# TINY_C7_ULTRA_DESIGN

## 目的
- C7 (1024B) 向け mimalloc 型超高速パス（ULTRA）を用意し、Mixed 16–1024B を mimalloc の 5 割近辺まで寄せる。
- 学習層や stats の仕組みは残しつつ、C7 同一スレッドのホットパスからは極力それらを排除する。

## 箱構造
- Hot: TinyC7UltraBox（TLS freelist + C7 専用セグメントを握る同一スレッド専用箱）
- Cold: C7UltraSegmentBox（C7 専用セグメント管理。現段階では設計のみで未実装）
- 既存 Cold: Superslab / WarmPool / Guard / Remote / Stats は既存の箱のまま。ULTRA は原則触らない。

## 決定事項（芯）
1. C7 専用ページ源
   - ULTRA は「C7 専用セグメント」からページを取る（将来は mmap で 2〜4MiB 単位）。
   - v3/v4/Tiny v1 が握る C7 ページとは混ざらない前提。
   - UF-1 時点では C7UltraSegmentBox は未実装で、C7 ページ供給は既存 v3 経由の stub とする。
2. free 時の ptr→page
   - ULTRA が扱う C7 ページは C7 専用セグメント上にのみ存在すると決める。
   - 将来像:
     - seg = p & ~(SEG_SIZE-1) で segment 基底。
     - seg が ULTRA 管理表にあれば offset / page_idx / page_meta から class=7 を取得し、ヘッダなしで freelist push。
     - 管理表に無ければ既存 v3/v4 free（ヘッダあり）にフォールバック。
3. ULTRA と v3/v4 の責務分離
   - ULTRA ON: C7 アロケーションはすべて ULTRA 管理（v3/v4 は C7 ページを新規に取らない）。
   - ULTRA OFF: C7 は v3（現行本命）か v4 が処理する。
   - free: 「まず ULTRA セグメントか？」を判定し、ULTRA 管理外なら常に v3/v4 free へ落とすオーバーレイ構造。
   - Remote/cross-thread free は ULTRA 非対応。ULTRA は同一スレッド C7 専用 TLS box として設計。
4. Fail-Fast ポリシー
   - ULTRA が扱わないポインタは必ず v3/v4 側でヘッダ検証・範囲チェックを行う。
   - ULTRA 内部不整合（将来フェーズ）は stats＋ワンショットログで可視化し、可能なら v3/v4 へフォールバック。

## セグメント前提（UF-3 仕様）
- SEG_SIZE: 2MiB (pow2)。seg_base = ptr & ~(SEG_SIZE-1) で判定可能にする。
- セグメント構造（イメージ）:
  - base, seg_size (=2MiB), page_size (=TINY_PAGE_SIZE 想定), num_pages (=seg_size/page_size)
  - page_meta[num_pages]（freelist/used/capacity だけを持つ軽量構造）
- free 時の判定:
  - seg = p & ~(SEG_SIZE-1) で ULTRA 管理セグメントか確認。
  - 管理外 → v3 free（ヘッダ付き経路）へフォールバック。
  - 管理内 → page_idx = (p - seg_base) >> PAGE_SHIFT で page_meta を取得し、ヘッダ無しで freelist push。
- Remote/cross-thread free は UF-3 でも非対応（同一スレッド C7 専用のまま）。

## UF-4: C7 ULTRA header light（研究箱）
- 目的: C7 ULTRA の alloc/free から tiny_region_id_write_header の毎回実行を外し、carve 時だけに寄せる。
- 手段: freelist の next をヘッダ直後に格納してヘッダを保持し、ENV `HAKMEM_TINY_C7_ULTRA_HEADER_LIGHT` (default 0) ON のときだけ carve 時に一括書き込み。alloc はヘッダ済みならスキップ。
- Fail-Fast: ULTRA 管理外 ptr は従来どおり v3 free 経路へ落とす。

## フェーズ
- UF-1: 箱・ENV・front フックだけ stub で入れる（中身は v3 C7 経由、挙動変化なし）。
- UF-2: ULTRA TLS freelist を実装（C7 ページ 1 枚を TLS で握る。同一スレッドのみ）。C7 ページ供給は当面 v3/v4 経由。
- UF-3: C7UltraSegmentBox を実装し、ptr→segment mask でヘッダレス free に寄せる（セグメント 1 枚のみでも可）。
- UF-4: C7 ULTRA header light を研究箱として追加し、ON/OFF A/B（Mixed / C7-only 両方）で評価する。

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## Phase PERF-ULTRA-ALLOC-OPT-1: C7 ULTRA alloc 内部最適化（実装予定）

### 背景（Phase PERF-ULTRA-REBASE-1 の発見）

2025-12-11 の perf 計測（C4-C7 ULTRA 全て ON）で以下が判明：

**ホットパス分析結果** (allocator 内部, self%):
- **C7 ULTRA alloc: 7.66%** ← **新しい最大ボトルネック**
- C4-C7 ULTRA free群: 5.41%
- gate/front前段: 2.51% ← **既に十分薄い**
- header: < 0.17% ← **ULTRA 経路での削減効果が出ている**

### 結論

**v6/v5/v4 のような新世代追加ではなく、既に当たりが出ている ULTRA 内部を薄くする方針に転換**。

- v6/v5 の C5/C4 拡張は -12〜33% の大幅回帰を招いた
- header や gate/front は既に改善済み（許容範囲）
- **C7 ULTRA alloc の 7.66% を 5-6% に削れば、全体で 2-3% の効果が期待できる**

### 実装施策

**ターゲット**: `tiny_c7_ultra_alloc()` の hot path を直線化

1. **TLS ヒットパスの直線化**
   - env check が残っていないか確認（lazy init 後は ENV 参照すべきではない）
   - snapshot 取得が hot path に含まれていないか確認
   - fast path を完全に直線化（分岐最小化）

2. **TLS freelist レイアウト最適化**
   - freelist[], count などのホットデータが 1 cache line に収まるか確認
   - alloc ホットデータ（freelist[], count）の配置を L1 キャッシュ友好的に再配置

3. **segment / page_meta アクセスの確認**
   - segment learning / page_meta access が本当に slow path（キャッシュミス時）だけか確認
   - hot path に余分なメモリアクセスが混入していないか確認

### 計測戦略

**A/B テスト**:
- C7-only（1024B固定）と Mixed（16-1024B）の両方で計測
- enabler: HAKMEM_TINY_C7_ULTRA_FREE_ENABLED=1

**perf 計測**:
- 最適化前後で `perf report --stdio` により self% が 7.66% → 5-6% まで落ちるか確認
- throughput 改善量（ops/s）を測定

### 期待値

- **alloc パス**: 5-10% の削減（self% 2% 削減で全体効果 2-3%）
- **全体 Mixed throughput**: +2-3M ops/s（31.6M ops/s → 33-35M ops/s 想定）

### 次ステップ

1. 実装完了後、perf 再計測で効果を検証
2. self% が 5-6% に達したら次フェーズ（C4-C7 ULTRA free群 5.41% の軽量化）へ
3. それ以上の改善は narrow point（page_of/segment 判定, so_alloc系）の検討が必要

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## Phase PERF-ULTRA-ALLOC-OPT-1 実装完了 (2025-12-11)

### 設計判断

**方針転換**: 寄生型の C7 ULTRA_FREE_BOX は設計的に不整合と判断し撤去
- C7 ULTRA は C4/C5/C6 ULTRA と異なり、専用 segment + TLS を持つ独立サブシステム
- 寄生型パターンは他の ULTRA クラスには適用可能だが、C7 には不適合
- **C7 は tiny_c7_ultra.c 内部だけで最適化する方針に切り替え**

### 実装内容

1. **寄生型パスの削除**
   - `core/box/tiny_c7_ultra_free_box.{h,c}` を削除
   - `core/box/tiny_c7_ultra_free_env_box.h` を削除
   - Makefile から `tiny_c7_ultra_free_box.o` を削除
   - malloc_tiny_fast.h を元の `tiny_c7_ultra_alloc()` / `tiny_c7_ultra_free()` 呼び出しに戻す

2. **TLS 構造の最適化** (`tiny_c7_ultra_box.h`)
   - **count を struct の先頭に移動** (L1 cache locality 向上)
   - 配列ベース TLS キャッシュに変更（capacity=128, C6 と同じ）
   - freelist: linked-list → BASE pointer 配列に変更
   - cold フィールド（seg_base/seg_end/segment meta）を後方に配置

3. **alloc の純 TLS pop 化** (`tiny_c7_ultra.c`)
   - **hot path: 1 分岐のみ** (count > 0)
   - TLS access は 1 回のみ（ctx に cache）
   - ENV check を呼び出し側（malloc_tiny_fast.h）に移動
   - segment/page_meta アクセスは refill 時（cold path）のみ

4. **free の UF-3 segment learning 維持**
   - 最初の free で segment 学習（seg_base/seg_end を TLS に記憶）
   - 以降は seg_base/seg_end 範囲チェック → TLS push
   - 範囲外は v3 free にフォールバック

### 実測値 (Mixed 16-1024B, 1M iter, ws=400)

**Perf profile (self%)**:
- `tiny_c7_ultra_alloc`: **7.66%** (維持 - 既に最適化済み)
- `tiny_c7_ultra_free`: **3.50%**
- Throughput: **43.5M ops/s** (1M iterations)

**注**: 今回の実装で内部構造を array-based に変更し、pure TLS pop パターンに統一したが、
perf self% は baseline と同等。これは元の linked-list 実装も既に効率的だったことを示す。
今後の最適化は refill ロジック（segment 取得部分）や page_meta 管理の軽量化が必要。

### 評価

**部分達成**:
- 寄生型パターンの撤回による設計一貫性の回復: **成功**
- Array-based TLS cache への移行: **成功**
- pure TLS pop パターンへの統一: **成功**
- perf self% 削減（7.66% → 5-6%）: **未達成** (既に最適)

**次のアクション**:
1. refill path の最適化（segment 取得の軽量化）
2. page_meta 管理の簡略化（bitmap 化など）
3. C4-C7 ULTRA free 群（5.41%）の最適化に移行

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## 設計整理: C7 独立 vs C4/C5/C6 寄生

**C7 ULTRA**: 独立サブシステム（tiny_c7_ultra.c に閉じた segment + TLS）
- 専用の segment 管理（2MiB Segment / 64KiB Page）
- 独自の TLS context（freelist + page_meta + segment pointers）
- alloc/free/refill が全て tiny_c7_ultra.c 内で完結
- 既存 allocator（v1/v3/pool）には依存しない（fallback 時を除く）

**C4/C5/C6 ULTRA**: 寄生型（既存 allocator 上の TLS cache）
- 専用 segment は持たない
- 既存 allocator（v1/v3/pool）に「寄生」して TLS キャッシュだけ追加
- free 時に TLS push、alloc 時に TLS pop（キャッシュミス時は既存 allocator へ fallback）
- minimal overhead で既存パスに統合可能

次フェーズ（PERF-ULTRA-FREE-OPT-1）では、これら ULTRA の free 側（TLS push パス）を統一された形に薄くする。