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hakmem/docs/analysis/C7_HOTBOX_DESIGN.md
Moe Charm (CI) 8f18963ad5 Phase 36-37: TinyHotHeap v2 HotBox redesign and C7 current_page policy fixes 
- Redefine TinyHotHeap v2 as per-thread Hot Box with clear boundaries
- Add comprehensive OS statistics tracking for SS allocations
- Implement route-based free handling for TinyHeap v2
- Add C6/C7 debugging and statistics improvements
- Update documentation with implementation guidelines and analysis
- Add new box headers for stats, routing, and front-end management
2025-12-08 21:30:21 +09:00

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C7 HotBox Design Memo
=====================
目的（C7-only、mimalloc 風 TinyHeap、1 本の直線パス）
-------------------------------------------------------
- C7 (≈1KiB) 専用の最短経路を用意し、Gate から 1 本の直線で「取れるなら即返す」を実現する。
- mimalloc 風の「1 ページ＝1 個の free list」を C7HotBox 内に閉じ込め、Superslab/Warm との境界は slow 1 箇所に集約する。
- Box 化により、HAKMEM_TINY_C7_HOT=0 で完全に元の経路へ戻せる（Fail-Fast + Revertable）。
新しく導入する struct / 関数名の候補
------------------------------------
- `tiny_c7_page_t` : C7 ページのローカルメタ
- `void* free_list;` // ページ内 free list 先頭（BASE）
- `uint16_t used;` // 現在使用数
- `uint16_t capacity;` // ページ内の最大ブロック数
- `TinySlabMeta* meta;` / `SuperSlab* ss;` // 下層判定に必要なら保持
- `tiny_c7_heap_t` : スレッド専用の C7 ヒープ箱
- `tiny_c7_page_t* current_page;`
- `tiny_c7_page_t* partial_pages;` // まだ空きがあるページのリング/リスト
- `tiny_c7_page_t* full_pages;` // full になったページ
- API（全て static inline で HotBox に閉じ込める）
- `tiny_c7_heap_t* tiny_c7_heap_for_thread(void);` // TLS からヒープを取得
- `void* tiny_c7_alloc_fast(size_t size);` // 1024 確定サイズ前提のホットパス
- `void* tiny_c7_alloc_slow_from_heap(tiny_c7_heap_t*);` // Superslab/Warm 境界はここ 1 箇所
- `void tiny_c7_free_fast(void* p);` // C7 free ホットパス
- `tiny_c7_page_t* tiny_c7_page_of(void* p);` // ポインタ→ページの helper（クラス判定は既存メタを利用）
- `void tiny_c7_page_becomes_empty(tiny_c7_page_t*);` // 全 free 判定後にのみ下層へ返す
フロー図（境界は 1 箇所）
------------------------
- alloc: `Gate → (size==1024 && HOT=1) → C7HotBox → (足りなければ) Superslab/Warm 経路`
- free : `Gate → C7HotBox（page 内で完結）→ (全 free なら) Superslab/Tier/Guard に返す`
A/B 切替ポリシー（HAKMEM_TINY_C7_HOT）
--------------------------------------
- `HAKMEM_TINY_C7_HOT=1` : C7HotBox を有効化。Gate で `class_idx==7` を検出したときだけ `tiny_c7_alloc_fast` / `tiny_c7_free_fast` を経由する。
- `HAKMEM_TINY_C7_HOT=0` : 完全に従来経路へフォールバック（Unified Cache / Warm / Superslab の既存ルート）。
- ENV で即時戻せるようにし、Box 境界は slow helper（`tiny_c7_alloc_slow_from_heap` / `tiny_c7_page_becomes_empty`）1 箇所に集約する。
- TinyHeap プロファイル: `HAKMEM_TINY_HEAP_PROFILE` を導入（LEGACY/C7_SAFE/C7_ULTRA_BENCH/CUSTOM）。
- C7_SAFE: class mask=0x80, C7 meta_mode=1（SAFE）、`HAKMEM_TINY_HEAP_BOX` 自動 ON。C7_HOT は別途 1 を推奨。
- C7_ULTRA_BENCH: class mask=0x80, C7 meta_mode=2（bench 専用）。
- CUSTOM: 既存の `HAKMEM_TINY_HEAP_CLASSES` / `HAKMEM_TINY_C7_META_MODE` を直接指定。
- 推奨セット:
- 本番寄せ C7: `HAKMEM_TINY_HEAP_PROFILE=C7_SAFE HAKMEM_TINY_C7_HOT=1 HAKMEM_TINY_LARSON_FIX=1`
- C7-only bench: `HAKMEM_TINY_HEAP_PROFILE=C7_ULTRA_BENCH HAKMEM_TINY_C7_HOT=1 HAKMEM_TINY_LARSON_FIX=1`
- 補足: class6 にも対称の Hot front（`HAKMEM_TINY_C6_HOT` + class mask）を追加済みだが、C6 は回帰が大きく bench/実験専用のまま。
- Phase16: Route Snapshot Box (`tiny_route_env_box.h`) を追加し、Gate は「size→class→route LUT→heap/legacy」の 1 分岐構造に整理。C7 SAFE profile でも mixed での回帰を縮めつつ、C7-only は LEGACY≈39.7M / SAFE≈41.1M / ULTRA≈46.1M (20k/ws=64, Release, LARSON_FIX=1)。
現状の位置づけ (Phase 19)
--------------------------
- C7 SAFE: C7-only 20k/ws64 ≈46.6M ops/s、Mixed 16–1024B は LEGACY と ±1M 以内。C7-heavy で推奨。
- C7 ULTRA_BENCH: C7-only 20k/ws64 ≈52M（bench 専用、Superslab/Tier 統計は緩むため本番では OFF）。
- C6 TinyHeap: C6-heavy / Mixed で throughput が明確に悪化（例: LEGACY≈44.3M → C6 TinyHeap≈38.6M）。`HAKMEM_TINY_HEAP_CLASSES=0x40/0xC0` は bench/実験専用マスクとして扱う。
メモ
----
- Remote Queue / Ownership / Publish/Adopt は触らず、C7HotBox は「C7 専用 TinyHeap」だけを責務とする。
- 可視化はワンショットまたは軽いカウンタのみ（常時ログは禁止）。
Phase 1.1: lookup 削減メモ
--------------------------
- free ホットパスから二重 lookup を除去:
- `tiny_c7_free_fast_with_meta(ss, slab_idx, base)` を追加し、Gate が持っている Superslab/スラブ index をそのまま渡す経路を用意。
- Larson fix (`HAKMEM_TINY_LARSON_FIX!=0`) で owner==self を確認できた場合のみ、この meta 渡し free を使う。cross-thread は従来通り remote queue へ。
- fallback 用の `tiny_c7_free_fast()` は安全側として残し、lookup が必要な場合だけ slow 経路へ倒す。
- `tiny_c7_page_of()` を TLS fast-first 化:
- TLS C7 slab の範囲内であれば `hak_super_lookup`/`slab_index_for` を呼ばずに即 attach。
- 範囲外のみ従来の Superslab lookup にフォールバック。
Phase 2: 可視化と Tiny lane 整合
---------------------------------
- `HAKMEM_TINY_C7_HEAP_STATS` を追加し、C7 TinyHeap 内のステップ別カウンタ（alloc_fast_current / alloc_slow_prepare / free_fast_local / free_slow_fallback / alloc_prepare_fail / alloc_fail）を計測できるようにした。`HAKMEM_TINY_C7_HEAP_STATS_DUMP=1` で終了時にダンプ。
- meta 軽量化の足場として `HAKMEM_TINY_C7_META_LIGHT` を追加（Phase 3 でベンチ用実装を追加）。
- Gate (`hak_alloc_at`) で size==1024 かつ TinyHeap front ON の場合は Tiny lane 失敗扱いにせず、最後まで TinyHeapBox 経路として扱うようにして警告を抑止。
- 参考値（C7-only 20k, stats ON）: alloc_fast_current=10052 / alloc_slow_prepare=7681 / free_fast_local=10053 / free_slow_fallback=0 / alloc_prepare_fail=0 / alloc_fail=0。
Phase 3: stride キャッシュ + meta-light（bench）
------------------------------------------------
- `tiny_heap_class_t` に stride キャッシュを持たせ、ctx 初期化時に全クラスの stride を前計算。alloc/pop は hcls->stride を直接参照。
- free 側で class7 は「free した page を current_page に優先」するように変更し、alloc_slow_prepare を減らす方向へ調整。
- `HAKMEM_TINY_C7_META_LIGHT=1` で meta->used / ss_active_* の per-alloc 更新をスキップする実験モードを実装（デフォルト OFF、Superslab/Tier stats は本番向けでは緩むため bench 専用）。
- ベンチ（C7-only 20k/ws=64, Release):
- legacy (HEAP_BOX=0 HOT=1): ≈42.5M ops/s
- TinyHeap front (HEAP_BOX=1 HOT=1 LARSON_FIX=1, META_LIGHT=0): ≈43.2M ops/s、stats=alloc_fast_current=10052 / alloc_slow_prepare=7681 / free_fast_local=10053
- TinyHeap front + meta-light (META_LIGHT=1): ≈48.1M ops/s、stats=alloc_fast_current=5837 / alloc_slow_prepare=5179 / free_fast_local=8727
Phase 4: meta-light をページ境界バッチ flush 化（bench 用）
------------------------------------------------
- `tiny_heap_page_t` に C7 delta (`c7_used_delta` / `c7_active_delta`) を持たせ、meta-light ON では per-alloc で meta/active を触らず delta のみ更新。
- ページが empty になる/ノード解放時に `tiny_c7_meta_flush_page()` で delta をまとめて meta->used / total_active_blocks に反映（負 delta は `ss_active_dec_one` ループで処理する素朴版）。
- 依然として bench/研究用フラグでデフォルト OFF（本番 stats は OFF 時の挙動を維持）。
- ベンチ（C7-only 20k/ws=64, Release):
- META_LIGHT=0: ≈41.9M ops/s（alloc_fast_current=10052 / alloc_slow_prepare=7681 / free_fast_local=10053）
- META_LIGHT=1（バッチ flush）: ≈53.5M ops/s（alloc_fast_current=11013 / alloc_slow_prepare=3 / free_fast_local=9294）
Phase 5: delta debug フック（meta-light 検証用）
---------------------------------------------
- `HAKMEM_TINY_C7_DELTA_DEBUG` を追加し、meta-light ON で `tiny_c7_heap_debug_dump_deltas()`（core/box/tiny_heap_box.h）から class7 ノードの delta を stderr に出力できるようにした。
- `core/hakmem_tiny.c` の destructor でも同 helper を呼び、`HAKMEM_TINY_C7_META_LIGHT=1 HAKMEM_TINY_C7_DELTA_DEBUG=1` のときベンチ終了時に自動ダンプ。
- 長時間 C7-only ベンチ例 (ws=64, Release):
- 100k: META_LIGHT=1+DELTA_DEBUG ≈51.3M ops/s、delta 残 = idx0 used_delta=7669 active_delta=7669 used=6。
- 200k: META_LIGHT=1+DELTA_DEBUG ≈48.1M ops/s、delta 残 = idx0 used_delta=14727 active_delta=14727 used=6。
- delta が live page に残り続ける（empty/release でのみ flush する設計のため）ことが見えた。今後は閾値 flush や current/partial の入替で長時間ランでも delta を抑える改善を検討。
Phase 6: delta 閾値 flush + attach clamp（bench）
------------------------------------------------
- `tiny_c7_delta_should_flush()` を追加し、C7 meta-light ON かつ `|delta| >= max(256, capacity*16)` のときホットパスから `tiny_c7_meta_flush_page()` を呼び出すようにした。per-alloc atomic を避けつつ delta を capacity 数倍にバウンド。
- `tiny_heap_attach_page()` で C7 meta-light 有効時は `used` を `capacity` へ clamp + c7_delta を 0 クリアし、過去ランの meta->used が膨らんでいても TLS ノードを安全に再利用できるようにした。
- ベンチ (C7-only 20k/ws=64, Release):
- Legacy HEAP_BOX=0 HOT=1: ≈42.5M ops/s
- TinyHeap HEAP_BOX=1 HOT=1 LARSON_FIX=1 META_LIGHT=0: ≈43.1M ops/s
- TinyHeap META_LIGHT=1 (閾値 flush/clamp): ≈42.6M ops/s
- 長時間 C7-only (ws=64, DELTA_DEBUG=1):
- 100k: `[C7_DELTA_SUMMARY] nonzero_pages=0 used_delta_sum=0 active_delta_sum=0`
- 200k: 同上 (delta 0) → delta が無制限に積もらないことを確認。
Phase 7: クラス選択式 TinyHeap（C6/C5 拡張のためのゲート）
------------------------------------------------------
- ENV `HAKMEM_TINY_HEAP_CLASSES` を追加（bitmask、デフォルト 0x80=C7 のみ）。`tiny_heap_class_route_enabled(cls)` で TinyHeap front を使うクラスを判定し、C6/C5 も段階的に TinyHeap へ載せ替え可能にした。
- Gate: `malloc_tiny_fast` / `free_tiny_fast` がクラスごとに TinyHeap 経路を選択。C7 は `tiny_c7_heap_mode_enabled()`（`HAKMEM_TINY_C7_HOT` 連動）を維持しつつ、他クラスは `tiny_heap_alloc/free_class_fast()` を使う薄ラッパで扱う。
- TLS SLL 側もクラス単位で分離し、`sll_refill_small_from_ss` / `sll_refill_batch_from_ss` / `hak_tiny_prewarm_tls_cache` が TinyHeap クラスを早期 return/skip。C7 は「TinyHeapBox ↔ Superslab/Tier/Guard」だけを踏む二層構造のまま。
Phase 8: C6 を TinyHeap に載せた観測
-------------------------------------
- TinyHeap ON + `HAKMEM_TINY_HEAP_CLASSES=0x40` で C6 を TinyHeap に載せ、SLL/prewarm/refill が early return していることを確認（C7 と同じ二層構造で動作）。
- ベンチ (Release, iters=20k, ws=256, min=257 max=768): TinyHeap OFF ≈45.7M ops/s、C6 TinyHeap ≈39.7M ops/s、C6+C7 TinyHeap (mask=0xC0) ≈34.1M ops/s。
- Mixed 16–1024B (iters=20k, ws=256): TinyHeap OFF ≈46.8M ops/s、C7 only TinyHeap ≈39.4M ops/s、C6+C7 TinyHeap ≈33.8M ops/s。いずれも Tiny lane failed 警告が出るケースあり（Gate 側の判定/フォールバック整理が今後の課題）。
Phase 9: Tiny lane 判定を TinyHeap と揃える
------------------------------------------
- Gate (`hak_alloc_at`) が TinyHeap 経路を「Tiny lane の成功」として扱うように修正。class_idx を保持し、TinyHeap クラスなら TinyHeap 直接呼び出しも試行し、NULL の場合は静かなフォールバック（警告は legacy Tiny route のみ）。
- 警告抑止後のベンチ (Release, iters=20k, ws=256):
- C6 偏重 (min=257 max=768): OFF≈47.8M / C6 only TinyHeap≈39.2M / C6+C7 TinyHeap≈31.3M（警告なし）。
- Mixed 16–1024B: OFF≈47.6M / C7 only TinyHeap≈36.9M / C6+C7 TinyHeap≈30.3M（警告なし）。
- 依然として性能は TinyHeap OFF より低いケースがあるため、C6/C7 の slow_prepare 削減や current_page 利用強化を次フェーズで行う。
Phase ULTRA: C7 meta モードの三段化（bench 専用 ULTRA 追加）
------------------------------------------------------------
- ENV `HAKMEM_TINY_C7_META_MODE` を追加（0:OFF, 1:SAFE meta-light=従来の delta+閾値 flush/clamp, 2:ULTRA）。未指定時は `HAKMEM_TINY_C7_META_LIGHT` を後方互換ゲートとして扱い SAFE=1 相当。
- ULTRA(mode=2) は C7-only ベンチ専用。per-alloc で meta->used / ss_active_* を一切更新せず、delta/flush もスキップする高速モード。2024-xx-xx 時点で pop/push の meta->freelist/carved atomic も省略し、ベンチ専用の最小オーバーヘッド構成にしている（Box 境界は維持しつつ Superslab/Tier の統計整合は犠牲にする）。
- SAFE(mode=1) はこれまでのページ境界 flush + 閾値 flush + attach clamp を維持し、本番で使うなら mode=0/1。ULTRA は「bench/研究用途のみ」と明記。
- C7-only 20k/ws=64 (Release, HEAP_BOX=1, HEAP_CLASSES=0x80, HOT=1, LARSON_FIX=1):
- mode=0: ≈38.7M ops/s（alloc_fast_current=10052 / alloc_slow_prepare=7681）
- mode=1: ≈34.1M ops/s（alloc_fast_current=5837 / alloc_slow_prepare=5179）
- mode=2: ≈41.6M ops/s（alloc_fast_current=5948 / alloc_slow_prepare=5068）
- current_page 可視化（Phase 11）: `g_c7_page_stats` を追加し、prepare_calls / prepare_with_current_null / prepare_from_partial / current_set_from_free / current_dropped_to_partial を `HAKMEM_TINY_C7_HEAP_STATS=1` でダンプ。C7-only ULTRA (20k/ws=64) では `prepare_with_current_null=prepare_calls` となり、free 側で current_page を保持できていないことが見えたため、current 固定化ポリシーを継続検討中。
- current 固定化の初期版（ULTRA 専用）: empty/full での unlink を避け、free 後は常に current_page に据え置く + prepare で current を優先するように変更。C7-only 20k/ws=64 (mode=2) で ops≈52.0M、alloc_fast_current=11015 / alloc_slow_prepare=1 / prepare_calls=1 まで改善。SAFE への逆輸入は未定（ULTRA は bench 限定）。
- SAFE (mode=1) への current ポリシー逆輸入 (Phase 12):
- free で used>0 の page を current に据え直し、empty でも delta flush のみで detach/publish を避けて current を保持。mark_full でも C7 meta_light が current を指す場合は unlink しない。
- prepare_page も C7 meta_light で current に空きがあれば即 return（refill へ降りない）。
- ベンチ (C7-only, ws=64, HEAP_BOX=1, HEAP_CLASSES=0x80, HOT=1, LARSON_FIX=1): SAFE mode=1 20k ≈46.6M ops/s（alloc_fast_current=11015 / alloc_slow_prepare=1 / free_fast_local=8726, prepare_calls=1）。長時間 100k≈46.7M / 200k≈44.99M、`HAKMEM_TINY_C7_DELTA_DEBUG=1` でも delta 残 0 を確認。
- ULTRA(mode=2) は bench 専用のまま。本番寄り構成は mode=0/1 を推奨。
Phase 13: mixed での SAFE 効果と multi-class stats
---------------------------------------------------
- Stats を `TinyHeapClassStats[]` に拡張（ENV: `HAKMEM_TINY_HEAP_STATS` / `_DUMP`、旧 `_C7_` 互換）し、C6/C7 の fast/slow/fallback を同時に計測可能にした。
- Mixed 16–1024B (iters=20k, ws=256, LARSON_FIX=1):
- TinyHeap OFF: ≈43.7M ops/s。
- C7 SAFE のみ TinyHeap (`HEAP_BOX=1 HEAP_CLASSES=0x80 META_MODE=1 HOT=1`): ≈44.9M ops/s（`HEAP_STATS[7] fast=5691 slow_prepare=1`）。
- C6+C7 TinyHeap (`HEAP_CLASSES=0xC0`): ≈39.3M ops/s（`HEAP_STATS[6] fast=2744 slow=1`, `HEAP_STATS[7] fast=5691 slow=1`）。
- C6 偏重 (min=257 max=768):
- TinyHeap OFF: ≈43.8M ops/s。
- C6 TinyHeap のみ: ≈38.5M ops/s（`HEAP_STATS[6] fast=5372 slow=1`）。
- C6+C7 TinyHeap: ≈40.6M ops/s（`HEAP_STATS[6] fast=5372 slow=1`, `HEAP_STATS[7] fast=5691 slow=1`）。
- 方針: C7 SAFE は mixed でも悪化せず、C7-only では legacy 超え → デフォルト TinyHeap 候補。C6 は slow_prepare 自体は少ないが経路オーバーヘッドで低下するため、当面は bench/実験用 (HEAP_CLASSES=0x40/0xC0)。C7-only を突き抜けるベンチは ULTRA (META_MODE=2) を手動で使う。
Phase 17: C7 フロント超直線化（HotPipeline 前倒し）
----------------------------------------------------
- Route Snapshot を使った C7 判定ヘルパ `tiny_c7_front_uses_heap()` を追加。Gate から class7 が TinyHeap 経路かどうかを 1 LUT で判定できるようにした。
- `malloc_tiny_fast` の冒頭に「size==1024 かつ C7 route=HEAP」専用パスを追加。クラス判定/LUT/route を飛ばして `tiny_c7_alloc_fast` へ直行し、miss 時だけ Legacy Tiny slow (`tiny_cold_refill_and_alloc(7)`) に静かにフォールバック。
- `free_tiny_fast` も C7 route=HEAP を先に評価し、Larson fix ブロックの owner 判定後に `tiny_c7_free_fast_with_meta` へ直行する経路を明示（route はスナップショットから 1 回だけ読む）。
- ベンチ (Release, iters=20k, ws=64, LARSON_FIX=1, HOT=1):
- C7-only: PROFILE=LEGACY ≈37.1M / C7_SAFE ≈38.2M / C7_ULTRA_BENCH ≈45.3M ops/s。
- Mixed 16–1024B (ws=256): PROFILE=LEGACY ≈40.3M / C7_SAFE ≈40.7M ops/s（差 ~-1M まで縮小）。
- 今後の選択肢メモ: (A) C6 TinyHeap を C7 SAFE 流（current 固定＋meta-light SAFE）に寄せるか、(B) Tiny front/gate/UC の命令削減を perf で詰めるかを次フェーズで決める。
Phase 18 メモ（C6 SAFE 実験とプロファイル整理）
------------------------------------------------
- TinyHeap プロファイル箱に加え、`HAKMEM_TINY_C6_META_MODE`（0/1）を追加。現状の C6 SAFE は整合優先で挙動は mode 0 相当（delta/flush 未使用、meta/active は per-alloc 更新）だが、クラスマスクで C6 を TinyHeap に載せたまま A/B 計測できる。
- C6 偏重 20k/ws=256 では LEGACY ≈44.3M → C6 TinyHeap (mask=0x40, META_MODE=0/1) ≈38.6〜38.8M、C6+C7 TinyHeap (0xC0, META_MODE=1) ≈39.9M。Mixed 16–1024B でも C6 TinyHeap は ≈38.5〜38.7M、C6+C7 TinyHeap ≈39.5M（slow_prepare はいずれも ≈1 と低い）。
- デフォルト profile は引き続き C7 SAFE / C7 ULTRA_BENCH / LEGACY の 3 択。C6 を TinyHeap に載せるのは bench/研究用（クラスマスク 0x40/0xC0 を明示）とし、本番では 0x80=C7 のみを推奨。C6 向け meta-light を安全に再導入する場合は Superslab 解放まわりの安全性を再確認する。
TinyHeapBox への載せ替え（Phase 1.0 構造）
------------------------------------------
- C7HotBox の実体を `core/box/tiny_heap_box.h` の汎用 TinyHeapBox 上に配置し、型は `tiny_heap_ctx_t` / `tiny_heap_page_t` へ統一。
- ENV `HAKMEM_TINY_HEAP_BOX=1` かつ `HAKMEM_TINY_C7_HOT=1` のとき、Gate から class7 の alloc/free を TinyHeap front 経由に切り替える。
- TinyHeapBox は class ごとに current/partial/full と固定ノードを TLS に保持し、下層 Box (Warm/Superslab/Tier/Guard) との接続は `tiny_heap_alloc_slow_from_class()` / `tiny_heap_page_becomes_empty()` の 1 箇所に集約。
- C7 固有 API は薄いラッパのみ (`tiny_c7_alloc_fast` / `tiny_c7_free_fast_with_meta` など) とし、今後 C5〜C6 も同じ基盤に載せ替えられる構造にした。
- C7 + TinyHeap front では TLS SLL 経路を完全に無効化し、refill/prewarm/push/slow path すべてを TinyHeapBox↔Superslab/Tier/Guard の二層に固定した（`HAKMEM_TINY_SLL_LOG_ANY=1` でも C7 push ログ 0、20k ループ完走）。
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