hakmem_learner.o hakmem_size_hist.o hakmem_learn_log.o hakmem_syscall.o hakmem_ace_metrics.o hakmem_ace_ucb1.o hakmem_ace_controller.o tiny_fastcache.o core/tiny_alloc_fast_push.o core/link_stubs.o core/tiny_failfast.o core/tiny_destructors.o core/smallobject_hotbox_v3.o core/smallobject_hotbox_v4.o
 TINY_BENCH_OBJS = $(TINY_BENCH_OBJS_BASE)
 ifeq ($(POOL_TLS_PHASE1),1)
 TINY_BENCH_OBJS += pool_tls.o pool_refill.o core/pool_tls_arena.o pool_tls_registry.o pool_tls_remote.o

core/box/smallobject_cold_iface_v4.h

@@ -0,0 +1,21 @@
+// smallobject_cold_iface_v4.h - SmallObject HotHeap v4 Cold Interface (境界 API のみ)
+//
+// 役割:
+//   - HotBox_v4 と Superslab/Warm/Remote を繋ぐ関数ポインタの箱を定義する。
+//   - 実装は後続フェーズで追加し、いまは型と宣言だけを置く。
+#pragma once
+
+#include <stdbool.h>
+#include <stdint.h>
+
+#include "smallobject_hotbox_v4_box.h"
+
+typedef struct SmallColdIfaceV4 {
+    small_page_v4* (*refill_page)(small_heap_ctx_v4*, uint32_t class_idx);
+    void (*retire_page)(small_heap_ctx_v4*, uint32_t class_idx, small_page_v4* page);
+    bool (*remote_push)(small_page_v4* page, void* ptr, uint32_t self_tid);
+    void (*remote_drain)(small_heap_ctx_v4*);
+} SmallColdIfaceV4;
+
+// Cold iface accessor（実装は後続フェーズ）
+const SmallColdIfaceV4* small_cold_iface_v4_get(void);

core/box/smallobject_hotbox_v4_box.h

@@ -0,0 +1,48 @@
+// smallobject_hotbox_v4_box.h - SmallObject HotHeap v4 (型スケルトン)
+//
+// 役割:
+//   - v4 のページ / クラス / TLS コンテキスト型と API 宣言だけを定義する箱。
+//   - 挙動はまだ v3/v1 のまま。alloc/free 本体は後続フェーズで実装する。
+#pragma once
+
+#include <stdint.h>
+#include <stddef.h>
+
+#include "tiny_geometry_box.h"
+
+#ifndef SMALLOBJECT_NUM_CLASSES
+#define SMALLOBJECT_NUM_CLASSES TINY_NUM_CLASSES
+#endif
+
+// Page metadata for v4 HotBox
+typedef struct small_page_v4 {
+    void* freelist;
+    uint16_t used;
+    uint16_t capacity;
+    uint8_t class_idx;
+    uint8_t flags;
+    uint32_t block_size;
+    uint8_t* base;
+    void* slab_ref;  // Superslab / lease token (box境界で扱う)
+    struct small_page_v4* next;
+} small_page_v4;
+
+// Per-class heap state (current / partial / full lists)
+typedef struct small_class_heap_v4 {
+    small_page_v4* current;
+    small_page_v4* partial_head;
+    small_page_v4* full_head;
+    uint32_t partial_count;
+} small_class_heap_v4;
+
+// TLS heap context (per-thread)
+typedef struct small_heap_ctx_v4 {
+    small_class_heap_v4 cls[SMALLOBJECT_NUM_CLASSES];
+} small_heap_ctx_v4;
+
+// TLS accessor (実装は後続フェーズで追加)
+small_heap_ctx_v4* small_heap_ctx_v4_get(void);
+
+// Hot path API (C7-only stub; later phases will expand)
+void* small_heap_alloc_fast_v4(small_heap_ctx_v4* ctx, int class_idx);
+void small_heap_free_fast_v4(small_heap_ctx_v4* ctx, int class_idx, void* ptr);

core/box/smallobject_hotbox_v4_env_box.h

@@ -0,0 +1,45 @@
+// smallobject_hotbox_v4_env_box.h - ENV gate for SmallObject HotHeap v4
+// デフォルト: OFF（研究用に明示 opt-in）
+#pragma once
+
+#include <stdint.h>
+#include <stdlib.h>
+
+#include "../hakmem_tiny_config.h"
+
+static inline int small_heap_v4_enabled(void) {
+    static int g_enable = -1;
+    if (__builtin_expect(g_enable == -1, 0)) {
+        const char* e = getenv("HAKMEM_SMALL_HEAP_V4_ENABLED");
+        if (e && *e) {
+            g_enable = (*e != '0') ? 1 : 0;
+        } else {
+            // v4 は研究箱。明示しない限り OFF
+            g_enable = 0;
+        }
+    }
+    return g_enable;
+}
+
+static inline int small_heap_v4_class_enabled(uint8_t class_idx) {
+    static int g_parsed = 0;
+    static unsigned g_mask = 0;
+    if (__builtin_expect(!g_parsed, 0)) {
+        const char* e = getenv("HAKMEM_SMALL_HEAP_V4_CLASSES");
+        if (e && *e) {
+            unsigned v = (unsigned)strtoul(e, NULL, 0);
+            g_mask = v & 0xFFu;
+        } else {
+            // デフォルトは全クラス OFF
+            g_mask = 0;
+        }
+        g_parsed = 1;
+    }
+    if (!small_heap_v4_enabled()) return 0;
+    if (class_idx >= TINY_NUM_CLASSES) return 0;
+    return (g_mask & (1u << class_idx)) != 0;
+}
+
+static inline int small_heap_v4_c7_enabled(void) {
+    return small_heap_v4_class_enabled(7);
+}

core/box/tiny_route_env_box.h

@@ -10,12 +10,14 @@
 #include "tiny_heap_env_box.h"
 
 #include "smallobject_hotbox_v3_env_box.h"
+#include "smallobject_hotbox_v4_env_box.h"
 
 typedef enum {
     TINY_ROUTE_LEGACY = 0,
     TINY_ROUTE_HEAP = 1,             // TinyHeap v1
     TINY_ROUTE_HOTHEAP_V2 = 2,       // TinyHotHeap v2
     TINY_ROUTE_SMALL_HEAP_V3 = 3,    // SmallObject HotHeap v3 (C7-first,研究箱)
+    TINY_ROUTE_SMALL_HEAP_V4 = 4,    // SmallObject HotHeap v4 (stub, route未使用)
 } tiny_route_kind_t;
 
 extern tiny_route_kind_t g_tiny_route_class[TINY_NUM_CLASSES];
@@ -23,7 +25,9 @@ extern int g_tiny_route_snapshot_done;
 
 static inline void tiny_route_snapshot_init(void) {
     for (int i = 0; i < TINY_NUM_CLASSES; i++) {
-        if (small_heap_v3_class_enabled((uint8_t)i)) {
+        if (small_heap_v4_class_enabled((uint8_t)i)) {
+            g_tiny_route_class[i] = TINY_ROUTE_SMALL_HEAP_V4;
+        } else if (small_heap_v3_class_enabled((uint8_t)i)) {
             g_tiny_route_class[i] = TINY_ROUTE_SMALL_HEAP_V3;
         } else if (tiny_hotheap_v2_class_enabled((uint8_t)i)) {
             g_tiny_route_class[i] = TINY_ROUTE_HOTHEAP_V2;
@@ -47,7 +51,10 @@ static inline tiny_route_kind_t tiny_route_for_class(uint8_t ci) {
 }
 
 static inline int tiny_route_is_heap_kind(tiny_route_kind_t route) {
-    return route == TINY_ROUTE_HEAP || route == TINY_ROUTE_HOTHEAP_V2 || route == TINY_ROUTE_SMALL_HEAP_V3;
+    return route == TINY_ROUTE_HEAP ||
+           route == TINY_ROUTE_HOTHEAP_V2 ||
+           route == TINY_ROUTE_SMALL_HEAP_V3 ||
+           route == TINY_ROUTE_SMALL_HEAP_V4;
 }
 
 // C7 front が TinyHeap を使うか（Route snapshot 経由で判定）

core/front/malloc_tiny_fast.h

@@ -41,6 +41,7 @@
 #include "../box/tiny_heap_box.h"       // TinyHeap 汎用 Box
 #include "../box/tiny_hotheap_v2_box.h" // TinyHotHeap v2 (Phase31 A/B)
 #include "../box/smallobject_hotbox_v3_box.h" // SmallObject HotHeap v3 skeleton
+#include "../box/smallobject_hotbox_v4_box.h" // SmallObject HotHeap v4 (C7 stub)
 #include "../box/tiny_front_v3_env_box.h" // Tiny front v3 snapshot gate
 #include "../box/tiny_heap_env_box.h"   // ENV gate for TinyHeap front (A/B)
 #include "../box/tiny_route_env_box.h"  // Route snapshot (Heap vs Legacy)
@@ -132,7 +133,8 @@ static inline void* malloc_tiny_fast(size_t size) {
         route_trusted = false;
     } else if (!route_trusted &&
                route != TINY_ROUTE_LEGACY && route != TINY_ROUTE_HEAP &&
-               route != TINY_ROUTE_HOTHEAP_V2 && route != TINY_ROUTE_SMALL_HEAP_V3) {
+               route != TINY_ROUTE_HOTHEAP_V2 && route != TINY_ROUTE_SMALL_HEAP_V3 &&
+               route != TINY_ROUTE_SMALL_HEAP_V4) {
         route = tiny_route_for_class((uint8_t)class_idx);
     }
 
@@ -148,6 +150,15 @@ static inline void* malloc_tiny_fast(size_t size) {
             // fallthrough to v2/v1
             __attribute__((fallthrough));
         }
+        case TINY_ROUTE_SMALL_HEAP_V4: {
+            void* v4p = small_heap_alloc_fast_v4(small_heap_ctx_v4_get(), class_idx);
+            if (TINY_HOT_LIKELY(v4p != NULL)) {
+                return v4p;
+            }
+            so_v3_record_alloc_fallback((uint8_t)class_idx);
+            // fallthrough to v2/v1
+            __attribute__((fallthrough));
+        }
         case TINY_ROUTE_HOTHEAP_V2: {
             void* v2p = tiny_hotheap_v2_alloc((uint8_t)class_idx);
             if (TINY_HOT_LIKELY(v2p != NULL)) {
@@ -307,6 +318,12 @@ static inline int free_tiny_fast(void* ptr) {
                     // Same-thread + TinyHeap route → route-based free
                     if (__builtin_expect(use_tiny_heap, 0)) {
                         switch (route) {
+                            case TINY_ROUTE_SMALL_HEAP_V4:
+                                if (class_idx == 7) {
+                                    small_heap_free_fast_v4(small_heap_ctx_v4_get(), class_idx, base);
+                                    return 1;
+                                }
+                                __attribute__((fallthrough));
                             case TINY_ROUTE_SMALL_HEAP_V3:
                                 so_free((uint32_t)class_idx, base);
                                 return 1;
@@ -332,7 +349,7 @@ static inline int free_tiny_fast(void* ptr) {
                 // fallback: lookup failed but TinyHeap front is ON → use generic TinyHeap free
                 if (route == TINY_ROUTE_HOTHEAP_V2) {
                     tiny_hotheap_v2_record_free_fallback((uint8_t)class_idx);
-                } else if (route == TINY_ROUTE_SMALL_HEAP_V3) {
+                } else if (route == TINY_ROUTE_SMALL_HEAP_V3 || route == TINY_ROUTE_SMALL_HEAP_V4) {
                     so_v3_record_free_fallback((uint8_t)class_idx);
                 }
                 tiny_heap_free_class_fast(tiny_heap_ctx_for_thread(), class_idx, ptr);

core/smallobject_hotbox_v4.c

@@ -0,0 +1,304 @@
+// smallobject_hotbox_v4.c - SmallObject HotHeap v4 (C7-only real path)
+//
+// Phase v4-3: C7 クラスについては v4 独自の freelist/current/partial で完結させる。
+
+#include <stdlib.h>
+#include <string.h>
+
+#include "box/smallobject_hotbox_v4_box.h"
+#include "box/smallobject_hotbox_v4_env_box.h"
+#include "box/smallobject_cold_iface_v4.h"
+#include "box/smallobject_hotbox_v3_env_box.h"
+#include "box/tiny_heap_box.h"
+#include "box/tiny_cold_iface_v1.h"
+#include "box/tiny_geometry_box.h"
+#include "tiny_region_id.h"
+
+// TLS context
+static __thread small_heap_ctx_v4 g_ctx_v4;
+
+#define V4_MAX_PARTIAL_PAGES 2
+
+small_heap_ctx_v4* small_heap_ctx_v4_get(void) {
+    return &g_ctx_v4;
+}
+
+// -----------------------------------------------------------------------------
+// helpers
+// -----------------------------------------------------------------------------
+
+static inline void v4_page_push_partial(small_class_heap_v4* h, small_page_v4* page) {
+    if (!h || !page) return;
+    page->next = h->partial_head;
+    h->partial_head = page;
+    h->partial_count++;
+}
+
+static inline small_page_v4* v4_page_pop_partial(small_class_heap_v4* h) {
+    if (!h) return NULL;
+    small_page_v4* p = h->partial_head;
+    if (p) {
+        h->partial_head = p->next;
+        p->next = NULL;
+        if (h->partial_count > 0) {
+            h->partial_count--;
+        }
+    }
+    return p;
+}
+
+static inline void v4_page_push_full(small_class_heap_v4* h, small_page_v4* page) {
+    if (!h || !page) return;
+    page->next = h->full_head;
+    h->full_head = page;
+}
+
+static inline int v4_ptr_in_page(const small_page_v4* page, const uint8_t* ptr) {
+    if (!page || !ptr) return 0;
+    uint8_t* base = page->base;
+    size_t span = (size_t)page->block_size * (size_t)page->capacity;
+    if (ptr < base || ptr >= base + span) return 0;
+    size_t off = (size_t)(ptr - base);
+    return (off % page->block_size) == 0;
+}
+
+static inline void* v4_build_freelist(uint8_t* base, uint16_t capacity, size_t stride) {
+    void* head = NULL;
+    for (int i = capacity - 1; i >= 0; i--) {
+        uint8_t* blk = base + ((size_t)i * stride);
+        void* next = head;
+        head = blk;
+        memcpy(blk, &next, sizeof(void*));
+    }
+    return head;
+}
+
+typedef enum {
+    V4_LOC_NONE = 0,
+    V4_LOC_CURRENT,
+    V4_LOC_PARTIAL,
+    V4_LOC_FULL,
+} v4_loc_t;
+
+static small_page_v4* v4_find_page(small_class_heap_v4* h, const uint8_t* ptr, v4_loc_t* loc, small_page_v4** prev_out) {
+    if (loc) *loc = V4_LOC_NONE;
+    if (prev_out) *prev_out = NULL;
+    if (!h || !ptr) return NULL;
+
+    if (h->current && v4_ptr_in_page(h->current, ptr)) {
+        if (loc) *loc = V4_LOC_CURRENT;
+        return h->current;
+    }
+    small_page_v4* prev = NULL;
+    for (small_page_v4* p = h->partial_head; p; prev = p, p = p->next) {
+        if (v4_ptr_in_page(p, ptr)) {
+            if (loc) *loc = V4_LOC_PARTIAL;
+            if (prev_out) *prev_out = prev;
+            return p;
+        }
+    }
+    prev = NULL;
+    for (small_page_v4* p = h->full_head; p; prev = p, p = p->next) {
+        if (v4_ptr_in_page(p, ptr)) {
+            if (loc) *loc = V4_LOC_FULL;
+            if (prev_out) *prev_out = prev;
+            return p;
+        }
+    }
+    return NULL;
+}
+
+// -----------------------------------------------------------------------------
+// Cold iface (C7-only, Tiny v1 経由)
+// -----------------------------------------------------------------------------
+
+static small_page_v4* cold_refill_page_v4(small_heap_ctx_v4* hot_ctx, uint32_t class_idx) {
+    if (__builtin_expect(class_idx != 7, 0)) return NULL;
+    (void)hot_ctx;
+    tiny_heap_ctx_t* tctx = tiny_heap_ctx_for_thread();
+    if (!tctx) return NULL;
+
+    tiny_heap_page_t* lease = tiny_heap_prepare_page(tctx, (int)class_idx);
+    if (!lease) return NULL;
+
+    small_page_v4* page = (small_page_v4*)malloc(sizeof(small_page_v4));
+    if (!page) {
+        return NULL;
+    }
+    memset(page, 0, sizeof(*page));
+    page->class_idx = (uint8_t)class_idx;
+    page->capacity = lease->capacity;
+    page->used = 0;
+    page->block_size = (uint32_t)tiny_stride_for_class((int)class_idx);
+    page->base = lease->base;
+    page->slab_ref = lease;
+    page->freelist = v4_build_freelist(lease->base, lease->capacity, page->block_size);
+    if (!page->freelist) {
+        free(page);
+        return NULL;
+    }
+    page->next = NULL;
+    page->flags = 0;
+    return page;
+}
+
+static void cold_retire_page_v4(small_heap_ctx_v4* hot_ctx, uint32_t class_idx, small_page_v4* page) {
+    (void)hot_ctx;
+    if (!page) return;
+    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, (int)class_idx, lease);
+    }
+    free(page);
+}
+
+static const SmallColdIfaceV4 g_cold_iface_v4 = {
+    .refill_page = cold_refill_page_v4,
+    .retire_page = cold_retire_page_v4,
+    .remote_push = NULL,
+    .remote_drain = NULL,
+};
+
+const SmallColdIfaceV4* small_cold_iface_v4_get(void) {
+    return &g_cold_iface_v4;
+}
+
+// -----------------------------------------------------------------------------
+// alloc/free
+// -----------------------------------------------------------------------------
+
+static small_page_v4* small_alloc_slow_v4(small_heap_ctx_v4* ctx, int class_idx) {
+    small_class_heap_v4* h = &ctx->cls[class_idx];
+    small_page_v4* cur = h->current;
+    if (cur && cur->freelist) {
+        return cur;  // usable current
+    }
+    if (cur && !cur->freelist) {
+        // current を full list に残しておき、free で戻す
+        v4_page_push_full(h, cur);
+        h->current = NULL;
+    }
+
+    // partial から 1 ページだけ復帰
+    small_page_v4* from_partial = v4_page_pop_partial(h);
+    if (from_partial) {
+        h->current = from_partial;
+        return from_partial;
+    }
+
+    const SmallColdIfaceV4* cold = small_cold_iface_v4_get();
+    if (!cold || !cold->refill_page) return NULL;
+    small_page_v4* page = cold->refill_page(ctx, (uint32_t)class_idx);
+    if (!page) return NULL;
+    h->current = page;
+    return page;
+}
+
+void* small_heap_alloc_fast_v4(small_heap_ctx_v4* ctx, int class_idx) {
+    if (__builtin_expect(class_idx != 7, 0)) {
+        return NULL;  // C7 専用
+    }
+    if (!small_heap_v4_c7_enabled()) return NULL;
+    small_class_heap_v4* h = &ctx->cls[class_idx];
+    small_page_v4* page = h->current;
+
+    if (!page || !page->freelist) {
+        page = small_alloc_slow_v4(ctx, class_idx);
+    }
+    if (!page || !page->freelist) {
+        return NULL;
+    }
+
+    void* blk = page->freelist;
+    void* next = NULL;
+    memcpy(&next, blk, sizeof(void*));
+    page->freelist = next;
+    page->used++;
+
+    return tiny_region_id_write_header(blk, class_idx);
+}
+
+static void v4_unlink_from_list(small_class_heap_v4* h, v4_loc_t loc, small_page_v4* prev, small_page_v4* page) {
+    if (!h || !page) return;
+    switch (loc) {
+        case V4_LOC_CURRENT:
+            h->current = NULL;
+            break;
+        case V4_LOC_PARTIAL:
+            if (prev) prev->next = page->next;
+            else h->partial_head = page->next;
+            if (h->partial_count > 0) {
+                h->partial_count--;
+            }
+            break;
+        case V4_LOC_FULL:
+            if (prev) prev->next = page->next;
+            else h->full_head = page->next;
+            break;
+        default:
+            break;
+    }
+    page->next = NULL;
+}
+
+void small_heap_free_fast_v4(small_heap_ctx_v4* ctx, int class_idx, void* ptr) {
+    if (__builtin_expect(class_idx != 7, 0)) {
+        return;
+    }
+    if (!small_heap_v4_c7_enabled()) return;
+    if (!ptr) return;
+
+    small_class_heap_v4* h = &ctx->cls[class_idx];
+    small_page_v4* prev = NULL;
+    v4_loc_t loc = V4_LOC_NONE;
+    small_page_v4* page = v4_find_page(h, (const uint8_t*)ptr, &loc, &prev);
+    if (!page) return;
+
+    // freelist push
+    void* head = page->freelist;
+    memcpy(ptr, &head, sizeof(void*));
+    page->freelist = ptr;
+    if (page->used > 0) {
+        page->used--;
+    }
+
+    if (page->used == 0) {
+        const SmallColdIfaceV4* cold = small_cold_iface_v4_get();
+        if (loc != V4_LOC_CURRENT) {
+            v4_unlink_from_list(h, loc, prev, page);
+        }
+        if (!h->current) {
+            h->current = page;
+            page->next = NULL;
+            return;
+        }
+        if (h->current == page) {
+            page->next = NULL;
+            return;
+        }
+        if (h->partial_count < V4_MAX_PARTIAL_PAGES) {
+            v4_page_push_partial(h, page);
+            return;
+        }
+        if (cold && cold->retire_page) {
+            cold->retire_page(ctx, (uint32_t)class_idx, page);
+        } else {
+            free(page);
+        }
+        return;
+    }
+
+    if (!h->current) {
+        // このページを current に据える
+        if (loc != V4_LOC_CURRENT) {
+            v4_unlink_from_list(h, loc, prev, page);
+        }
+        h->current = page;
+        page->next = NULL;
+    } else if (loc == V4_LOC_FULL && page->freelist) {
+        // full → partial に戻す
+        v4_unlink_from_list(h, loc, prev, page);
+        v4_page_push_partial(h, page);
+    }
+}

docs/analysis/SMALLOBJECT_V4_BOX_DESIGN.md

@@ -0,0 +1,40 @@
+# SmallObject HotBox v4 Box Design (Phase v4-1 スケルトン)
+
+## Overview
+- 目的: 16〜1024B〜2KiB の small-object を統合する v4 の箱を用意し、v3 の成功パターン（C7-only）を一般化する足場を作る。
+- 中期目標: mimalloc の 70〜80% に迫ること。現状は C7-only v3 + front v3 + fast classify で Mixed 16–1024B がまだ 30〜40% 程度。
+- 位置付け: v3 = prototype、v2 = archive（インターフェース参考のみ）。v4 は構造を整理しつつホット/コールド境界を明確にする。
+
+## Box 構造
+- **HotBox_v4**: per-thread `SmallHeapCtx` に `SmallClassHeap[current/partial/full]` と `SmallPageMeta` を持つ。ホットパスはここに閉じ込める。
+- **ColdIface_v4**: `refill_page` / `retire_page` / `remote_push` / `remote_drain` を 1 箱に集約し、内部で Superslab / Warm / Remote を呼ぶ薄いラッパ。
+- **SuperslabBox / RemoteBox**: 既存の Superslab/WarmPool/Remote を Cold 側の箱として再利用（Hot から直接触らない）。
+- **PolicyBox / LearningBox**: small-object 用の `SmallPolicySnapshot`（block_size/route_kind 等）を上位で更新し、Hot は snapshot を読むだけにする。
+
+## Phase ロードマップ
+- **v4-1**: 型と入口だけ追加。挙動は v3/v1 のままで、コンパイルが通る足場を用意。
+- **v4-2**: C7-only を v4 に寄せ、v3 互換の挙動で動かす（ENV ゲート付き、v4 が優先）。
+- **v4-3**: C7-only を v4 自前の freelist/current/partial で動かす（Cold は Tiny v1 経由）。v3 はベンチ用に残し ENV で A/B。
+- **v4-3.1 (今回)**: C7 v4 で current/partial 再利用を強化し、prepare_calls を v3 並みに抑制。C7-only ベンチで v4 が v3 比 +1% 程度まで回復。
+- **v4-4**: C5〜C7 を含む全 small-object クラスを v4 に段階移行。route LUT から v4 を返せるようにする。
+- **v4-5**: Segment/Page/Block レイアウトと pf 削減、WarmPool チューニングを v4 用に調整。
+
+## 現行 v3/v2 の扱い
+- v3: C7-only front v3 の prototype として構造だけ再利用する。性能・安定のベースライン。
+- v2: archive として残し、インターフェース案のみ参照。ホットパスには混ぜない。
+
+## 次ステップの入口
+- `core/box/smallobject_hotbox_v4_box.h`: v4 のページ/クラス/TLS 型と TLS アクセサ宣言。
+- `core/box/smallobject_cold_iface_v4.h`: ColdIface の関数ポインタ箱（C7 専用 refill/retire を v1 Tiny に繋ぐ）。
+- `core/box/tiny_route_env_box.h`: `TINY_ROUTE_SMALLHEAP_V4` を追加し、ENV `HAKMEM_SMALL_HEAP_V4_ENABLED` / `HAKMEM_SMALL_HEAP_V4_CLASSES` から C7 を v4 route に載せられる（未指定なら OFF）。
+- `core/front/malloc_tiny_fast.h`: route switch に v4 の case を足し、C7 v4 が ON のときは v4 経路（現在は C7 自前 freelist, それ以外は v1/v3 へフォールバック）、OFF 時は従来の v3/v1。
+
+## A/B と運用
+- Phase v4-3.1 時点の健康診断:
+  - C7-only A/B (ws=400, iters=1M, size=1024 固定):
+    - v3: 41.67M ops/s, prepare_calls=5,077
+    - v4: 42.13M ops/s, prepare_calls=4,701（current/partial 再利用で 3.4x→約1.0x に改善）
+  - Mixed 16–1024B (MIXED_TINYV3_C7_SAFE, ws=400, iters=1M):
+    - v3 route: 40.66M ops/s
+    - v4 route: 40.01M ops/s（-1.6% 以内、回帰なし）
+- どちらも segv/assert なし。C7 v4 の prepare 増加は解消済み。Mixed ではまだ v3 がわずかに優勢だが許容範囲。