hakmem/docs/analysis/RANDOM_MIXED_SUMMARY.md

Random Mixed ボトルネック分析 - 返答フォーマット

Random Mixed ボトルネック分析

1. Cycles 分布

Layer	Target Classes	Hit Rate	Cycles	Status
Ring Cache	C2-C3 only	0% (OFF)	N/A	Not enabled
HeapV2	C0-C3	88-99%	Low (2-3)	Working ✅
TLS SLL	C0-C7	0.7-2.7%	Medium (8-12)	Fallback only
SuperSlab refill	All classes	~2-5% miss	High (50-200)	BOTTLENECK 🔥
UltraHot	C1-C2	N/A	Medium	OFF (Phase 19)

• Ring Cache: Low (2-3 cycles) - ポインタチェイス削減（未使用）
• HeapV2: Low (2-3 cycles) - Magazine供給（C0-C3のみ有効）
• TLS SLL: Medium (8-12 cycles) - Fallback層、複数classで枯渇
• SuperSlab refill: High (50-200 cycles) - Metadata走査+carving（支配的）
• UltraHot: Medium - デフォルトOFF（Phase 19で削除）

ボトルネック: SuperSlab refill (50-200 cycles/refill) - Random Mixed では class切り替え多発により TLS SLL が頻繁に空になり、refill多発

---

2. FrontMetrics 状況

• 実装: ✅ ある (core/box/front_metrics_box.{h,c})
• HeapV2: 88-99% ヒット率 → C0-C3 では本命層として機能中
• UltraHot: デフォルト OFF （Phase 19-4で +12.9% 改善のため削除）
• FC/SFC: 実質無効化

Fixed vs Mixed の違い:

側面	Fixed 256B	Random Mixed
使用クラス	C5 のみ	C3, C5, C6, C7 (混在)
Class切り替え	0 (固定)	頻繁 (毎iteration)
HeapV2適用	非適用	C0-C3のみ（部分）
TLS SLL hit率	High	Low（複数class枯渇）
Refill頻度	低い（C5 warm保持）	高い（class毎に空）

死んでいる層: C4-C7 (128B-1KB) が全く最適化されていない

• C0-C3: HeapV2 ✅
• C4: Ring ❌, HeapV2 ❌, UltraHot ❌ → 素のTLS SLL + refill
• C5: Ring ❌, HeapV2 ❌, UltraHot ❌ → 素のTLS SLL + refill
• C6: Ring ❌, HeapV2 ❌, UltraHot ❌ → 素のTLS SLL + refill
• C7: Ring ❌, HeapV2 ❌, UltraHot ❌ → 素のTLS SLL + refill

Random Mixed で使用されるクラスの 50%以上 が完全未最適化！

---

3. Class別プロファイル

使用クラス (bench_random_mixed.c:77 分析):

size_t sz = 16u + (r & 0x3FFu);  // 16B-1040B
→ C2 (16-31B), C3 (32-63B), C4 (64-127B), C5 (128-255B), C6 (256-511B), C7 (512-1024B)

最適化カバレッジ:

• Ring Cache: 4個クラス対応済み（C0-C7）だが デフォルト OFF
  • HAKMEM_TINY_HOT_RING_ENABLE=0 (有効化されていない)
• HeapV2: 4個クラス対応（C0-C3）
  • C4-C7 に拡張可能だが Phase 17-1 実験で +0.3% のみ効果
• 素のTLS SLL: 全クラス（fallback）

素のTLS SLL 経路の割合:

• C0-C3: ~88-99% HeapV2（TLS SLL は2-12% fallback）
• C4-C7: ~100% TLS SLL + SuperSlab refill（最適化なし）

---

4. 推奨施策（優先度順）

1. 最優先: Ring Cache C4/C7 拡張

• 効果推定: High (+13-29%)
• 理由:
  • Phase 21-1 で実装済み（core/front/tiny_ring_cache.h）
  • C2-C3 未使用（デフォルト OFF）
  • ポインタチェイス削減: TLS SLL 3mem → Ring 2mem (-33%)
  • Random Mixed の C4-C7 (50%) をカバー可能
• 実装期間: 低 (ENV 有効化のみ、≦1日)
• リスク: 低 (既実装、有効化のみ)
• 期待値: 19.4M → 22-25M ops/s (25-28%)
• 有効化:

  export HAKMEM_TINY_HOT_RING_ENABLE=1
  export HAKMEM_TINY_HOT_RING_C4=128
  export HAKMEM_TINY_HOT_RING_C5=128
  export HAKMEM_TINY_HOT_RING_C6=64
  export HAKMEM_TINY_HOT_RING_C7=64
  

2. 次点: HeapV2 を C4/C5 に拡張

• 効果推定: Low to Medium (+2-5%)
• 理由:
  • Phase 13-A で実装済み（core/front/tiny_heap_v2.h）
  • Magazine supply で TLS SLL hit rate 向上
• 制限: Phase 17-1 実験で +0.3% のみ（delegation overhead = TLS savings）
• 実装期間: 低 (ENV 変更のみ)
• リスク: 低
• 期待値: 19.4M → 19.8-20.4M ops/s (+2-5%)
• 判断: Ring Cache の方が効果的（Ring を優先）

3. 長期: C7 (1KB) 専用 HotPath

• 効果推定: Medium (+5-10%)
• 理由: C7 は Random Mixed の ~16% を占める
• 実装期間: 高（新規実装）
• 判断: 後回し（Ring Cache + Phase 21-2 後に検討）

4. 超長期: SuperSlab Shared Pool (Phase 12)

• 効果推定: VERY HIGH (+300-400%)
• 理由: 877 SuperSlab → 100-200 削減（根本解決）
• 実装期間: Very High（アーキテクチャ変更）
• 期待値: 70-90M ops/s（System の 70-90%）
• 判断: Phase 21 完了後に着手

---

最終推奨（フォーマット通り）

優先度付き推奨施策

1. 最優先: Ring Cache C4/C7 有効化

   • 理由: ポインタチェイス削減で +13-29% 期待、実装済み（有効化のみ）
   • 期待: 19.4M → 22-25M ops/s (25-28% of system)

2. 次点: HeapV2 C4/C5 拡張

   • 理由: TLS refill 削減で +2-5% 期待、ただし Ring より効果薄
   • 期待: 19.4M → 19.8-20.4M ops/s (+2-5%)

3. 長期: C7 専用 HotPath 実装

   • 理由: 1KB 単体の最適化、実装コスト大
   • 期待: +5-10%

4. 超長期: Phase 12 (Shared SuperSlab Pool)

   • 理由: 根本的なメタデータ圧縮（構造的ボトルネック攻撃）
   • 期待: +300-400% (70-90M ops/s)

---

本分析の根拠ファイル:

• /mnt/workdisk/public_share/hakmem/core/front/tiny_ring_cache.h - Ring Cache 実装
• /mnt/workdisk/public_share/hakmem/core/front/tiny_heap_v2.h - HeapV2 実装
• /mnt/workdisk/public_share/hakmem/core/tiny_alloc_fast.inc.h - Allocation fast path
• /mnt/workdisk/public_share/hakmem/core/box/tls_sll_box.h - TLS SLL 実装
• /mnt/workdisk/public_share/hakmem/CURRENT_TASK.md - Phase 19-22 実装状況