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Phase 6.12: Tiny Pool 実装完了レポート

完了日: 2025-10-21 ステータス: ✅ 基本実装完了、❌ 性能目標未達、🎯 P0最適化へ進む

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📊 実装サマリ

✅ 完了した実装

1. 8 size classes 実装

   • 8B, 16B, 32B, 64B, 128B, 256B, 512B, 1KB
   • Bitmap-based free block search (__builtin_ctzll)
   • Free list管理 (free_slabs / full_slabs)

2. 64KB slab allocator

   • posix_memalign使用（memory leak修正済み）
   • Slab metadata: TinySlab構造体 + bitmap

3. Lite P1 pre-allocation

   • Tier 1 (8-64B) 4クラスのみ事前確保
   • 256KB常駐（512KBではない）

4. ベンチマークシナリオ追加

   • string-builder (8-64B, short-lived)
   • token-stream (16-128B, FIFO)
   • small-objects (32-256B, long-lived)

5. Warmup分離実装

   • 測定フェーズと初期化フェーズを分離
   • 測定精度向上

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📊 ベンチマーク結果

性能測定結果 (vs mimalloc)

Scenario	hakmem	mimalloc	system	相対性能
string-builder (8-64B)	7,871 ns	18 ns	18 ns	437x slower ❌
token-stream (16-128B)	99 ns	9 ns	12 ns	11x slower ⚠️
small-objects (32-256B)	6 ns	3 ns	6 ns	2x slower ✅

測定環境

• CPU: x86_64 Linux
• Compiler: gcc -O2
• Iterations: 10,000 (string-builder, token-stream, small-objects)
• Warmup: 各シナリオで4サイズクラス事前確保

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🔍 根本原因分析

Task先生調査結果

犯人特定: find_slab_by_ptr() の二重呼び出し = 6,000ns/op (75%)

問題のコード

// hakmem.c:510 - hak_free_at()
if (hak_tiny_is_managed(ptr)) {  // ← 1回目の find_slab_by_ptr()
    hak_tiny_free(ptr);          // ← 2回目の find_slab_by_ptr()
    return;
}

// hakmem_tiny.c:253 - hak_tiny_is_managed()
int hak_tiny_is_managed(void* ptr) {
    return find_slab_by_ptr(ptr) != NULL;  // ← O(N) 線形探索！
}

// hakmem_tiny.c:71-96 - find_slab_by_ptr()
static TinySlab* find_slab_by_ptr(void* ptr) {
    // Search in free_slabs (O(N))
    for (int class_idx = 0; class_idx < TINY_NUM_CLASSES; class_idx++) {
        for (TinySlab* slab = ...; slab; slab = slab->next) {
            if ((uintptr_t)slab->base == slab_base) return slab;
        }
    }
    // Search in full_slabs (O(N))
    for (int class_idx = 0; class_idx < TINY_NUM_CLASSES; class_idx++) {
        for (TinySlab* slab = ...; slab; slab = slab->next) {
            if ((uintptr_t)slab->base == slab_base) return slab;
        }
    }
    return NULL;
}

コスト内訳

string-builder: 40,000 free calls
× 2回 find_slab_by_ptr()
× 平均 3,000ns/call (O(N) 探索)
= 240,000,000 ns total
→ 6,000 ns/op (75%)

その他のオーバーヘッド:

• memset: 100 ns/op (1.3%)
• 関数呼び出し: 80 ns/op (1.0%)
• bitmap探索: 推定 1,691 ns/op (21.5%)

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💡 ChatGPT Pro 診断結果

判断: 継続推奨！諦めない

理由:

1. ✅ P0+TLS で桁が変わる - 7,871ns → 50-80ns (157倍高速化)
2. ✅ SACS/ELO の差別化 - Tiny帯でもHot/Warm/Cold適用可能
3. ✅ 一貫性 - L1/L2/L2.5/L3が同じ方針で動く

タイムボックス: P0で ≤200ns/op 切れなければL2.5に注力

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🎯 P0最適化戦略

Option B: Embedded Metadata (Slab先頭16Bにタグ)

実装:

typedef struct __attribute__((packed)) {
    uintptr_t xored_owner;   // owner ^ cookie
    uint32_t  magic;         // 0xH4KM3M01
    uint16_t  class_idx;
    uint16_t  epoch;         // ABA防止
} SlabTag;

static inline TinySlab* owner_slab(void* p) {
    uintptr_t base = (uintptr_t)p & ~(TINY_SLAB_SIZE-1);
    SlabTag* t = (SlabTag*)base;
    if (unlikely(t->magic != MAGIC)) return NULL;
    return (TinySlab*)((t->xored_owner) ^ cookie);  // O(1)!
}

期待効果: 6,000ns → 5ns (1200倍高速化)

Option C: 二重呼び出し削除

// hak_free_at() 修正
TinySlab* slab = owner_slab(ptr);  // ← 1回のみ
if (slab) {
    hak_tiny_free_with_slab(ptr, slab);
    return;
}

期待効果: 2倍高速化

memset全削除

ベンチマーク測定用memset以外を削除

期待効果: 100ns削減

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📊 期待される改善効果

改善	現状	改善後	効果
P0: Option B + C + memset削除	7,871 ns	1,871 ns	4.2倍高速
P1: TLS freelist	1,871 ns	50-80 ns	27倍高速
最終	7,871 ns	50-80 ns	157倍高速

mimalloc比: 18ns vs 50-80ns → 2.8-4.4倍遅い（許容範囲）

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🎯 最終目標

Scenario	現状	目標	mimalloc	達成度
string-builder	7,871 ns	50-80 ns	18 ns	mimalloc比 2.8-4.4倍 ✅
token-stream	99 ns	≤20 ns	9 ns	mimalloc比 2.2倍 ✅
small-objects	6 ns	≤10 ns	3 ns	mimalloc比 3.3倍 ✅

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📁 関連ファイル

実装

• apps/experiments/hakmem-poc/hakmem_tiny.h - Tiny Pool API
• apps/experiments/hakmem-poc/hakmem_tiny.c - Slab allocator実装
• apps/experiments/hakmem-poc/hakmem.c - 統合コード

ベンチマーク

• apps/experiments/hakmem-poc/bench_allocators.c - 3シナリオ実装
• apps/experiments/hakmem-poc/Makefile - ビルド設定

調査レポート

• apps/experiments/hakmem-poc/WARMUP_ZERO_EFFECT_INVESTIGATION.md - Task先生調査
• /tmp/chatgpt_tiny_pool_optimization.txt - ChatGPT Pro質問状
• /mnt/c/git/nyash-project/chatgpt_tiny_pool_optimization.txt - 同上（Windows版）

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✅ Phase 6.12 完了判定

基本実装: ✅ 完了 性能目標: ❌ 未達（mimalloc比 437倍遅い） 根本原因: ✅ 特定（find_slab_by_ptr 二重呼び出し） 最適化戦略: ✅ 確定（ChatGPT Pro承認済み）

次のステップ: Phase 6.12.1 (P0最適化) 実装開始

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作成者: Claude + Task先生 + ChatGPT Pro 作成日: 2025-10-21