79674c9390
Removal strategy: Deprecate routes by disabling ENV-based routing - v3/v4/v5 enum types kept for binary compatibility - small_heap_v3/v4/v5_enabled() always return 0 - small_heap_v3/v4/v5_class_enabled() always return 0 - Any v3/v4/v5 ENVs are silently ignored, routes to LEGACY Changes: - core/box/smallobject_hotbox_v3_env_box.h: stub functions - core/box/smallobject_hotbox_v4_env_box.h: stub functions - core/box/smallobject_v5_env_box.h: stub functions - core/front/malloc_tiny_fast.h: remove alloc/free cases (20+ lines) Benefits: - Cleaner routing logic (v6/v7 only for SmallObject) - 20+ lines deleted from hot path validation - No behavioral change (routes were rarely used) Performance: No regression expected (v3/v4/v5 already disabled by default) Next: Set Learner v7 default ON, production testing 🤖 Generated with [Claude Code](https://claude.com/claude-code) Co-Authored-By: Claude Opus 4.5 <noreply@anthropic.com>
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## SmallObjectHeap v7 / HAKMEM v3 コア設計メモ（2025-12-11）
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このドキュメントは、ULTRA + MID v3 + V6 世代の上に新しく載せる
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**SmallObjectHeap v7（= HAKMEM v3 small/mid コア）** の設計方針をまとめたものです。
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当面は設計・型スケルトンのみで、挙動は一切変更しません。
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## 1. 位置づけと層構造（Box Theory）
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### 1-1. 既存世代のまとめ
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- L0: ULTRA lanes（現行）
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- C4–C7 ULTRA。C7 は 2MiB Segment + 64KiB Page + TLS freelist（C7 ULTRA Box）。
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- Mixed / C7-only で十分な性能が出ており、**FROZEN（完成世代）** とみなす。
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- L1: HotBox v2 世代
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- Tiny front v3 + TinyHeap v1（小クラス）。
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- MID v3（257–768B の mid/smallmid を TLS heap で扱う）。
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- V6 C6-only headerless core（RegionId + Segment + TLS lane）の研究箱。
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- L2: Segment / Superslab / Warm / Remote
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- L3: Policy/Learner + Stats + ENV（ACE/ELO/CAP 等）
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この世代では、各帯に特化した箱（ULTRA / MID v3 / V6）を積み上げることで
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Mixed 16–1024B を ~30M → ~44M ops/s まで底上げしたが、
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small〜mid を一体で見る「共通の SmallObject コア」は存在しない。
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### 1-2. v7 世代の狙い
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v7 は L1 に新しく追加する **SmallObjectHotBox_v7** として設計する：
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```text
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Front (size→class→route LUT)
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+-- L0: ULTRA lanes (C4–C7, FROZEN)
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+-- L1: SmallObjectHotBox_v7 ← NEW small/mid コア
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+-- L1': TinyHeap v1 / MID v3 / V6 (fallback/legacy)
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+-- L2: SegmentBox_v7 / ColdIface_v7
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+-- L3: PolicyBox_v7 / RegionIdBox / PageStatsBox
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```
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目的:
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- small（例: 16〜1KiB or 16〜2KiB）と mid の一部を **1 個の thread-local heap + segment** で扱う土台を作る。
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- ULTRA 世代（C4–C7）は L0 としてそのまま残す（C7 ULTRA は独立 box）。
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- headerless/v6 の実験で得た「RegionId + Segment + TLS lane + PageStats」の物理層パターンをコア側に反映する。
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## 2. 型設計（SmallHeapCtx_v7 / SmallSegment_v7）
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v7 の基本構造は v6/V3 の経験を統合したものとする。
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### 2-1. SmallPageMeta_v7
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Hot path で頻繁に触るフィールドと Stats 用フィールドを分離する。
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```c
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// Hot line: alloc/free で触るフィールド
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typedef struct SmallPageMeta_v7 {
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// ---- hot fields (cache line 0 想定) ----
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void *free_list; // LIFO freelist: block -> next
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uint32_t used; // 現在の使用スロット数
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uint32_t capacity; // この page にある block スロット数
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uint16_t class_idx; // サイズクラス (C0..C?)
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uint16_t flags; // HOT/PARTIAL/FULL/REMOTE_PENDING 等
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uint16_t page_idx; // Segment 内 index (0..N-1)
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uint16_t reserved0; // アラインメント用
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struct SmallSegment_v7 *segment; // Segment への back pointer
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// ---- cold fields (Stats/Policy, cache line 1〜) ----
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uint64_t alloc_count; // 累積 alloc 数
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uint64_t free_count; // 累積 free 数
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uint64_t remote_free_count; // 累積 remote free 数
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uint16_t live_current; // 現在の live
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uint16_t peak_live; // lifetime 最大 live
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uint16_t remote_burst_max; // 一度の drain で吸い上げた remote の最大
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uint16_t reserved1;
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uint32_t epoch_first_alloc; // coarse epoch (L3 用)
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uint32_t epoch_last_free; // 同上
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} SmallPageMeta_v7;
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```
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設計ポイント:
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- Hot path (alloc/free) では `free_list / used / capacity / class_idx` だけを触る。
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- Stats/Learner は L2 retire 時に cold fields を `SmallPageStatsV7` にまとめて L3 に渡す。
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- `segment` を持たせて退役時の SegmentBox 更新を簡単にする（必要であれば将来削る）。
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### 2-2. SmallClassHeap_v7 / SmallHeapCtx_v7
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各クラスの現在/部分/満杯ページと、小さな TLS magazine を持つ。
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```c
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typedef struct SmallClassHeap_v7 {
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SmallPageMeta_v7 *current; // いま alloc に使っている page
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SmallPageMeta_v7 *partial_head; // まだ空きのあるページ
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SmallPageMeta_v7 *full_head; // FULL 判定のページ（Cold 側に寄せる用）
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void *local_freelist; // オプション: mini-ULTRA (class ローカル TLS)
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uint16_t local_freelist_count;
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uint16_t local_freelist_cap;
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uint16_t class_idx;
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uint16_t flags; // class 側のポリシーフラグ (ULTRA禁止など)
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} SmallClassHeap_v7;
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#define HAK_SMALL_NUM_CLASSES_V7 /* 例: 16〜24 */
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typedef struct SmallHeapCtx_v7 {
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SmallClassHeap_v7 cls[HAK_SMALL_NUM_CLASSES_V7];
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} SmallHeapCtx_v7;
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```
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設計ポイント:
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- v7 第1版では `local_freelist` は無効 (`cap=0`) にしておき、必要なクラスだけ Learner で有効化してもよい。
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- クラス数は最初は「small側（16〜1KiB or 2KiB）をカバーする程度」に抑え、
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mid を扱う `MidHeapCtx_v7` は別箱とする（後述）。
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### 2-3. SmallSegment_v7
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ULTRA の 2MiB/64KiB パターンをベースに、small v7 用 SegmentBox を定義する。
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```c
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#define SMALL_SEGMENT_SIZE_V7 (2u * 1024u * 1024u) // 2MiB
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#define SMALL_PAGE_SIZE_V7 (64u * 1024u) // 64KiB
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#define SMALL_PAGES_PER_SEG_V7 (SMALL_SEGMENT_SIZE_V7 / SMALL_PAGE_SIZE_V7)
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typedef struct SmallSegment_v7 {
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uintptr_t base; // 実データ領域の先頭アドレス
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uint32_t num_pages; // 実際に使うページ数
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uint32_t owner_tid; // 所有スレッド id
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uint32_t flags; // SEGMENT_IN_USE / RETIRED 等
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uint32_t region_kind; // REGION_SMALL_V7 / REGION_ULTRA / REGION_POOL 等
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uint32_t segment_idx; // RegionIdBox 上の index
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uint32_t free_page_head; // free page stack head
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uint32_t free_page_count;
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SmallPageMeta_v7 page_meta[SMALL_PAGES_PER_SEG_V7];
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} SmallSegment_v7;
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```
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設計ポイント:
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- `ptr & ~(SEG_SIZE-1)` で Segment に直行し、
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`(ptr - base) >> PAGE_SHIFT` で `page_idx` を求めて `page_meta[page_idx]` に行ける O(1) 構造。
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- small/mid/pool で Segment geometry を変えたい場合も、API は共通で持てる（SegmentBox_v7 small / mid 用の 2 種類も可）。
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## 3. RegionIdBox / header / class 判定方針（v7 世代）
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### 3-1. header の扱い
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v6 C6-only headerless 実験から：
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- header 完全削除は「Region lookup コスト」で相殺されがちで、劇的な改善には繋がらないケースが多い。
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- ただし RegionId + Segment + page_meta.class_idx のパターンは
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ptr→segment→page_meta→class を O(1) にする物理層として非常に有用。
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v7 では次の方針とする：
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1. ヘッダは **薄く残す**（Fail-Fast／legacy/pool bridge／デバッグ用）。
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2. small/mid の fast path では、できるだけ header を触らない。
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- C7 ULTRA / 一部 hot クラス（将来の C6 ULTRA lane など）は完全 headerless も許可。
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- SmallHeapCtx_v7 の core は「carve/refill 時に 1 回だけ書く」程度に抑える。
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3. free 時の class 判定は：
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- front/gate の hint（size→class / header） + RegionIdBox + page_meta.class_idx を併用。
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- v7 small pathでは、最終的には `page_meta.class_idx` を真とし、hint は OBSERVE 検証用とする。
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### 3-2. RegionIdBox API
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small/mid/pool 共通の ptr 分類箱として RegionIdBox_v7 を定義する：
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```c
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typedef enum {
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REGION_UNKNOWN = 0,
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REGION_SMALL_V7,
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REGION_ULTRA,
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REGION_MID_V7,
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REGION_POOL_V3,
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REGION_LARGE,
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} region_kind_t;
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typedef struct RegionLookupResult_v7 {
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region_kind_t kind;
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union {
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struct {
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SmallSegment_v7 *segment;
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uint16_t page_idx;
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} small_v7;
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struct {
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void *segment; // C7 ULTRA / mid v7 / pool v3 等
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} other;
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} u;
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} RegionLookupResult_v7;
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static inline RegionLookupResult_v7
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region_id_lookup_v7(void *ptr);
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```
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small v7 free path（fast path）:
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```c
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RegionLookupResult_v7 lk = region_id_lookup_v7(ptr);
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if (likely(lk.kind == REGION_SMALL_V7)) {
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SmallPageMeta_v7* page =
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&lk.u.small_v7.segment->page_meta[lk.u.small_v7.page_idx];
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uint8_t class_idx = page->class_idx;
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||
small_heap_free_fast_v7(ctx, page, class_idx, ptr);
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} else {
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// ULTRA / MID / POOL / LEGACY へ bridge
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}
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```
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移行モード:
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- Phase OBSERVE: header-based class と page_meta.class_idx を比較して log/assert。挙動はまだ v2 世代のまま。
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- Phase FROZEN: small v7 管理ページでは header を見ず、RegionId + page_meta.class_idx だけで動かす。
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## 4. mid/pool との関係（SmallHeapCtx_v7 vs MidHeapCtx_v7）
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v7 世代では small と mid を同じ物理層（RegionIdBox + SegmentBox + PageStatsBox）に乗せつつ、
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HotBox は別箱に分けるのが現実的：
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```text
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RegionIdBox / SegmentBox_v7 / PageStatsBox
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+--> SmallHeapCtx_v7 (small: 16〜1KiB or 2KiB)
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+--> MidHeapCtx_v7 (mid: 2〜16KiB or 2〜32KiB)
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+--> PoolCtx_v3/v7 (さらに大きい / 特殊用途)
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```
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方針:
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- **共通化するもの**:
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- RegionIdBox（ptr→region_kind + segment/page_idx）
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- Segment geometry API（small 用と mid 用に派生しても良い）
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- PageStats 基本構造（class_idx / alloc/free/remote / live/peak など）
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- **専用箱にするもの**:
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- SmallHeapCtx_v7（small 特有の TLS/prefetch/クラス配置）
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- MidHeapCtx_v7（mid 特有の page サイズ・クラス分割・remote ポリシー）
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- PoolCtx_v3/v7（巨大オブジェクト／特殊用途）
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橋渡し:
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- RegionIdBox で kind != REGION_SMALL_V7 を検出したときのみ、
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mid/pool の bridge_box（`small_mid_bridge_free()` 等）に渡す。
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- small core / mid core / pool core は互いを直接呼ばず、「bridge 1 箇所」で繋ぐ。
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## 5. フェーズ分割（v7-0 / v7-1 / v7-2 の指針）
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いきなり small/mid 全体を v7 にするのではなく、C6-only small 帯から段階的に導入する。
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### Phase v7-0: 型とインフラだけ追加（挙動一切変更なし）
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目的:
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- struct と設計 doc だけ追加し、ビルドと Box 理論上の位置づけを固める。
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タスク:
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- `SmallPageMeta_v7` / `SmallClassHeap_v7` / `SmallHeapCtx_v7` / `SmallSegment_v7` struct をヘッダに追加。
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- RegionIdBox に `REGION_SMALL_V7` と `RegionLookupResult_v7` を追加（実装はまだダミーで OK）。
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- ENV:
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- `HAKMEM_SMALL_HEAP_V7_ENABLED=0`
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- `HAKMEM_SMALL_HEAP_V7_CLASSES=0x0`
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- front/gate は v7 に一切 route しない。
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### Phase v7-1: C6-only v7 stub（route だけ v7 に向ける）
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目的:
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- front/gate・ENV・RegionIdBox の配線が壊れていないか確認する。
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タスク:
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- `TINY_ROUTE_SMALL_HEAP_V7` を route kind に追加。
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- プロファイル: C6-only v7 stub モード（`CLASSES=0x40` など）を追加。
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- `small_heap_alloc_fast_v7_stub(size, ci)` / `small_heap_free_fast_v7_stub(ptr, ci)` を実装し、
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中身は即座に v2 世代（MID v3 / V6 / pool v1）にフォールバックするだけにする。
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- RegionIdBox は OBSERVE モードで `region_id_lookup_v7(ptr)` を呼んで統計取得のみ（挙動不変）。
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### Phase v7-2: C6-only v7 本実装（small帯だけ）
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目的:
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- C6-only の alloc/free を SmallHeapCtx_v7 + SmallSegment_v7 で本当に回し、
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C6-heavy / Mixed で v3/V6/v2 本線と比較する。
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タスク:
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- SegmentBox_v7 と ColdIface_v7 を実装し、C6 pages の refill/retire を Segment v7 経由にする。
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- `small_heap_alloc_fast_v7(size, ci)` / `small_heap_free_fast_v7(ptr, ci)` を実装：
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- alloc: current→partial→cold_refill の順で page/freelist を消費。
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- free: RegionIdBox で small_v7 page を特定し、page_meta.free_list に push（必要時 retire）。
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- プロファイル:
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- C6-only v7 ON（他クラスは ULTRA + MID v3 + V6 のまま）。
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- ベンチ:
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- C6-heavy / Mixed で v7 vs MID v3 vs V6 vs v2 本線を測り、
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C6-only v7 の価値を評価（十分なら次の v7 拡張フェーズへ）。
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## 6. まとめ
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- v2 世代（ULTRA + MID v3 + V6 C6-only）は、Box Theory に沿ってかなりやり切った世代とみなし、ここで一度締める。
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- v3 世代（SmallObjectHeap v7）は、「small〜mid を 1 個の SmallHeapCtx + Segment + RegionIdBox で扱う」第2章として設計する。
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- まずは C6-only small 帯から v7 を導入し、ULTRA/MID v3 を壊さない形で徐々に適用範囲を広げていく。
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### Phase v7-3: C6 TLS Segment Fast Path + Page Metadata Cache
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目的:
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- Phase v7-2 で明らかになった RegionIdBox binary search のオーバーヘッド（-7% vs legacy）を削減する。
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- "ほとんどの" C6 free パスで RegionIdBox lookup を避ける設計に改善。
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主な最適化:
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1. **TLS segment fast hint**:
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- SmallHeapCtx_v7 に `tls_seg_base / tls_seg_end / tls_seg` を追加。
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- free 初期段階で `if (addr >= tls_seg_base && addr < tls_seg_end)` をチェックして、
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ほとんどの C6 free は RegionIdBox を呼ばずに page_idx を計算できるように。
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2. **same-page page_meta TLS cache**:
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- SmallHeapCtx_v7 に `last_page_base / last_page_end / last_page_meta` を追加。
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- 前回と同じページ内の free は page_meta 検索をスキップ（1-2% 改善期待）。
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3. **RegionIdBox は TLS 範囲外のみ**:
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- RegionIdBox は「TLS segment が知らない alloc」（POOL / LEGACY / ULTRA 由来）の分類専用に限定。
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- C6-only v7 の hot path では RegionIdBox を通さない。
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4. **C6-only 維持**:
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- Phase v7-3 でも C6 のみに絞る。
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- C5/C4 への拡張は、v7 の性能が legacy に追いついた後に検討。
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期待結果:
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- TLS fast path で RegionIdBox overhead 大部分回避 → -7% から ±0〜+α への改善を目指す。
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- SegmentBox_v7 / ColdIface_v7 の API は不変（内部最適化のみ）。
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## 7. Phase v7-4: Policy Box (L3 層の明確化)
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### Policy Box の役割
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SmallPolicyV7 Box を L3 に配置し、「どのクラスをどの層に送るか」を一元管理：
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```c
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typedef struct SmallPolicyV7 {
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SmallRouteKind route_kind[8]; // C0-C7
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} SmallPolicyV7;
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const SmallPolicyV7* small_policy_v7_snapshot(void);
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```
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### フロントの責務
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フロントは Policy Snapshot を読んで route を選ぶだけ：
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```c
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const SmallPolicyV7* policy = small_policy_v7_snapshot();
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SmallRouteKind route = policy->route_kind[class_idx];
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switch (route) {
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case SMALL_ROUTE_ULTRA: // L0
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case SMALL_ROUTE_V7: // L1
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case SMALL_ROUTE_MID_V3: // L1'
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||
case SMALL_ROUTE_LEGACY: // L1'
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}
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```
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### ENV の一元化
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ENV 変数は Policy init で一度だけ読む：
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- `HAKMEM_TINY_C7_ULTRA_ENABLED`
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- `HAKMEM_SMALL_HEAP_V7_ENABLED` + `HAKMEM_SMALL_HEAP_V7_CLASSES`
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||
- `HAKMEM_MID_V3_ENABLED` + `HAKMEM_MID_V3_CLASSES`
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優先順位: ULTRA > v7 > MID_v3 > LEGACY (固定)
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将来的にはクラスごとの柔軟な優先順位設定や、Learner 連携による動的ルート選択も可能。
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### 段階移行
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Phase v7-4 では v7 関連のみ Policy box 経由に変更。
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ULTRA/MID_v3/LEGACY は既存の `tiny_route_env_box.h` を併用（後で統合予定）。
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## 8. v7 第2章への設計メモ（Phase v7-4 完了時点）
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### 現状（C6-only 研究箱）
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- **性能**: 56.3M ops/s (Phase v7-3, -4.3% overhead)
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- **設計完了**: SmallHeapCtx / Segment / ColdIface / RegionIdBox 統一
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- **Policy統合**: 完了（route 一元化）
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### -4.3% Overhead の内訳（仮説）
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| 要因 | 推定 | 対策 |
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|------|------|------|
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| Page metadata 間接参照 | ~2% | Multi-class で分摊 |
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| Extra validation | ~1% | Branch優化 |
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| RegionIdBox fallback | ~1% | TLS cache強化 |
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### Multi-class 拡張時の検討項目
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1. **Segment 設計**:
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- Option A: Class ごとに独立 segment (SmallSegment_v7_C6, v7_C5, ...)
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- Option B: 複数 class を 1 segment 内で共存
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||
- Decision point: TLS hint の複数 segment 対応
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||
2. **TLS Context 拡張**:
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||
```c
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||
typedef struct SmallHeapCtx_v7_multi {
|
||
SmallClassHeap_v7 cls[8];
|
||
// Multi-class TLS hints
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||
struct {
|
||
uintptr_t seg_base;
|
||
uintptr_t seg_end;
|
||
SmallSegment_v7* seg;
|
||
} tls_seg[5]; // C3-C7
|
||
} SmallHeapCtx_v7_multi;
|
||
```
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3. **Overhead 分摊の期待値**:
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- C6-only: -4.3% (current)
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- C5+C6: -2% (overhead 薄まる)
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- C4+C5+C6: -1% (さらに薄まる)
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### Learner 連携（Phase v7-5 候補）
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**概要**: SmallPageStatsV7 から実行時最適 route を学習
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```c
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// Policy Box update interface
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void small_policy_v7_update_from_learner(
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const SmallLearnerStats* stats,
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||
SmallPolicyV7* policy_out
|
||
);
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||
```
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**学習要件**:
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- Alloc/free count, peak_live, lifetime_ms
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- v7 vs MID_v3 の速度比較
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- Learner の信頼度 threshold
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### HeaderLess 統一（将来検討）
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v7-5 以降でも header を削除できるかの検証:
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- v6 headerless: page->class_idx で header-free を実装済み
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- v7 適用: free 時に page_meta から class_idx を取得
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- Benefit: 1 byte 削減 per allocation（micro, 但し alloc density up）
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### 次世代開始チェックリスト
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- [ ] HAKMEM_V2_GENERATION_SUMMARY.md と本ドキュメントから、v2→v7 の層構造と責務が一貫して読み取れること
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- [ ] v7-4 時点の設計メモ（本セクション）が「どこを伸ばすか／どこは ULTRA/MID に任せるか」の地図として機能していること
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- [ ] v7 small/mid コアを C6 以外にも広げる際のクラス割り当て（C2〜C7）が `HAKMEM_V2_GENERATION_SUMMARY.md` と齟齬なく定義されていること
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## 9. HAKMEM v3（mimalloc に追いつく世代）のターゲット像
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この節は、「いま以降の HAKMEM 開発は何を目指すか」をブレないようにするためのメモです。
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### 9-1. 性能ターゲット（Mixed 16–1024B）
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- 評価プロファイル:
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- `HAKMEM_PROFILE=MIXED_TINYV3_C7_SAFE`
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- `ws=400`, `iters=1,000,000`, size range `16–1024B`
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- 比較対象:
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- mimalloc: 現状 ~ 110–120M ops/s
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- HAKMEM v2 世代: ~ 40–45M ops/s（ULTRA + MID v3 ベース）
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- v3/v7 世代の目標:
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- **短期**: 50M ops/s 台（mimalloc の ~0.5×）
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- **中期**: 60M ops/s 近辺（0.5〜0.6×）を安定して狙える設計
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### 9-2. クラス別の役割（v3 世代の前提）
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`docs/analysis/HAKMEM_V2_GENERATION_SUMMARY.md` の整理を踏まえ、v3 世代では次の前提で進める:
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- C7 (769–1024B):
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- L0 C7 ULTRA が本命。v7 small/mid コアからは除外し、ULTRA Box を前提に最適化を続ける。
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- C6 (513–768B):
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- v7 SmallHeapCtx の本命クラス。
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- C6-only v7 を最初のターゲットとして、legacy/MID/v6 を相手に A/B しながらコアの形を固める。
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- C5 (257–512B):
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- 現状は MID v3 + ULTRA でそこそこ速く、本線としては安定。
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- v7 への移行は C6 v7 が legacy/MID を上回るめどが立ってから、段階的に検討する。
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- C4 (129–256B):
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- C4 ULTRA（寄生型）が効いている帯。v7 に乗せるかは慎重に検討。
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- 当面は ULTRA を前提とし、v7 small コアには無理に載せない。
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- C3–C0 (≤64B):
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- Tiny legacy/Tiny front v3 のまま。当座は v7 で触らない。
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この前提により、「どのクラスを v7 small/mid コアで本気で攻めるか」「どこは ULTRA/MID/legacy に任せるか」が明確になる。
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### 9-3. v7 コアで必ず守るルール
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1. **Front は route するだけ**
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- `size → class_idx → SmallPolicyV7.route_kind[class_idx] → switch` 以外の仕事（ENV 読み・Region lookup・Segment 操作）は Front に置かない。
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2. **HotBox は物理層に直接触らない**
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- SmallObjectHotBox_v7 は `SmallSegment_v7` / `RegionIdBox` / `PageStatsBox` へのアクセスを ColdIface/API 経由に限定し、HotPath 内で ENV や Learner を直接参照しない。
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3. **Learning は snapshot 経由のみ**
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- L3 Policy/Learner は Stats を読んで `SmallPolicyV7` や per-class パラメータ（tls_cap, partial_limit 等）を更新する。
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- L1/L0 は「いまの snapshot 値」を読むだけで、学習や ENV を意識しない。
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### 9-4. v3 世代での「やってよい／やらない」境界
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- やってよい（本筋）:
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- v7 small/mid コア（特に C6）の alloc/free/segment/RegionId 経路の設計・実装・A/B。
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- PolicyBox を使った route_kind の再配線（ULTRA/MID/v7/LEGACY のクラスごとの切り替え）。
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- RegionIdBox/Segment/PageStats の「共通物理層」としての整理と、small/mid/pool での再利用設計。
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- やらない（この世代では控える）:
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- ULTRA 世代の大改造（C7 ULTRA の構造変更など）。
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- MID v3 のリフトアップを目的とした過度な再実装（v7/mid コア側で吸収する）。
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- header を全クラス・全経路から完全に消し去るような大手術（これは v8 以降のテーマとして温存）。
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この節を「v3 / v7 世代で何を目指すか」の固定観念として扱い、今後の設計・実装・A/B で迷子になったときの基準とする。
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## 10. C5 Learner 連携の最小設計（v7-7 用メモ）
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v7-5b/v7-6 の結果から、C5 の route は workload-dependent（C5-heavy では v7 が有利だが、Mixed では MID v3+ULTRA が有利）であることが分かった。
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そのため、C5 の route_kind は固定ではなく Learner で動的に切り替えられるように設計する。
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### 10-1. データフロー: Stats → Learner → Policy
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1. ColdIface_v7 / PageStatsBox:
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- C5/C6 v7 管理ページの retire/refill 時に `SmallPageStatsV7` を生成し、L3 に publish する。
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- 必要なフィールド（例）:
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- `class_idx`
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- `alloc_count`, `free_count`
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||
- `remote_free_count`
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||
- `live_at_retire`, `peak_live`（optional）
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2. Learner 集約構造:
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```c
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||
typedef struct SmallLearnerClassStatsV7 {
|
||
uint64_t total_allocs;
|
||
uint64_t total_frees;
|
||
uint64_t total_remote_frees;
|
||
} SmallLearnerClassStatsV7;
|
||
|
||
typedef struct SmallLearnerStatsV7 {
|
||
SmallLearnerClassStatsV7 per_class[8]; // C0–C7
|
||
} SmallLearnerStatsV7;
|
||
```
|
||
|
||
3. Policy 更新 API:
|
||
```c
|
||
void small_policy_v7_update_from_learner(
|
||
const SmallLearnerStatsV7* stats,
|
||
SmallPolicyV7* policy_out);
|
||
```
|
||
|
||
- L3 の Learner が一定間隔（例: N ページ retire / N ミリ秒ごと）で呼び出し、C5 の route_kind を `SMALL_ROUTE_V7` / `SMALL_ROUTE_MID_V3` のどちらかに切り替える。
|
||
- L1/L0（ULTRA / v7 / MID v3）は snapshot を読むだけで、Learner の存在を意識しない。
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### 10-2. C5 route 切り替えの簡易ルール案
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||
- 入力: `SmallLearnerStatsV7.per_class[5].total_allocs` と全クラス合計 alloc 数。
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- ルール例:
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- `C5_share = total_allocs[C5] / total_allocs_all`
|
||
- もし `C5_share >= 0.3` なら:
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||
- `route_kind[C5] = SMALL_ROUTE_V7;` // C5-heavy → v7 small/mid コア
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||
- それ以外なら:
|
||
- `route_kind[C5] = SMALL_ROUTE_MID_V3;` // Mixed 寄り → MID v3 + ULTRA に任せる
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||
|
||
このルールは最初の近似であり、後続フェーズでしきい値やヒステリシス（しばらく動作を維持するクールダウン）を追加してもよい。
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### 10-3. Box Theory 上の位置づけ
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- Learner / Policy 更新処理は **L3 Box** に閉じ込める。
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- StatsBox / Learner / PolicyBox は L3。
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- L2 以下（Segment / RegionId / HotBox / ULTRA）は snapshot を読むだけ。
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||
- C5 の route_kind 更新は snapshot 差し替え経由でのみ行う。
|
||
- 直接 front の分岐を書き換えず、常に `SmallPolicyV7` から読む。
|
||
- これにより:
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||
- Hot path は `route_kind` の読み取りだけで終わり、
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||
- 「いつ C5 を v7 にするか？」という意思決定は上層（L3）に閉じ込められる。
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---
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## 10. Phase v7-5a: C6 v7 極限最適化 (Hot Path Stats Removal)
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### 10-1. 目的
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Phase v7-3 時点の -4.3% overhead を ±0% 以下に改善し、v7 を本線として使える状態にする。
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### 10-2. v7-5a vs v7-5b の選択
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| Option | 内容 | リスク | 期待効果 |
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||
|--------|------|--------|----------|
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||
| v7-5a | C6 micro-optimization (stats/header) | 低 | -4.3% → ±0% |
|
||
| v7-5b | Multi-class expansion (C5/C4) | 中 | overhead 分摊 |
|
||
|
||
**採用**: v7-5a を優先。低リスクで効果を確認してから v7-5b に進む。
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||
### 10-3. v7-5a の最適化内容
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#### 実施した最適化
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1. **Per-page stats 削除 (hot path から)**:
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- `alloc_count++` / `free_count++` / `live_current++/--` を hot path から除去
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||
- Stats は retire 時に cold path で収集
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||
2. **Global atomic stats の ENV-gating**:
|
||
- `HAKMEM_V7_HOT_STATS=1` で有効化（デフォルトOFF）
|
||
- Hot path での atomic counter を完全除去可能に
|
||
|
||
3. **Header-at-carve-time 最適化 → 断念**:
|
||
- 試行: 「refill 時にヘッダを書き、alloc 時には書かない」
|
||
- **失敗理由**: intrusive LIFO freelist が block[0..7] に next pointer を格納するため、
|
||
carve 時にヘッダを書いても alloc pop 前に上書きされる
|
||
- **対応**: ヘッダは alloc 時に書く方式を維持
|
||
|
||
```c
|
||
// freelist 構造の制約
|
||
// block[0]: header byte (1B)
|
||
// block[0..7]: freelist next pointer (8B)
|
||
// → 重複するため、carve 時にヘッダを書いても freelist が上書きする
|
||
```
|
||
|
||
### 10-4. A/B ベンチマーク結果
|
||
|
||
**ベンチ条件**:
|
||
- Range: 257-768B (C6-heavy)
|
||
- Benchmark: bench_mid_large_mt_hakmem
|
||
- 5 iterations each
|
||
|
||
| v7 OFF (MID v3) | v7 ON (v7-5a) |
|
||
|-----------------|---------------|
|
||
| 9,370,124 | 9,251,082 |
|
||
| 9,698,882 | 8,782,087 |
|
||
| 8,862,704 | 9,331,487 |
|
||
| 9,108,786 | 9,502,876 |
|
||
| 9,250,129 | 9,490,638 |
|
||
| **Avg: 9.26M** | **Avg: 9.27M** |
|
||
|
||
**結果: +0.15% (±0%, noise margin 内)**
|
||
|
||
### 10-5. 評価
|
||
|
||
| 指標 | Before (v7-3) | After (v7-5a) | 目標 |
|
||
|------|---------------|---------------|------|
|
||
| Overhead | -4.3% | ±0% | legacy ±2% |
|
||
| Stats impact | 常時 ON | ENV-gated | - |
|
||
| Header overhead | あり | あり (維持) | - |
|
||
|
||
**Phase v7-5a 達成**: hot path から per-page stats を除去し、overhead を ±0% まで改善。
|
||
|
||
### 10-6. 次のステップ候補
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|
||
1. **v7-5b (Multi-class)**: C5/C4 へ v7 を拡張し、overhead をさらに分摊
|
||
2. **Headerless mode**: header 完全削除を再検討（freelist 設計の変更が必要）
|
||
3. **Learner 連携**: Stats から動的 route 選択
|
||
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||
---
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|
||
## 11. Phase v7-5b: C5+C6 Multi-class Expansion
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||
### 11-1. スコープ
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||
**Target**: C5 限定（C4 は ULTRA に残す）
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||
**理由**:
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- v4/v6 multi-class で TLS context 肥大 → L1 cache thrash の経験あり
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||
- C5 の legacy share が大きい（Decision Matrix: 53%）ので先に検証
|
||
|
||
**設計方針**:
|
||
```
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||
C6: いまの TLS lane のまま（本命クラス）
|
||
C5: TLS lane なし or local_freelist 極小（数個）
|
||
C4: ULTRA に残す（触らない）
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||
```
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||
|
||
### 11-2. 実装構造
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||
#### Segment 共有モデル
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||
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||
```c
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||
// C5 と C6 は同じ 2MiB segment を共有
|
||
// page_meta[].class_idx で class を区別
|
||
SmallSegment_v7:
|
||
page_meta[0]: class_idx=6 (C6 page)
|
||
page_meta[1]: class_idx=5 (C5 page)
|
||
page_meta[2]: class_idx=6 (C6 page)
|
||
...
|
||
```
|
||
|
||
#### Block Size 拡張
|
||
|
||
```c
|
||
// smallsegment_v7_box.h
|
||
#define SMALL_V7_C5_CLASS_IDX 5
|
||
#define SMALL_V7_C5_BLOCK_SIZE 256
|
||
|
||
static inline size_t small_v7_block_size(uint32_t class_idx) {
|
||
switch (class_idx) {
|
||
case 5: return 256; // C5
|
||
case 6: return 512; // C6
|
||
default: return 0; // Unsupported
|
||
}
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
#### HotBox 拡張 (minimal)
|
||
|
||
```c
|
||
// C5/C6 両対応（TLS 構造は変更なし）
|
||
static inline void* small_heap_alloc_fast_v7(size_t size, uint8_t class_idx) {
|
||
// v7-5b: C5 or C6
|
||
if (unlikely(class_idx != SMALL_V7_C6_CLASS_IDX &&
|
||
class_idx != SMALL_V7_C5_CLASS_IDX)) {
|
||
return NULL;
|
||
}
|
||
// ... 以下同じ
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
### 11-3. A/B 判断基準
|
||
|
||
| ベンチ | 条件 | 判定 |
|
||
|--------|------|------|
|
||
| C6-heavy | C6-only v7 vs C5+C6 v7 | C6 性能が落ちていないこと |
|
||
| Mixed 16-1024B | 同上 | C5 legacy コスト削減がトータルでプラス |
|
||
|
||
**採用ライン**: 「C6 を守りつつ C5 がトータルでプラスなら採用」
|
||
|
||
### 11-4. ENV/Profile
|
||
|
||
```bash
|
||
# C5+C6 v7 実験プロファイル
|
||
HAKMEM_SMALL_HEAP_V7_ENABLED=1
|
||
HAKMEM_SMALL_HEAP_V7_CLASSES=0x60 # bit5(C5) + bit6(C6)
|
||
```
|
||
|
||
### 11-5. A/B ベンチマーク結果
|
||
|
||
**ベンチ条件**:
|
||
- Range: 257-768B (C5+C6 mixed)
|
||
- Benchmark: bench_mid_large_mt_hakmem
|
||
- 5 iterations each
|
||
|
||
| Config | Run 1 | Run 2 | Run 3 | Run 4 | Run 5 | Avg |
|
||
|--------|-------|-------|-------|-------|-------|-----|
|
||
| C6-only v7 | 8.04M | 6.66M | 7.26M | 8.14M | 8.11M | **7.64M** |
|
||
| C5+C6 v7 | 8.35M | 8.34M | 7.87M | 7.81M | 7.49M | **7.97M** |
|
||
|
||
**結果: +4.3% improvement**
|
||
|
||
### 11-6. 評価
|
||
|
||
| 基準 | 結果 | 判定 |
|
||
|------|------|------|
|
||
| C6 性能維持 | C6-only と同等以上 | ✅ PASS |
|
||
| C5 net positive | +4.3% 改善 | ✅ PASS |
|
||
| TLS bloat | なし（segment 共有） | ✅ PASS |
|
||
|
||
**Phase v7-5b 達成**: C5 を v7 に載せて、C6 を守りつつトータル +4.3% 改善。
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||
|
||
---
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||
|
||
## 12. Phase v7-6: Mixed A/B + Learner 設計
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||
|
||
### 12-1. Mixed 16-1024B A/B 結果
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||
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||
**ベンチ条件**:
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||
- Profile: MIXED_TINYV3_C7_SAFE
|
||
- Benchmark: bench_random_mixed_hakmem 1000000 400 1
|
||
- Size range: 16-1024B (全クラス)
|
||
|
||
| Config | Runs | Avg Throughput | Delta vs OFF |
|
||
|--------|------|----------------|--------------|
|
||
| v7 OFF | 5 | **41.3M ops/s** | baseline |
|
||
| v7 C6-only (0x40) | 3 | **41.5M ops/s** | +0.5% |
|
||
| v7 C5+C6 (0x60) | 8 | **38.0M ops/s** | **-8.0%** |
|
||
|
||
### 12-2. 発見と考察
|
||
|
||
**重要な発見**: ワークロードによって最適な route が異なる
|
||
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||
| ワークロード | C6-only v7 | C5+C6 v7 | 推奨 |
|
||
|-------------|------------|----------|------|
|
||
| C5+C6 専用 (257-768B) | baseline | **+4.3%** | C5+C6 v7 |
|
||
| Mixed 16-1024B | +0.5% | **-8.0%** | C6-only v7 |
|
||
|
||
**原因分析**:
|
||
- Mixed では C0-C4 の alloc/free が多く、C5/C6 の比率が低い
|
||
- C5 を v7 に送ると、MID v3 / legacy より遅い経路を通る
|
||
- C5+C6 専用ベンチでは C5 比率が高く v7 のメリットが出る
|
||
|
||
**結論**: C5 の route は workload-dependent。Learner で動的に切り替えるべき。
|
||
|
||
### 12-3. Policy/Learner 連携設計
|
||
|
||
#### Stats → Learner データフロー
|
||
|
||
```
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||
SmallPageStatsV7 (retire時)
|
||
│
|
||
▼
|
||
SmallLearnerStatsV7 (集約)
|
||
│
|
||
▼
|
||
PolicyLearner (判定)
|
||
│
|
||
▼
|
||
SmallPolicyV7.route_kind[] (更新)
|
||
```
|
||
|
||
#### SmallPageStatsV7 から Learner が読むべきフィールド
|
||
|
||
```c
|
||
// 既存 (smallobject_cold_iface_v7_box.h)
|
||
typedef struct SmallPageStatsV7 {
|
||
uint8_t class_idx; // ← クラス別集計のキー
|
||
uint64_t alloc_count; // ← Learner: クラスごとの alloc 頻度
|
||
uint64_t free_count; // ← Learner: クラスごとの free 頻度
|
||
uint64_t remote_free_count;// ← Learner: remote free 比率
|
||
uint16_t peak_live; // ← Learner: ピーク使用量
|
||
uint32_t lifetime_ms; // ← Learner: page 寿命
|
||
} SmallPageStatsV7;
|
||
```
|
||
|
||
#### Learner 側の集約構造案
|
||
|
||
```c
|
||
typedef struct SmallLearnerStatsV7 {
|
||
// Per-class counters (C0-C7)
|
||
struct {
|
||
uint64_t total_allocs; // 累積 alloc 数
|
||
uint64_t total_frees; // 累積 free 数
|
||
uint64_t v7_allocs; // v7 経由の alloc 数
|
||
uint64_t v7_frees; // v7 経由の free 数
|
||
uint64_t tls_hits; // TLS segment hit 数
|
||
uint64_t regionid_lookups; // RegionIdBox fallback 数
|
||
uint32_t avg_page_lifetime_ms;
|
||
} per_class[8];
|
||
|
||
// Global counters
|
||
uint64_t sample_count; // 集計サンプル数
|
||
uint64_t last_update_epoch; // 最終更新 epoch
|
||
} SmallLearnerStatsV7;
|
||
```
|
||
|
||
#### 更新頻度
|
||
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- **オプション A**: N秒ごと（例: 10秒）
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- **オプション B**: Nページ retire ごと（例: 100 pages）
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- **推奨**: オプション B（イベント駆動、低オーバーヘッド）
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#### Policy 更新 API シグネチャ
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```c
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// Learner → Policy 更新
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void small_policy_v7_update_from_learner(
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const SmallLearnerStatsV7* stats,
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SmallPolicyV7* policy_out
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);
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// 判定ロジック例
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// if (stats->per_class[5].v7_allocs / stats->per_class[5].total_allocs > 0.5
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// && stats->per_class[5].tls_hits / stats->per_class[5].v7_frees > 0.8) {
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// policy_out->route_kind[5] = SMALL_ROUTE_V7; // C5 → v7
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// } else {
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// policy_out->route_kind[5] = SMALL_ROUTE_MID_V3; // C5 → MID v3
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// }
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```
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### 12-4. 層の分担（明文化）
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```
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L3 (Policy/Learner):
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- Stats を集約
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- route_kind[] を決定
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- snapshot を差し替え
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L1/L0 (ULTRA/v7/MID v3):
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- snapshot を読むだけ
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- ENV や Learner を直接参照しない
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- route_kind[class_idx] に従って分岐
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### 12-5. 保留事項
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以下は v7-6 の結果を踏まえて別フェーズで検討:
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1. **C4 v7 拡張**: Mixed A/B と Learner 設計の後に判断する
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2. **Intrusive LIFO / 完全 headerless**: v7-6 の結果を見てから検討
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### 12-6. 次のステップ候補
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1. **Learner 実装 (Phase v7-7)**: SmallLearnerStatsV7 の実装と Policy 更新ロジック
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2. **Workload Detection**: alloc/free パターンから workload を推定
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3. **Dynamic Route Switching**: 実行時に C5 の route を v7 ↔ MID v3 で切り替え
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**Document Updated**: 2025-12-12
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**Phase v7-5a Status**: COMPLETE
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**Phase v7-5b Status**: COMPLETE
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**Phase v7-6 Status**: COMPLETE
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