# hakmem_tiny_free.inc - 構造分析と分割提案

## 1. ファイル全体の概要

**ファイル統計:**
| 項目 | 値 |
|------|-----|
| **総行数** | 1,711 |
| **実コード行** | 1,348 (78.7%) |
| **コメント行** | 257 (15.0%) |
| **空行** | 107 (6.3%) |

**責務エリア別行数:**

| 責務エリア | 行数 | コード行 | 割合 |
|-----------|------|---------|------|
| Free with TinySlab（両パス） | 558 | 462 | 34.2% |
| SuperSlab free path | 305 | 281 | 18.7% |
| SuperSlab allocation & refill | 394 | 308 | 24.1% |
| Main free entry point | 135 | 116 | 8.3% |
| Helper functions | 65 | 60 | 4.0% |
| Shutdown | 30 | 28 | 1.8% |

---

## 2. 関数一覧と構造

**全10関数の詳細マップ:**

### Phase 1: Helper Functions (Lines 1-65)

```
1-15        Includes & extern declarations
16-25       tiny_drain_to_sll_budget()           [10 lines]  ← ENV-based config
27-42       tiny_drain_freelist_to_slab_to_sll_once() [16 lines]  ← Freelist splicing
44-64       tiny_remote_queue_contains_guard()   [21 lines]  ← Remote queue traversal
```

**責務:**
- TLS SLL へのドレイン予算決定（環境変数ベース）
- リモートキューの重複検査
- 重要度: **LOW** (ユーティリティ関数)

---

### Phase 2: Main Free Path - TinySlab (Lines 68-625)

**関数:** `hak_tiny_free_with_slab(void* ptr, TinySlab* slab)` (558行)

**構成:**
```
68-67       入口・コメント
70-133      SuperSlab mode (slab == NULL)       [64 行]
            - SuperSlab lookup
            - Class validation
            - Safety checks (HAKMEM_SAFE_FREE)
            - Cross-thread detection
            
135-206     Same-thread TLS push paths         [72 行]
            - Fast path (g_fast_enable)
            - TLS List push (g_tls_list_enable)
            - HotMag push (g_hotmag_enable)
            
208-620     Magazine/SLL push paths            [413 行]
            - TinyQuickSlot handling
            - TLS SLL push (fast)
            - Magazine push (with hysteresis)
            - Background spill (g_bg_spill_enable)
            - Super Registry spill
            - Publisher final fallback
            
622-625     Closing
```

**内部フローチャート:**

```
hak_tiny_free_with_slab(ptr, slab)
│
├─ if (!slab)  ← SuperSlab path
│  │
│  ├─ hak_super_lookup(ptr)
│  ├─ Class validation
│  ├─ HAKMEM_SAFE_FREE checks
│  ├─ Cross-thread detection
│  │   │
│  │   └─ if (meta->owner_tid != self_tid)
│  │       └─ hak_tiny_free_superslab(ptr, ss)  ← REMOTE PATH
│  │       └─ return
│  │
│  └─ Same-thread paths (owner_tid == self_tid)
│      │
│      ├─ g_fast_enable + tiny_fast_push()  ← FAST CACHE
│      │
│      ├─ g_tls_list_enable + tls_list push  ← TLS LIST
│      │
│      └─ Magazine/SLL paths:
│          ├─ TinyQuickSlot (≤64B)
│          ├─ TLS SLL push (fast, no lock)
│          ├─ Magazine push (with hysteresis)
│          ├─ Background spill (async)
│          ├─ SuperRegistry spill (with lock)
│          └─ Publisher fallback
│
└─ else  ← TinySlab-direct path
   [continues with similar structure]
```

**キー特性:**
- **責務の多重性**: Free path が複数ポリシーを内包
  - Fast path (タイム測定なし)
  - TLS List (容量制限あり)
  - Magazine (容量チューニング)
  - SLL (ロックフリー)
  - Background async
- **責任: VERY HIGH** (メイン Free 処理の 34%)
- **リスク: HIGH** (複数パスの相互作用)

---

### Phase 3: SuperSlab Allocation Helpers (Lines 626-1019)

#### 3a. `superslab_alloc_from_slab()` (Lines 626-709)

```
626-628     入口
630-663     Remote queue drain（リモートキュー排出）
665-677     Remote pending check（デバッグ）
679-708     Linear / Freelist allocation
             - Linear: sequential access (cache-friendly)
             - Freelist: pop from meta->freelist
```

**責務:**
- SuperSlab の単一スラブからのブロック割り当て
- リモートキューの管理
- Linear/Freelist の2パスをサポート
- **重要度: HIGH** (allocation hot path)

---

#### 3b. `superslab_refill()` (Lines 712-1019)

```
712-745     初期化・状態キャプチャ
747-782     Mid-size simple refill（クラス>=4）
785-947     SuperSlab adoption（published partial の採用）
             - g_ss_adopt_en フラグチェック
             - クールダウン管理
             - First-fit slab スキャン
             - Best-fit scoring
             - slab acquisition & binding
             
949-1019    SuperSlab allocation（新規作成）
             - superslab_allocate()
             - slab init & binding
             - refcount管理
```

**キー特性:**
- **複雑度: VERY HIGH**
  - Adoption vs allocation decision logic
  - Scoring algorithm (lines 850-947)
  - Multi-layer registry scan
- **責任: HIGH** (24% of file)
- **最適化ターゲット**: Phase P0 最適化（`nonempty_mask` で O(n) → O(1) 化）

**内部フロー:**
```
superslab_refill(class_idx)
│
├─ Try mid_simple_refill (if class >= 4)
│  ├─ Use existing TLS SuperSlab's virgin slab
│  └─ return
│
├─ Try ss_partial_adopt() (if g_ss_adopt_en)
│  ├─ First-fit or Best-fit scoring
│  ├─ slab_try_acquire()
│  ├─ tiny_tls_bind_slab()
│  └─ return adopted
│
└─ superslab_allocate() (fresh allocation)
   ├─ Allocate new SuperSlab memory
   ├─ superslab_init_slab(slab_0)
   ├─ tiny_tls_bind_slab()
   └─ return new
```

---

### Phase 4: SuperSlab Allocation Entry (Lines 1020-1170)

**関数:** `hak_tiny_alloc_superslab()` (151行)

```
1020-1024   入口・ENV検査
1026-1169   TLS lookup + refill logic
             - TLS cache hit (fast)
             - Linear/Freelist allocation
             - Refill on miss
             - Adopt/allocate decision
```

**責務:**
- SuperSlab-based allocation の main entry point
- TLS キャッシュ管理
- **重要度: MEDIUM** (allocation のみ, free ではない)

---

### Phase 5: SuperSlab Free Path (Lines 1171-1475)

**関数:** `hak_tiny_free_superslab()` (305行)

```
1171-1198   入口・デバッグ
1200-1230   Validation & safety checks
             - size_class bounds checking
             - slab_idx validation
             - Double-free detection
             
1232-1310   Same-thread free path        [79 lines]
             - ROUTE_MARK tracking
             - Direct freelist push
             - remote guard check
             - MidTC (TLS tcache) integration
             - First-free publish detection
             
1312-1470   Remote/cross-thread path     [159 lines]
             - Remote queue enqueue
             - Pending drain check
             - Remote sentinel validation
             - Bulk refill coordination
```

**キー特性:**
- **責務: HIGH** (18.7% of file)
- **複雑度: VERY HIGH**
  - Same-thread vs remote path の分岐
  - Remote queue management
  - Sentinel validation
  - Guard transitions (ROUTE_MARK)

**内部フロー:**
```
hak_tiny_free_superslab(ptr, ss)
│
├─ Validation (bounds, magic, size_class)
│
├─ if (same-thread: owner_tid == my_tid)
│  ├─ tiny_free_local_box() → freelist push
│  ├─ first-free → publish detection
│  └─ MidTC integration
│
└─ else (remote/cross-thread)
   ├─ tiny_free_remote_box() → remote queue
   ├─ Sentinel validation
   └─ Bulk refill coordination
```

---

### Phase 6: Main Free Entry Point (Lines 1476-1610)

**関数:** `hak_tiny_free()` (135行)

```
1476-1478   入口チェック
1482-1505   HAKMEM_TINY_BENCH_SLL_ONLY mode（ベンチ用）
1507-1529   TINY_ULTRA mode（ultra-simple path）
1531-1575   Fast class resolution + Fast path attempt
             - SuperSlab lookup (g_use_superslab)
             - TinySlab lookup (fallback)
             - Fast cache push attempt
             
1577-1596   SuperSlab dispatch
1598-1610   TinySlab fallback
```

**責務:**
- Global free() エントリポイント
- Mode selection (benchmark/ultra/normal)
- Class resolution
- hak_tiny_free_with_slab() への delegation
- **重要度: MEDIUM** (8.3%)
- **責任: Dispatch + routing only**

---

### Phase 7: Shutdown (Lines 1676-1705)

**関数:** `hak_tiny_shutdown()` (30行)

```
1676-1686   TLS SuperSlab refcount cleanup
1687-1694   Background bin thread shutdown
1695-1704   Intelligence Engine shutdown
```

**責務:**
- Resource cleanup
- Thread termination
- **重要度: LOW** (1.8%)

---

## 3. 責任範囲の詳細分析

### 3.1 By Responsibility Domain

**Free Paths:**
- Same-thread (TinySlab): lines 135-206, 1232-1310
- Same-thread (SuperSlab via hak_tiny_free_with_slab): lines 70-133
- Remote/cross-thread (SuperSlab): lines 1312-1470
- Magazine/SLL (async): lines 208-620

**Allocation Paths:**
- SuperSlab alloc: lines 626-709
- SuperSlab refill: lines 712-1019
- SuperSlab entry: lines 1020-1170

**Management:**
- Remote queue guard: lines 44-64
- SLL drain: lines 27-42
- Shutdown: lines 1676-1705

### 3.2 External Dependencies

**本ファイル内で定義:**
- `hak_tiny_free()` [PUBLIC]
- `hak_tiny_free_with_slab()` [PUBLIC]
- `hak_tiny_shutdown()` [PUBLIC]
- All other functions [STATIC]

**依存先ファイル:**
```
tiny_remote.h
├─ tiny_remote_track_*
├─ tiny_remote_queue_contains_guard
├─ tiny_remote_pack_diag
└─ tiny_remote_side_get

slab_handle.h
├─ slab_try_acquire()
├─ slab_drain_remote_full()
├─ slab_release()
└─ slab_is_valid()

tiny_refill.h
├─ tiny_tls_bind_slab()
├─ superslab_find_free_slab()
├─ superslab_init_slab()
├─ ss_partial_adopt()
├─ ss_partial_publish()
└─ ss_active_dec_one()

tiny_tls_guard.h
├─ tiny_tls_list_guard_push()
├─ tiny_tls_refresh_params()
└─ tls_list_* functions

mid_tcache.h
├─ midtc_enabled()
└─ midtc_push()

hakmem_tiny_magazine.h (BUILD_RELEASE=0)
├─ TinyTLSMag structure
├─ mag operations
└─ hotmag_push()

box/free_publish_box.h
box/free_remote_box.h  (line 1252)
box/free_local_box.h   (line 1287)
```

---

## 4. 関数間の呼び出し関係

```
[Global Entry Points]
    hak_tiny_free()
    └─ (1531-1609) Dispatch logic
       │
       ├─> hak_tiny_free_with_slab(ptr, NULL)  [SS mode]
       │   └─> hak_tiny_free_superslab()       [Remote path]
       │
       ├─> hak_tiny_free_with_slab(ptr, slab) [TS mode]
       │
       └─> hak_tiny_free_superslab()           [Direct dispatch]

hak_tiny_free_with_slab(ptr, slab)  [Lines 68-625]
├─> Magazine/SLL management
│   ├─ tiny_fast_push()
│   ├─ tls_list_push()
│   ├─ hotmag_push()
│   ├─ bulk_mag_to_sll_if_room()
│   ├─ [background spill]
│   └─ [super registry spill]
│
└─> hak_tiny_free_superslab()       [Remote transition]
    [Lines 1171-1475]

hak_tiny_free_superslab()
├─> (same-thread) tiny_free_local_box()
│   └─ Direct freelist push
├─> (remote) tiny_free_remote_box()
│   └─ Remote queue enqueue
└─> tiny_remote_queue_contains_guard()  [Duplicate check]

[Allocation]
hak_tiny_alloc_superslab()
└─> superslab_refill()
    ├─> ss_partial_adopt()
    │   ├─ slab_try_acquire()
    │   ├─ slab_drain_remote_full()
    │   └─ slab_release()
    │
    └─> superslab_allocate()
        └─> superslab_init_slab()

superslab_alloc_from_slab()  [Helper for refill]
├─> slab_try_acquire()
└─> slab_drain_remote_full()

[Utilities]
tiny_drain_to_sll_budget()     [Config getter]
tiny_remote_queue_contains_guard()  [Duplicate validation]

[Shutdown]
hak_tiny_shutdown()
```

---

## 5. 分割候補の特定

### **分割の根拠:**

1. **関数数**: 10個 → サイズ大きい
2. **責務の混在**: Free, Allocation, Magazine, Remote queue all mixed
3. **再利用性**: Allocation 関数は独立可能
4. **テスト容易性**: Remote queue と同期ロジックは隔離可能
5. **メンテナンス性**: 558行 の `hak_tiny_free_with_slab()` は理解困難

### **分割可能性スコア:**

| セクション | 独立度 | 複雑度 | サイズ | 優先度 |
|-----------|--------|--------|--------|--------|
| Helper (drain, remote guard) | ★★★★★ | ★☆☆☆☆ | 65行 | **P3** (LOW) |
| Magazine/SLL management | ★★★★☆ | ★★★★☆ | 413行 | **P1** (HIGH) |
| Same-thread free paths | ★★★☆☆ | ★★★☆☆ | 72行 | **P2** (MEDIUM) |
| SuperSlab alloc/refill | ★★★★☆ | ★★★★★ | 394行 | **P1** (HIGH) |
| SuperSlab free path | ★★★☆☆ | ★★★★★ | 305行 | **P1** (HIGH) |
| Main entry point | ★★★★★ | ★★☆☆☆ | 135行 | **P2** (MEDIUM) |
| Shutdown | ★★★★★ | ★☆☆☆☆ | 30行 | **P3** (LOW) |

---

## 6. 推奨される分割案（3段階）

### **Phase 1: Magazine/SLL 関連を分離**

**新ファイル: `tiny_free_magazine.inc.h`** (413行 → 400行推定)

**含める関数:**
- Magazine push/spill logic
- TLS SLL push
- HotMag handling
- Background spill
- Super Registry spill
- Publisher fallback

**呼び出し元から参照:**
```c
// In hak_tiny_free_with_slab()
#include "tiny_free_magazine.inc.h"
if (tls_list_enabled) {
    tls_list_push(class_idx, ptr);
    // ...
}
// Then continue with magazine code via include
```

**メリット:**
- Magazine は独立した "レイヤー" (Policy pattern)
- 環境変数で on/off 可能
- テスト時に完全に mock 可能
- 関数削減: 8個 → 6個

---

### **Phase 2: SuperSlab Allocation を分離**

**新ファイル: `tiny_superslab_alloc.inc.h`** (394行 → 380行推定)

**含める関数:**
```c
static SuperSlab* superslab_refill(int class_idx)
static inline void* superslab_alloc_from_slab(SuperSlab* ss, int slab_idx)
static inline void* hak_tiny_alloc_superslab(int class_idx)
// + adoption & registry helpers
```

**呼び出し元:**
- `hak_tiny_free.inc` (main entry point のみ)
- 他のファイル (already external)

**メリット:**
- Allocation は free と直交
- Adoption logic は独立テスト可能
- Registry optimization (P0) は此処に focused
- Hot path を明確化

---

### **Phase 3: SuperSlab Free を分離**

**新ファイル: `tiny_superslab_free.inc.h`** (305行 → 290行推定)

**含める関数:**
```c
static inline void hak_tiny_free_superslab(void* ptr, SuperSlab* ss)
// + remote/local box includes (inline)
```

**責務:**
- Same-thread freelist push
- Remote queue management
- Sentinel validation
- First-free publish detection

**メリット:**
- Remote queue logic は純粋 (no allocation)
- Cross-thread free は critical path
- Debugging が簡単 (ROUTE_MARK)

---

## 7. 分割後のファイル構成

### **Current:**
```
hakmem_tiny_free.inc (1,711行)
├─ Includes (8行)
├─ Helpers (65行)
├─ hak_tiny_free_with_slab (558行)
│  ├─ Magazine/SLL paths (413行)
│  └─ TinySlab path (145行)
├─ SuperSlab alloc/refill (394行)
├─ SuperSlab free (305行)
├─ hak_tiny_free (135行)
├─ [extracted queries] (50行)
└─ hak_tiny_shutdown (30行)
```

### **After Phase 1-3 Refactoring:**

```
hakmem_tiny_free.inc (450行)
├─ Includes (8行)
├─ Helpers (65行)
├─ hak_tiny_free_with_slab (stub, delegates)
├─ hak_tiny_free (main entry) (135行)
├─ hak_tiny_shutdown (30行)
└─ #include "tiny_superslab_alloc.inc.h"
└─ #include "tiny_superslab_free.inc.h"
└─ #include "tiny_free_magazine.inc.h"

tiny_superslab_alloc.inc.h (380行)
├─ superslab_refill()
├─ superslab_alloc_from_slab()
├─ hak_tiny_alloc_superslab()
├─ Adoption/registry logic

tiny_superslab_free.inc.h (290行)
├─ hak_tiny_free_superslab()
├─ Remote queue management
├─ Sentinel validation

tiny_free_magazine.inc.h (400行)
├─ Magazine push/spill
├─ TLS SLL management
├─ HotMag integration
├─ Background spill
```

---

## 8. インターフェース設計

### **Internal Dependencies (headers needed):**

**`tiny_superslab_alloc.inc.h` は以下を require:**
```c
#include "tiny_refill.h"           // ss_partial_adopt, superslab_allocate
#include "slab_handle.h"           // slab_try_acquire
#include "tiny_remote.h"           // remote tracking
```

**`tiny_superslab_free.inc.h` は以下を require:**
```c
#include "box/free_local_box.h"
#include "box/free_remote_box.h"
#include "tiny_remote.h"           // validation
#include "slab_handle.h"           // slab_index_for
```

**`tiny_free_magazine.inc.h` は以下を require:**
```c
#include "hakmem_tiny_magazine.h"  // Magazine structures
#include "tiny_tls_guard.h"        // TLS list ops
#include "mid_tcache.h"            // MidTC
// + many helper functions already in scope
```

### **New Integration Header:**

**`tiny_free_internal.h`** (新規作成)
```c
// Public exports from tiny_free.inc components
extern void hak_tiny_free(void* ptr);
extern void hak_tiny_free_with_slab(void* ptr, TinySlab* slab);
extern void hak_tiny_shutdown(void);

// Internal allocation API (for free path)
extern void* hak_tiny_alloc_superslab(int class_idx);
extern static void hak_tiny_free_superslab(void* ptr, SuperSlab* ss);

// Forward declarations for cross-component calls
struct TinySlabMeta;
struct SuperSlab;
```

---

## 9. 分割後の呼び出しフロー（改善版）

```
[hak_tiny_free.inc]
hak_tiny_free(ptr)
  ├─ mode selection (BENCH, ULTRA, NORMAL)
  ├─ class resolution
  │  └─ SuperSlab lookup OR TinySlab lookup
  │
  └─> (if SuperSlab)
      ├─ DISPATCH: #include "tiny_superslab_free.inc.h"
      │  └─ hak_tiny_free_superslab(ptr, ss)
      │     ├─ same-thread: freelist push
      │     └─ remote: queue enqueue
      │
      └─ (if TinySlab)
          ├─ DISPATCH: #include "tiny_superslab_alloc.inc.h"  [if needed for refill]
          └─ DISPATCH: #include "tiny_free_magazine.inc.h"
             ├─ Fast cache?
             ├─ TLS list?
             ├─ Magazine?
             ├─ SLL?
             ├─ Background spill?
             └─ Publisher fallback?

[tiny_superslab_alloc.inc.h]
hak_tiny_alloc_superslab(class_idx)
  └─ superslab_refill()
     ├─ adoption: ss_partial_adopt()
     └─ allocate: superslab_allocate()

[tiny_superslab_free.inc.h]
hak_tiny_free_superslab(ptr, ss)
  ├─ (same-thread) tiny_free_local_box()
  └─ (remote) tiny_free_remote_box()

[tiny_free_magazine.inc.h]
magazine_push_or_spill(class_idx, ptr)
  ├─ quick slot?
  ├─ SLL?
  ├─ magazine?
  ├─ background spill?
  └─ publisher?
```

---

## 10. メリット・デメリット分析

### **分割のメリット:**

| メリット | 詳細 |
|---------|------|
| **理解容易性** | 各ファイルが単一責務（Free / Alloc / Magazine）|
| **テスト容易性** | Magazine 層を mock して free path テスト可能 |
| **リビジョン追跡** | Magazine スパイル改善時に superslab_free は影響なし |
| **並列開発** | 3つのファイルを独立で開発・最適化可能 |
| **再利用** | `tiny_superslab_alloc.inc.h` を alloc.inc でも再利用可能 |
| **デバッグ** | 各層の enable/disable フラグで検証容易 |

### **分割のデメリット:**

| デメリット | 対策 |
|-----------|------|
| **include 増加** | 3個 include (acceptable, `#include` guard) |
| **複雑度追加** | モジュール図を CLAUDE.md に記載 |
| **circular dependency risk** | `tiny_free_internal.h` で forwarding declaration |
| **マージ困難** | git rebase 時に conflict (minor) |

---

## 11. 実装ロードマップ

### **Step 1: バックアップ**
```bash
cp core/hakmem_tiny_free.inc core/hakmem_tiny_free.inc.bak
```

### **Step 2: `tiny_free_magazine.inc.h` 抽出**
- Lines 208-620 を新ファイルに
- External function prototype をヘッダに
- hakmem_tiny_free.inc で `#include` に置換

### **Step 3: `tiny_superslab_alloc.inc.h` 抽出**
- Lines 626-1019 を新ファイルに
- hakmem_tiny_free.inc で `#include` に置換

### **Step 4: `tiny_superslab_free.inc.h` 抽出**
- Lines 1171-1475 を新ファイルに
- hakmem_tiny_free.inc で `#include` に置換

### **Step 5: テスト & ビルド確認**
```bash
make clean && make
./larson_hakmem ...  # Regression テスト
```

---

## 12. 現在の複雑度指標

**サイクロマティック複雑度 (推定):**

| 関数 | CC | リスク |
|------|----|----|
| hak_tiny_free_with_slab | 28 | ★★★★★ CRITICAL |
| superslab_refill | 18 | ★★★★☆ HIGH |
| hak_tiny_free_superslab | 16 | ★★★★☆ HIGH |
| hak_tiny_free | 12 | ★★★☆☆ MEDIUM |
| superslab_alloc_from_slab | 4 | ★☆☆☆☆ LOW |

**分割により:**
- hak_tiny_free_with_slab: 28 → 8-12 (中規模に削減)
- 複数の小さい関数に分散
- 各ファイルが「焦点を絞った責務」に

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## 13. 関連ドキュメント参照

- **CLAUDE.md**: Phase 6-2.1 P0 最適化 (superslab_refill の O(n)→O(1) 化)
- **HISTORY.md**: 過去の分割失敗 (Phase 5-B-Simple)
- **LARSON_GUIDE.md**: ビルド・テスト方法

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## サマリー

| 項目 | 現状 | 分割後 |
|------|------|--------|
| **ファイル数** | 1 | 4 |
| **総行数** | 1,711 | 1,520 (include overhead相殺) |
| **平均関数サイズ** | 171行 | 95行 |
| **最大関数サイズ** | 558行 | 305行 |
| **理解難易度** | ★★★★☆ | ★★★☆☆ |
| **テスト容易性** | ★★☆☆☆ | ★★★★☆ |

**推奨実施:** **YES** - Magazine/SLL + SuperSlab free を分離することで
- 主要な複雑性 (CC 28) を 4-8 に削減
- Free path と allocation path を明確に分離
- Magazine 最適化時の影響範囲を限定