# AGENTS: 箱理論（Box Theory）設計ガイドライン 本リポジトリでは、変更・最適化・デバッグを一貫して「箱理論（Box Theory）」で進めます。すべてを“箱”で分け、境界で接続し、いつでも戻せるように積み上げることで、複雑性を抑えつつ失敗コストを最小化します。 --- ## 何が効くのか（実績） - ❌ Rust/inkwell: 複雑なライフタイム管理 ↓ - ✅ 箱理論適用: 650行 → 100行（SSA構築） なぜ効果があるか: - PHI/Block/Value を「箱」として扱い、境界（変換点）を1箇所に集約 - 複雑な依存関係を箱の境界で切ることで単体検証が容易 - シンプルな Python/llvmlite で 2000行で完結（道具に依存せず“箱”で分割して繋ぐ） 補足（C 実装時の利点） - C の場合は `static inline` により箱間のオーバーヘッドをゼロに近づけられる（インライン展開） --- ## 🎯 AI協働での合言葉（5原則） 1. 「箱にする」: 設定・状態・橋渡しは Box 化 - 例: TLS 状態、SuperSlab adopt、remote queue などは役割ごとに箱を分離 2. 「境界を作る」: 変換は境界1箇所で - 例: adopt → bind、remote → freelist 統合、owner 移譲などの変換点を関数1箇所に集約 3. 「戻せる」: フラグ・feature で切替可能に - `#ifdef FEATURE_X` / 環境変数 で新旧経路を A/B 可能に（回帰や切り戻しを即時化） 4. 「見える化」: ダンプ/JSON/DOT で可視化 - 1回だけのワンショットログ、統計カウンタで“芯”を掴む（常時ログは避ける） 5. 「Fail-Fast」: エラー隠さず即座に失敗 - ENOMEM/整合性違反は早期に露呈させる（安易なフォールバックで隠さない） 要するに: 「すべてを箱で分けて、いつでも戻せるように積み上げる」設計哲学にゃ😺🎁 --- ## 適用ガイド（このリポジトリ） - 小さく積む（Box 化） - Remote Free Queue, Partial SS Adopt, TLS Bind/Unbind を独立した“箱”として定義 - 箱の API は最小・明確（init/publish/adopt/drain/bind など） - 参照してほしい設計ドキュメント - `HAKMEM_V2_GENERATION_SUMMARY.md`（ULTRA + MID v3 + v6/v7 研究箱までの“第1章”まとめ） - `docs/analysis/SMALLOBJECT_V7_DESIGN.md`（SmallObject v7 / HAKMEM v3 コアの層構造と箱割り） - `docs/analysis/V7_ARCHITECTURE_DECISION_MATRIX.md`（v7 世代の設計オプションと意思決定マトリクス） - 境界は1箇所 - Superslab 再利用の境界は `superslab_refill()` に集約（publish/adopt の接点） - Free の境界は “same-thread / cross-thread” の判定1回 - 切替可能（戻せる） - 新経路は `#ifdef` / 環境変数でオンオフ（A/B と回帰容易化） - 例: `HAKMEM_TINY_PHASE6_ULTRA_SIMPLE`、`HAKMEM_DEBUG_VERBOSE`、`HAKMEM_TINY_*` env - 見える化（最小限） - 1回だけのデバッグ出力（ワンショット）と統計カウンタで芯を掴む - 例: [SS OOM]、[SS REFILL] のワンショットログ、alloc/freed/bytes の瞬間値 - Fail-Fast - ENOMEM・整合性違反はマスクせず露出。フォールバックは“停止しないための最後の手段”に限定 - 運用ルール（Pool flatten） - Pool v1 flatten / Zero Mode は LEGACY mid/smallmid ベンチ専用の箱。C7_SAFE プロファイルでは flatten を触らない（安定性優先のため常時 OFF）。 --- ## 実装規約（C向けの具体） - `static inline` を多用し箱間の呼び出しをゼロコスト化 - 共有状態は `_Atomic` で明示、CAS ループは局所化（MPSC push/pop はユーティリティ化） - 競合制御は「箱の内側」に閉じ込め、外側はシンプルに保つ - 1つの箱に 1つの責務（publish/adopt、drain、bind、owner 移譲 など） --- ## チェックリスト（PR/レビュー時） - 箱の境界は明確か（変換点が1箇所に集約されているか） - フラグで戻せるか（A/B が即時に可能か） - 可視化のフックは最小か（ワンショット or カウンタ） - Fail-Fast になっているか（誤魔化しのフォールバックを入れていないか） - C では `static inline` でオーバーヘッドを消しているか --- この AGENTS.md は、箱理論の適用・コーディング・デバッグ・A/B 評価の“共通言語”です。新しい最適化や経路を足す前に、まず箱と境界を設計してから手を動かしましょう。 --- ## Learning Layer（ACE / ELO / Learner）の箱化ポリシー ACE/ELO/CAP Learner などの「学習する機能」も、Tiny や Superslab と同様に Box として扱います。 ホットパスを汚さず、いつでも FROZEN/OFF に戻せるようにすることが原則です。 - 学習は上層の箱に閉じ込める - L0 Tiny / L1 Superslab / TLS SLL / Remote Queue は **学習ロジックを持たない**。 - ELO / ACE Controller / CAP Learner は「ポリシー箱」として、ノブやしきい値だけを更新する。 - ホットパス側は「現在のポリシー値」を読むだけにし、学習の有無を意識しない。 - FROZEN / LEARN / OBSERVE を明確に分ける - FROZEN: 学習 OFF。固定ポリシーのみ使用（デフォルト運用）。 - LEARN: バックグラウンドでポリシー更新を行う（ベンチ / 研究用）。 - OBSERVE: Tiny などの下層の箱を「観測だけ」するモード（動作は変えない）。 - モード切り替えは `HAKMEM_MODE` / `HAKMEM_ACE_ENABLED` / `HAKMEM_LEARN` 等の ENV から行い、いつでも戻せるようにする。 - ドキュメントと設計の窓口 - 学習レイヤ全体の構造と責務は `docs/analysis/LEARNING_LAYER_OVERVIEW.md` にまとめる。 - 各学習 Box（ELO / ACE Controller / CAP Learner）の詳細仕様や A/B 結果は、docs/analysis / docs/benchmarks / docs/paper 配下に箱ごとに整理する。 - AGENTS.md では「学習は必ず別箱」「ホットパスを汚さない」「ENV で切り戻せる」というルールだけを守る。 --- ## 研究箱ポリシー: SmallObject v6（Headerless 設計検証） SmallObject v6（C6-only headerless allocation）は、「header elimination の実現可能性」を実証する**研究箱**です。以下のルールで管理します。 ### v6 の現在地 - **状態**: 凍結（デフォルト OFF、ENV opt-in の研究用） - **性能**: baseline ±数% で相当 = 基本的な設計目標は達成 - **設計成果**: - RegionIdBox が薄く保たれた（ptr 分類のみ） - TLS-scope segment registration + same-page cache で lookup overhead を軽減 - Headerless allocation が実装可能なことを実証 ### 凍結後の方針 1. **コード保持**: v6 実装コードは削除しない。参考設計として保持。 2. **デフォルト OFF**: デフォルトプロファイルには一切関与しない。 3. **研究用のみ**: ENV 環境変数 `HAKMEM_SMALL_HEAP_V6_*` で明示的に有効化する場合のみ動作。 4. **今後のリソース**: v6 の P2/P3 最適化は後回しに。mid/pool v3 による C6-heavy 本格改善に注力する。 5. **ドキュメント**: SmallObject v6 の詳細は `docs/analysis/SMALLOBJECT_CORE_V6_DESIGN.md` に集約。CURRENT_TASK.md は概要のみ。 ### 凍結をすり抜ける条件 v6 に手を入れるのは以下の場合に限定： - クリティカルなバグ修正（deadlock / segfault） - 基盤（TLS 登録、segment allocation）に関わる変更の伝播 - 「mid/pool v3 で成功した パターンを v6 にも適用」といった、mid と v6 の共通化 --- ## Tiny 向け「積み方 v2」(層を下から固める) 下層の箱が壊れている状態で上層を積むと必ず崩れます。まず下から順に箱を“堅牢化”してから上を載せる、を徹底します。 層と責務 - Box 1: Atomic Ops (最下層) - 役割: `stdatomic.h` による CAS/Exchange の秩序付け（Acquire/Release）。 - ルール: メモリ順序を箱内で完結させる（外側に弱い順序を漏らさない）。 - Box 2: Remote Queue (下層) - 役割: cross-thread free の MPSC スタック（push/exchange）とカウント管理。 - API: `ss_remote_push(ss, slab_idx, ptr) -> transitioned(0/1)`、`ss_remote_drain_to_freelist(ss, slab_idx)`、`ss_remote_drain_light(ss)` - 不変条件 (Invariants): - push はノードの next を書き換える以外に副作用を持たない（freelist/owner へは触れない）。 - head は SuperSlab 範囲内（Fail-Fast 範囲検証）。 - `remote_counts[s]` は push/drain で単調に整合する（drain 後は 0）。 - 境界: freelist への統合は必ず drain 関数内（1 箇所）。publish/adopt からの直接 drain は禁止。 - Box 3: Ownership (中層) - 役割: slab の所有者遷移（`owner_tid`）。 - API: `ss_owner_try_acquire(meta, tid) -> bool`（`owner_tid==0` の時のみ CAS で取得）、`ss_owner_release(meta, tid)`、`ss_owner_is_mine(meta, tid)` - 不変条件: - Remote Queue は owner に触らない（Box 2→3 への侵入禁止）。 - Acquire 成功後のみ “同一スレッド” の高速経路を使用する。 - 境界: bind 時にのみ acquire/release を行う（採用境界 1 箇所）。 - Box 4: Publish / Adopt (上層) - 役割: 供給の提示（publish）と消費（adopt）。 - API: `tiny_publish_notify(class, ss, slab)` → `tiny_mailbox_publish()`、`tiny_mailbox_fetch()`、`ss_partial_publish()`、`ss_partial_adopt()` - 不変条件: - publish は “通知とヒント” のみ（freelist/remote/owner に触れない）。 - `ss_partial_publish()` は unsafe drain をしない。必要なら drain は採用側境界で実施。 - publish 時に `owner_tid=0` を設定してもよいが、実際の acquire は採用境界でのみ行う。 - 境界: adopt 成功直後にだけ `drain → bind → owner_acquire` を行う（順序は必ずこの 1 箇所）。 実装ガイド（境界の 1 か所化） - Refill 経路（`superslab_refill()` / `tiny_refill_try_fast()`）でのみ: 1) sticky/hot/bench/mailbox/reg を “peek して” 候補を得る 2) 候補が見つかったら当該 slab で `ss_remote_drain_to_freelist()` を 1 回だけ実行（必要時） 3) freelist が非空であれば `tiny_tls_bind_slab()` → `ss_owner_try_acquire()` の順で確定 4) 確定後にのみ publish/overflow は扱う（不要な再 publish/drain はしない） Do / Don’t（壊れやすいパターンの禁止） - Don’t: Remote Queue から publish を直接呼ばない条件分岐を増やす（通知の濫用）。 - Don’t: publish 側で drain / owner をいじる。 - Do: Remote Queue は push と count 更新のみ。publish は通知のみ。採用境界で drain/bind/owner を一度に行う。 デバッグ・トリアージ順序（Fail‑Fast） 1) Box 2（Remote）単体: push→drain→freelist の整合をアサート（範囲検証 ON, `remote_counts` 符合）。 2) Box 3（Ownership）単体: `owner_tid==0` からの acquire/release を並行で連続試験。 3) Box 4（Publish/Adopt）単体: publish→mailbox_register/fetch の通電（fetch ヒット時のみ adopt を許可）。 4) 全体: adopt 境界でのみ `drain→bind→owner_acquire` を踏んでいるかリングで確認。 可視化と安全化（最小構成） - Tiny Ring: `TINY_RING_EVENT_REMOTE_PUSH/REMOTE_DRAIN/MAILBOX_PUBLISH/MAILBOX_FETCH/BIND` を採用境界前後に記録。 - Env（A/B・切戻し）: - `HAKMEM_TINY_SS_ADOPT=1/0`（publish/adopt 全体の ON/OFF） - `HAKMEM_TINY_RF_FORCE_NOTIFY=1`（初回通知の見逃し検出） - `HAKMEM_TINY_MAILBOX_SLOWDISC(_PERIOD)`（遅延登録の発見） - `HAKMEM_TINY_MUST_ADOPT=1`（mmap 直前の採用ゲート） 最小テスト（箱単位の smoke） - Remote Queue: 同一 slab へ N 回 `ss_remote_push()` → `ss_remote_drain_to_freelist()` → `remote_counts==0` と freelist 長の一致。 - Ownership: 複数スレッドで `ss_owner_try_acquire()` の成功が 1 本だけになること、`release` 後に再取得可能。 - Publish/Mailbox: `tiny_mailbox_publish()`→`tiny_mailbox_fetch()` のヒットを 1 回保証。`fetch_null` のとき `used` 拡張が有効。 運用の心得 - 下層（Remote/Ownership）に疑義がある間は、上層（Publish/Adopt）を “無理に” 積み増さない。 - 変更は常に A/B ガード付きで導入し、SIGUSR2/リングとワンショットログで芯を掴んでから上に進む。 --- ## 健康診断ランと注意事項（Superslab / madvise / Pool 用） このリポジトリは Superslab / madvise / Pool v1 flatten など OS 依存の経路を多用します。 「いつの間にか壊れていた」を防ぐために、次の“健康診断ラン”と注意事項を守ってください。 ※ 開発マシンと OS 環境は、基本的にセッションを通じて同一構成（同一ハードウェア・同一カーネル設定）を維持して運用しています。性能の変化は「コード差分」か「明示的に変更した ENV」の影響として扱い、マシン側の揺らぎで説明しない方針です。 - Perf / ベンチ計測の原則 - ホットパス（Tiny front / SmallObject v3/v4 / Pool / Superslab）に手を入れるときは、必ず **変更前と変更後で同じプロファイルのベンチと perf** を 1 本ずつ取ってから評価すること（「perf を見ずに最適化しない」）。 - Mixed 16–1024B は `HAKMEM_PROFILE=MIXED_TINYV3_C7_SAFE`、mid/smallmid は `HAKMEM_PROFILE=C6_HEAVY_LEGACY_POOLV1` を基準とし、A/B は原則この 2 本で行う。 - 新しい箱を追加したら、CURRENT_TASK.md / docs/analysis 配下に A/B の ops/s と主要 self% を必ずメモしてから次の箱に進む。 - DSO 領域には触らない（Superslab OS Box のフェンス） - `core/box/ss_os_acquire_box.h` の `ss_os_madvise_guarded()` は **libc/libm/ld.so など DSO 領域を dladdr で検出したら即スキップ** します。 - DSO に対する madvise 試行は **バグ扱い**。`g_ss_madvise_disabled` / DSO-skip ログを必ず 1 回だけ出し、以降は触らない前提です。 - 開発/CI では（必要なら）`HAKMEM_SS_MADVISE_DSO_FAILFAST=1` を使って、「DSO に一度でも触ろうとしたら即 abort」するチェックランを追加してください。 - madvise / vm.max_map_count 用 健康診断ラン - 目的: Superslab OS Box が ENOMEM(vm.max_map_count) に達しても安全に退避できているか、DSO 領域を誤って触っていないかを確認する。 - 推奨コマンド（C7_SAFE + mid/smallmid, Superslab/madvise 経路の smoke 用）: ```sh HAKMEM_BENCH_MIN_SIZE=257 \ HAKMEM_BENCH_MAX_SIZE=768 \ HAKMEM_TINY_HEAP_PROFILE=C7_SAFE \ HAKMEM_TINY_C7_HOT=1 \ HAKMEM_TINY_HOTHEAP_V2=0 \ HAKMEM_SMALL_HEAP_V3_ENABLED=1 \ HAKMEM_SMALL_HEAP_V3_CLASSES=0x80 \ HAKMEM_POOL_V2_ENABLED=0 \ HAKMEM_POOL_V1_FLATTEN_ENABLED=0 \ HAKMEM_SS_OS_STATS=1 \ ./bench_mid_large_mt_hakmem 5000 256 1 ``` - チェックポイント: - 終了時に `[SS_OS_STATS] ... madvise_enomem=0 madvise_disabled=0` が理想（環境次第で ENOMEM は許容、ただし disabled=1 になっていれば以降の madvise は止まっている）。 - DSO-skip や DSO Fail-Fast ログが出ていないこと（出た場合は ptr 分類/経路を優先的にトリアージ）。 - Pool v1 flatten のプロファイル注意 - LEGACY プロファイル専用の最適化です。`HAKMEM_TINY_HEAP_PROFILE=C7_SAFE` / `C7_ULTRA_BENCH` のときは **コード側で強制OFF** されます。 - flatten を触るときの健康診断ラン（LEGACY想定）: ```sh HAKMEM_BENCH_MIN_SIZE=257 \ HAKMEM_BENCH_MAX_SIZE=768 \ HAKMEM_TINY_HEAP_PROFILE=LEGACY \ HAKMEM_POOL_V2_ENABLED=0 \ HAKMEM_POOL_V1_FLATTEN_ENABLED=1 \ HAKMEM_POOL_V1_FLATTEN_STATS=1 \ ./bench_mid_large_mt_hakmem 1 1000000 400 1 ``` - チェックポイント: - `[POOL_V1_FLAT] alloc_tls_hit` / `free_tls_hit` が増えていること（flatten 経路が効いている）。 - `free_fb_*`（page_null / not_mine / other）は**少数**に収まっていること。増えてきたら owner 判定/lookup 側を優先トリアージする。 - C6 は Phase C6-FREEZE 中（標準では Tiny/SmallObject/ULTRA に載せない） - 標準プロファイル（MIXED_TINYV3_C7_SAFE / C6_HEAVY_LEGACY_POOLV1）は C6 を mid/pool の通常クラスとして扱う。C6_HOT や smallheap(v3/v4)/ULTRA はすべて研究用の opt-in に限定。 - C6 を触るときは ENV_PROFILE_PRESETS.md の研究プリセット（C6_SMALL_HEAP_V3_EXPERIMENT / C6_SMALL_HEAP_V4_EXPERIMENT など）から開始し、標準プリセットに混ぜ込まないこと。 - mid/smallmid の性能を攻めるときは、まず pool/mid 側の HotBox 設計（SmallObject v4 や mid 用 ULTRA）を考え、C6 専用の特別扱いは後段フェーズまで凍結する。 - C7 ULTRA は UF-3 セグメント版が標準（ENV で OFF に戻せる） - `HAKMEM_TINY_C7_ULTRA_ENABLED` デフォルト ON。2MiB セグメント（64KiB ページ, mask 判定）上で carve/push。セグメント外の ptr は必ず既存 v3 free にフォールバックする。 - ON/OFF の前後で必ず健康診断ランを 1 回ずつ取り、差分が出たらまず ULTRA 側を疑う。 - ヘッダ軽量化（`HAKMEM_TINY_C7_ULTRA_HEADER_LIGHT`）は研究箱。Mixed/C7-only の A/B を取ってから触ること。デフォルトは OFF。 - 将来的にヘッダレス設計を広げるときは、まず C7 ULTRA の勝ちパターンを small-object v4（16〜2KiB）にコピーし、各サイズクラスを一つの SmallObjectHotBox v4 に統合してから mid/pool 側を触る。 - 一般ルール（壊れたらまず健康診断ラン） - Tiny / Superslab / Pool に手を入れたあと、まず上記の健康診断ランを 1 回だけ回してから長尺ベンチ・本番 A/B に進んでください。 - 健康診断ランが落ちる場合は **新しい最適化を積む前に** Box 境界（ptr 分類 / Superslab OS Box / Pool v1 flatten Box）を優先的に直します。 - ベンチや評価を始めるときは、`docs/analysis/ENV_PROFILE_PRESETS.md` のプリセット（MIXED_TINYV3_C7_SAFE / C6_HEAVY_LEGACY_POOLV1 / DEBUG_TINY_FRONT_PERF）から必ずスタートし、追加した ENV はメモを残してください。単発の ENV を散らすと再現が難しくなります。 - 健康診断ラン（簡易チェック）は次の 2 本を必ず通す: - Tiny/Mixed: `HAKMEM_PROFILE=MIXED_TINYV3_C7_SAFE ./bench_random_mixed_hakmem 1000000 400 1` （35〜38M ops/s / segv/assert なしで OK） - mid/smallmid C6: `HAKMEM_PROFILE=C6_HEAVY_LEGACY_POOLV1 ./bench_mid_large_mt_hakmem 1 1000000 400 1` （約29M ops/s / segv/assert なしで OK） - まとめて実行する場合は `scripts/verify_health_profiles.sh` を 1 回叩けば OK（スループットは目安表示のみ、exit code だけで判定）。 --- ## V7 世代の設計メモへの導線（mimalloc に追いつく箱を作るとき） v7 / HAKMEM v3 の設計・実装を触るときは、必ず次の設計ドキュメントから読み始めてください。 - `docs/analysis/HAKMEM_V2_GENERATION_SUMMARY.md` - v2 世代（ULTRA + MID v3 + v6/v7 研究箱）のまとめと L0〜L3 の層構造。 - 「ここまでが第1世代・ここから先を v3/v7 で攻める」という地図。 - `docs/analysis/SMALLOBJECT_V7_DESIGN.md` - SmallObjectHotBox_v7 / SmallSegment_v7 / RegionIdBox の型と責務。 - v7-0〜v7-4 のフェーズと、「v3 世代でどのクラスを誰が担当するか」の前提。 - `docs/analysis/V7_ARCHITECTURE_DECISION_MATRIX.md` - mimalloc と v7 の比較表（Free List / Size Class / Lookup / Header 等）。 - v7-5a（C6 極限最適化）と v7-5b（multi-class 拡張）どちらから攻めるかの判断基準。 - Intrusive LIFO / headerless / Stats cold path など、次世代で検討する論点一覧。 これら 3 つを「設計の正」として扱い、v7 をいじるときは必ず A/B 用プロファイルと Box 境界を先に決めてからコードを触ってください。 --- ## Tiny/ULTRA 層の「完成世代」宣言（2025-12-11） **Tiny/ULTRA 層は C4–C7 ULTRA + v3 backend を前提とした「完成世代」として扱う。** 今後の大きい変更は **Headerless 系（v6 out-of-band header）/ mid/pool v3 新設計** といった独立ラインでのみ検討。 Tiny/ULTRA 層本体への追加最適化は Small patch level のみ（Phase SO-BACKEND-OPT-2 等の Header write 削減）を想定。 詳細は `docs/analysis/PERF_EXEC_SUMMARY_ULTRA_PHASE_20251211.md` 参照。 --- ## v6 研究箱ルール（Phase V6-HDR-0 以降） ### 基本方針 v6 は **C6-only headerless core** の研究ラインとして、Tiny/ULTRA 完成世代とは**独立して**運用する。 ### 固定事項 1. **C7 ULTRA は触らない** - TinyC7UltraBox / C7UltraSegmentBox は frozen。v6 から C7 を呼び出さない。 - C7 の最適化が必要な場合は ULTRA 側で対応（v6 スコープ外）。 2. **v6 は C6-only** - `HAKMEM_SMALL_CORE_V6_ENABLED=1` + `HAKMEM_SMALL_CORE_V6_CLASSES=0x40` (C6 のみ) - C5/C4 への拡張は研究完了後に検討（Phase V6-HDR-1 以降） 3. **Headerless 設計** - alloc 時に header byte を書かない（`SMALL_V6_HEADERLESS=1`） - free 時は RegionIdBox で ptr 分類 → page_meta へ直接アクセス 4. **デフォルト OFF** - `HAKMEM_SMALL_CORE_V6_ENABLED=0` がデフォルト - 本線 Mixed / C6-heavy は v6 OFF で計測（回帰しない） ### ENV 一覧 | ENV | Default | 説明 | |-----|---------|------| | `HAKMEM_SMALL_CORE_V6_ENABLED` | 0 | v6 core 有効化 | | `HAKMEM_SMALL_CORE_V6_CLASSES` | 0x40 | 有効クラス (0x40=C6) | | `HAKMEM_SMALL_V6_OBSERVE` | 0 | free 入口のログ出力 | | `HAKMEM_PAGE_STATS_V6_ENABLED` | 0 | page lifetime stats | | `HAKMEM_REGION_ID_V6_OBSERVE` | 0 | RegionIdBox lookup ログ | ### 4層 Box Theory ``` L0: ULTRA lanes (C7 frozen) L1: TLS Box (SmallTlsLaneV6 / SmallHeapCtxV6) L2: Segment / ColdIface (SmallSegmentV6 / ColdIfaceV6) L3: Policy / RegionIdBox / PageStatsV6 ``` 詳細は `docs/analysis/SMALLOBJECT_CORE_V6_DESIGN.md` 参照。