# Phase 6.15 P1.5 完了報告: TLSマガジン化 + 最適化

**Date**: 2025-10-22
**Status**: ✅ 完了
**Goal**: ChatGPT P1.5 実装（TLSマガジン化 + グローバルロック撤廃）の性能評価

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## 🎉 **Executive Summary**

### **最大の成果: string-builder が実行可能に！** 🎊

| Phase | string-builder | 結果 |
|-------|----------------|------|
| **P0** | ❌ タイムアウト | 実行不可 |
| **P1** | ❌ タイムアウト | 実行不可 |
| **P1.5** | **83ns/op (11.9M ops/sec)** ✅ | **動いた！** 🚀 |

**mimalloc 比較**: 14ns/op (67.8M ops/sec) → **5.9倍遅い** が、実行可能になったことが重要

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## 📊 **ベンチマーク結果詳細**

### **Scenario 1: string-builder (8-64B, 小サイズ)**

| Allocator | 平均時間 | ops/sec | vs system | vs mimalloc |
|-----------|----------|---------|-----------|-------------|
| **system** | 16ns | 62.3M | baseline | -8.1% |
| **mimalloc** | 14ns | 67.8M | +8.8% | baseline |
| **hakmem P0** | ❌ タイムアウト | ❌ | ❌ | ❌ |
| **hakmem P1** | ❌ タイムアウト | ❌ | ❌ | ❌ |
| **hakmem P1.5** | **83ns** | **11.9M** | **-81.0%** | **-82.4%** |

**P0/P1 vs P1.5**: **実行不可 → 実行可能** ← **ブレークスルー！** 🎉

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### **Scenario 2: json (64KB, 中サイズ)**

| Allocator | 平均時間 | ops/sec | vs system | vs mimalloc |
|-----------|----------|---------|-----------|-------------|
| **system** | 213ns | 4.68M | baseline | +24.6% |
| **mimalloc** | 266ns | 3.76M | -19.9% | baseline |
| **hakmem P0** | 291ns | 3.43M | -26.8% | -8.6% |
| **hakmem P1** | 279ns | 3.58M | -23.6% | -4.7% |
| **hakmem P1.5** | **280ns** | **3.56M** | **-23.9%** | **-5.3%** |

**P1 vs P1.5**: ほぼ同等（+0.4% = 誤差範囲）

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### **Scenario 3: mir (256KB, 大サイズ)**

| Allocator | 平均時間 | ops/sec | vs system | vs mimalloc |
|-----------|----------|---------|-----------|-------------|
| **system** | 844ns | 1.18M | baseline | +14.1% |
| **mimalloc** | 963ns | 1.04M | -12.4% | baseline |
| **hakmem P0** | 888ns | 1.13M | -4.9% | +2.6% |
| **hakmem P1** | 880ns | 1.14M | -4.1% | **+9.4%** ✅ |
| **hakmem P1.5** | **911ns** | **1.10M** | **-7.4%** | **+5.7%** ✅ |

**P1 vs P1.5**: 3.5%悪化（880ns → 911ns）⚠️

**mimalloc 比較**: 依然として **5.7%速い！** 🚀

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## 🔍 **P0 → P1 → P1.5 進化の軌跡**

| Phase | 実装内容 | string-builder | json | mir |
|-------|---------|----------------|------|-----|
| **P0** | グローバルロック | ❌ タイムアウト | 291ns | 888ns |
| **P1** | シャードロック化 | ❌ タイムアウト | 279ns (-4.1%) | 880ns (-0.9%) |
| **P1.5** | **TLSマガジン化** | **83ns ✅** | 280ns (+0.4%) | 911ns (+3.5%) |

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## 🛠️ **P1.5 実装詳細** (ChatGPT提供)

### **1. グローバルロック撤廃 + 再入ガード維持**
- `hakmem.c`: malloc/free/calloc/realloc から `g_hakmem_lock` 削除
- `__thread g_hakmem_lock_depth` のみ残存（デッドロック回避）
- 内部再入は `__libc_malloc` へフォールバック

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### **2. L2 Pool (2-32KB) 細粒度ロック化**
- `hakmem_pool.c`: クラス×シャードのパディングMutex (64B)
- `nonempty_mask` を `atomic_uint_fast64_t` に変更（原子化）

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### **3. L2.5 Pool (64KB-1MB) シャードロック化**
- `hakmem_l25_pool.c`: シャードロック追加
- `nonempty_mask` 原子化（低コスト）

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### **4. Tiny Pool (≤1KB) TLSマガジン化** ← **最重要！**

**TLSマガジン構造**:
```c
typedef struct {
    void* ptr;         // Block pointer
    void* owner_slab;  // Owner slab (lookup不要化)
} TinyMagazineEntry;

static __thread TinyMagazineEntry tls_magazine[TINY_MAGAZINE_CAP];  // CAP=256
static __thread int tls_mag_count = 0;
```

**メリット**:
- ✅ **ロック不要** で push/pop
- ✅ スピル時の lookup がゼロ（owner_slab 保持）
- ✅ レジストリは読み取りロックフリー（登録/解除のみミューテックス）

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### **5. 64KB ページ/バンドル mmap 化**
- `hakmem_pool.c:164`: 64KBページ補充を mmap に変更（malloc輻輳回避）
- `hakmem_l25_pool.c:186`: バンドル補充も mmap に変更

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### **6. BigCache 偽共有削減**
- `hakmem_bigcache.c`: `BigCacheSlot` を 64B アライン（多コア衝突低減）

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### **7. Site Rules 既定 OFF**
- 環境変数で有効化: `HAKMEM_SITE_RULES=1`
- `hakmem.c:279` でゲート（MT読み書き競合回避）

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## 🏆 **mimalloc 比較まとめ**

| Scenario | hakmem P1.5 | mimalloc | 差 | 勝敗 |
|---------|-------------|----------|-----|------|
| **string-builder (8-64B)** | 83ns | 14ns | **-82.4%** | ❌ 5.9倍遅い |
| **json (64KB)** | 280ns | 266ns | **-5.3%** | ❌ 若干遅い |
| **mir (256KB)** | 911ns | 963ns | **+5.7%** | ✅ **速い！** 🚀 |

**結論**: 大サイズ（256KB）で mimalloc を上回る！小サイズは改善の余地あり。

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## 🎯 **成果と課題**

### ✅ **達成事項**

1. **string-builder が実行可能に！** 🎉
   - P0/P1 でタイムアウト → P1.5 で 83ns/op
   - TLSマガジン化が効いた

2. **大サイズで mimalloc を上回る**
   - mir (256KB) で **5.7%速い** 🚀
   - P1 の +9.4% から少し後退したが、依然として優位

3. **中サイズも健闘**
   - json (64KB) で mimalloc と -5.3%差（許容範囲）

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### ❌ **課題**

1. **小サイズが依然として遅い**
   - string-builder で mimalloc の 5.9倍遅い（83ns vs 14ns）
   - TLSマガジンのオーバーヘッドが大きい可能性

2. **mir が P1 より悪化**
   - P1: 880ns → P1.5: 911ns (+3.5%悪化)
   - mmap 化の影響？要調査

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## 📈 **次のステップ**

### **Option A: 小サイズ最適化** (推奨)

**目標**: string-builder を 83ns → 20-30ns に改善

**手順**:
1. TLSマガジンのキャパシティ調整（256 → 128?）
2. push/pop の実装見直し
3. owner_slab lookup の最適化

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### **Option B: mir 劣化調査**

**目標**: P1 の 880ns に戻す

**手順**:
1. mmap vs malloc のベンチマーク
2. L2.5 Pool のシャードロック影響確認
3. プロファイリング（perf）

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### **Option C: mimalloc-bench 実行** (推奨)

**目標**: 公式ベンチマークで性能確認

**ベンチマーク**:
- larson (8-1024B mixed)
- cache-scratch
- cache-thrash
- mstress

**期待**:
- 大サイズで mimalloc を上回る
- 小サイズで改善の余地確認

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## 📝 **学んだこと**

1. **TLSマガジン化は有効**
   - タイムアウト → 実行可能 に改善
   - ロック競合を回避

2. **トレードオフあり**
   - 小サイズで mimalloc より遅い
   - 大サイズで mimalloc より速い
   - 得意領域を活かす戦略が重要

3. **段階的最適化の重要性**
   - P0 → P1 → P1.5 で着実に改善
   - 各段階で問題点を特定・解決

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## 🚀 **次のアクション**

1. ✅ **ドキュメント更新** (このファイル)
2. ⏭️ **CURRENT_TASK.md 更新**
3. ⏭️ **git commit (P1.5完了)**
4. ⏭️ **mimalloc-bench 実行** ← 次はこれ！

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**Status**: ✅ P1.5 完了、string-builder ブレークスルー達成！
**Next**: mimalloc-bench で実力測定