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# V7 Architecture Decision Matrix

**Date**: 2025-12-12
**Purpose**: mimalloc 競争力評価 + v7-5 方向性の決定基準を明確化

---

## 1. mimalloc vs HAKMEM v7 比較表

### 1-1. アーキテクチャ比較

| 要素 | mimalloc | HAKMEM v7 (C6-only) | Gap | 対策 |
|------|----------|---------------------|-----|------|
| **Free List 構造** | Intrusive LIFO (ブロック内 next ptr) | Page metadata explicit freelist | **-2~3%** | Intrusive LIFO 採用検討 |
| **Size Class 数** | 128 (fine-grained) | 8 (C0-C7) | **-1~2%** | 現状維持 (overhead 分摊で対応) |
| **Page Size** | 8KB (L1 cache fit) | 64KB (ULTRA 互換) | **±0%** | tradeoff 異なる (検証必要) |
| **Segment Size** | 4MB on-demand | 2MB fixed | **±0%** | 同等 |
| **Lookup Cost** | Direct array O(1) | RegionIdBox binary search O(log N) | **-1~2%** | TLS fast path で緩和済み |
| **Header** | なし (headerless) | 薄く残す (1 byte) | **-0.5%** | v6 headerless パターン適用検討 |
| **TLS Access** | 1 read + array index | TLS bounds check + page_meta | **-1%** | TLS hint 最適化済み |
| **Remote Free** | Lock-free MPSC | Lock-free MPSC (同等) | **±0%** | 同等 |
| **Stats Overhead** | Batched/deferred | Atomic increment on hot path | **-0.5~1%** | Stats を cold path へ移動 |

### 1-2. Hot Path 比較 (14 ns vs 現状)

**mimalloc hot path** (14 ns):
```c
mi_heap_t* heap = mi_get_default_heap();     // 2 ns: TLS read
int cls = mi_size_to_class(size);             // 3 ns: LUT + BSR
mi_page_t* page = heap->pages[cls];           // 1 ns: array index
void* p = page->free;                         // 3 ns: load free head
page->free = *(void**)p;                      // 3 ns: update free
return p;                                     // 2 ns
```

**HAKMEM v7 hot path** (推定 18-22 ns):
```c
SmallHeapCtx_v7* ctx = small_heap_ctx_v7();   // 2 ns: TLS read
SmallClassHeap_v7* h = &ctx->cls[class_idx];  // 1 ns: array index
SmallPageMeta_v7* p = h->current;             // 2 ns: load current
void* base = p->free_list;                    // 3 ns: load free head
p->free_list = *(void**)base;                 // 3 ns: update free
p->used++;                                    // 1 ns: counter
((uint8_t*)base)[0] = HEADER_MAGIC | class;   // 2 ns: header write
small_v7_stat_alloc();                        // 2 ns: atomic stats
return (uint8_t*)base + 1;                    // 2 ns: USER ptr
```

**Gap 内訳**:
| Step | mimalloc | v7 | Diff | 削減可能? |
|------|----------|-----|------|----------|
| TLS access | 2 ns | 2 ns | 0 | - |
| Class lookup | 3 ns | 1 ns | -2 ns | ✅ v7 の方が速い |
| Page lookup | 1 ns | 2 ns | +1 ns | 改善可能 |
| Free list op | 6 ns | 6 ns | 0 | - |
| Counter update | 0 ns | 1 ns | +1 ns | cold path へ移動 |
| Header write | 0 ns | 2 ns | +2 ns | headerless 化 |
| Stats | 0 ns | 2 ns | +2 ns | cold path へ移動 |
| Return | 2 ns | 2 ns | 0 | - |
| **Total** | **14 ns** | **18 ns** | **+4 ns** | **-3~4 ns 可能** |

### 1-3. 競争力評価

**現状 v7 の立ち位置**:
- Legacy baseline: 58.6M ops/s
- v7 Phase v7-3: 56.3M ops/s (-4.3%)
- mimalloc 推定: 71M ops/s (+21% vs legacy)

**v7 が mimalloc に追いつくには**:
1. Header write 削除: +2 ns 改善
2. Stats を cold path へ: +2 ns 改善
3. Counter を cold path へ: +1 ns 改善
4. **合計**: 18 ns → 13-14 ns (mimalloc と同等)

**結論**: 設計上 mimalloc と **同等まで到達可能**。ただし intrusive LIFO 採用が鍵。

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## 2. v7-5 方向性の決定基準

### 2-1. v7-5a vs v7-5b 比較表

| 項目 | v7-5a (C6 極限最適化) | v7-5b (Multi-class 拡張) |
|------|----------------------|-------------------------|
| **目標** | C6-only で -4.3% → ±0% | C5+C6 で overhead 分摊 |
| **作業量** | 小 (hotbox 微調整) | 中 (Segment 複数化, TLS hint 拡張) |
| **リスク** | 効果薄い可能性 (diminishing returns) | 複雑度増加 |
| **成功時の効果** | C6 で mimalloc 同等 | C5+C6 で -2% (予測) |
| **失敗時の影響** | 時間の無駄 (1-2日) | 設計変更のコスト (数日) |
| **検証方法** | A/B bench (C6-heavy) | Mixed bench + per-class stats |

### 2-2. 決定フレームワーク

**v7-5a を選ぶ条件**:
1. C6 の hot path に明確なボトルネックがある
2. Header write / Stats を cold path へ移動する具体策がある
3. 1-2 日で A/B 検証可能

**v7-5b を選ぶ条件**:
1. C6-only では overhead 削減に限界がある (既に TLS 最適化済み)
2. C5/C4 の allocation が実 workload で significant
3. overhead 分摊の理論値 (-4.3% → -2%) が魅力的

### 2-3. 推奨: **v7-5a を先に試す**

**理由**:
1. **低コスト**: 1-2 日で結果が出る
2. **具体的改善点が明確**: Header write + Stats 移動
3. **失敗しても学び**: 限界が分かれば v7-5b へ移行
4. **成功すれば**: C6 で mimalloc 同等 → 強力な武器

**v7-5a タスク**:
```
1. Header write を条件付きにする (ENV: HAKMEM_V7_HEADERLESS=1)
2. small_v7_stat_alloc() を #ifdef HAKMEM_V7_STATS で囲む
3. p->used++ を ColdIface retire 時に計算
4. A/B bench: C6-heavy (400-510B) で v7 ON/OFF
```

**成功基準**:
- C6-heavy: v7 ON が legacy ±2% 以内
- Mixed: v7 ON が legacy と同等以上

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## 3. Intrusive LIFO 採用検討

### 3-1. 現状 (Explicit Freelist)

```c
// SmallPageMeta_v7
void* free_list;  // page metadata に freelist head

// Alloc
void* base = p->free_list;
p->free_list = *(void**)base;

// Free
*(void**)base = p->free_list;
p->free_list = base;
```

**問題**: free_list が page_meta 内にあり、間接参照が必要。

### 3-2. Intrusive LIFO (mimalloc 方式)

```c
// Block 内に next pointer を埋め込む
// Free block:
// +0: next_ptr (8 bytes) - 次の free block へのポインタ
// +8: (unused)

// Alloc
void* p = page->free;              // free head (block 先頭)
page->free = *(void**)p;           // block 内の next を読む

// Free
*(void**)p = page->free;           // block 内に next を書く
page->free = p;
```

**利点**:
- **Zero metadata per block**: free 時に block 自身に next を書く
- **Cache locality**: 直前に free した block は L1 cache にある
- **Minimal indirection**: page→free だけで完結

### 3-3. v7 への適用可能性

**現状 v7 の構造**:
```
SmallPageMeta_v7
├── free_list (void*)     ← page_meta 内
├── used (uint32_t)
├── capacity (uint32_t)
└── ...

Block (512B for C6)
├── [0]: header (1 byte)  ← USER ptr = base + 1
└── [1-511]: user data
```

**Intrusive 化案**:
```
SmallPageMeta_v7
├── free (void*)          ← 直接 block を指す (base ptr)
├── used (uint32_t)
└── ...

Free Block (512B)
├── [0-7]: next_ptr       ← intrusive next pointer
└── [8-511]: (unused when free)

Allocated Block (512B)
├── [0]: header (optional)
└── [1-511]: user data
```

**変更点**:
1. `free_list` を `free` にリネーム (semantic 変更)
2. free 時: `*(void**)base = page->free; page->free = base;`
3. alloc 時: `void* p = page->free; page->free = *(void**)p;`
4. Header は USER ptr 計算時のみ使用 (hot path から削除可能)

### 3-4. 採用判断

**採用する場合のメリット**:
- +2 ns 改善 (page_meta 間接参照削減)
- mimalloc と同じデータ構造 → 同等性能の可能性

**採用しない場合の理由**:
- 既存 v7 コードの変更が必要
- Header との互換性を慎重に検討必要
- v6 headerless との設計統合を先に検討すべき

**結論**: **v7-5a の後で検討**。まず Header/Stats 削除で効果を測る。

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## 4. TLS Cache Hit Rate 目標

### 4-1. 現状の TLS Fast Path

```c
// Phase v7-3 で追加
if (addr >= ctx->tls_seg_base && addr < ctx->tls_seg_end) {
    // TLS hit: RegionIdBox skip
    size_t page_idx = (addr - ctx->tls_seg_base) >> SMALL_PAGE_V7_SHIFT;
    SmallPageMeta_v7* page = &seg->page_meta[page_idx];
    // ... free logic
} else {
    // TLS miss: RegionIdBox fallback
    RegionLookupV6 lk = region_id_lookup_v6(ptr);
    // ...
}
```

### 4-2. Hit Rate 目標

| Workload | TLS Hit Rate 目標 | 現状推定 | 根拠 |
|----------|------------------|----------|------|
| C6-heavy | 99%+ | 95-98% | ほぼ同一 segment |
| Mixed | 90%+ | 80-90% | 複数 class で分散 |
| Multi-thread | 85%+ | 75-85% | Remote free 混在 |

### 4-3. Hit Rate 測定方法

```c
// ENV: HAKMEM_V7_TLS_STATS=1
static uint64_t g_v7_tls_hit = 0;
static uint64_t g_v7_tls_miss = 0;

// In free path
if (addr >= ctx->tls_seg_base && addr < ctx->tls_seg_end) {
    __sync_fetch_and_add(&g_v7_tls_hit, 1);
    // ...
} else {
    __sync_fetch_and_add(&g_v7_tls_miss, 1);
    // ...
}

// At exit
fprintf(stderr, "[V7_TLS] hit=%lu miss=%lu rate=%.2f%%\n",
        g_v7_tls_hit, g_v7_tls_miss,
        100.0 * g_v7_tls_hit / (g_v7_tls_hit + g_v7_tls_miss));
```

### 4-4. 改善策 (Hit Rate < 目標の場合)

1. **Multi-segment TLS hint** (v7-5b で必要):
   ```c
   struct {
       uintptr_t seg_base;
       uintptr_t seg_end;
       SmallSegment_v7* seg;
   } tls_seg[5];  // C3-C7 用
   ```

2. **Last-page cache** (既に設計あり):
   ```c
   uintptr_t last_page_base;
   uintptr_t last_page_end;
   SmallPageMeta_v7* last_page_meta;
   ```

3. **Segment 再利用**: 同一 class の allocation が同一 segment に集中するよう誘導

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## 5. Overhead 内訳の実測計画

### 5-1. 現状の仮説 (-4.3% 内訳)

| 要因 | 推定 | 対策 |
|------|------|------|
| Page metadata 間接参照 | ~2% | Intrusive LIFO |
| Extra validation | ~1% | Branch 最適化 |
| RegionIdBox fallback | ~1% | TLS cache 強化 |
| Header write | ~0.3% | Headerless 化 |
| **合計** | **~4.3%** | |

### 5-2. 実測方法

**Step 1: Header write 削除**
```bash
# ENV で headerless 有効化
HAKMEM_V7_HEADERLESS=1 ./bench_random_mixed_hakmem
# 効果測定: -0.3% 改善なら仮説検証
```

**Step 2: Stats 削除**
```bash
# Stats を compile-time で無効化
make clean && make CFLAGS="-DHAKMEM_V7_NO_STATS"
# 効果測定: -0.5% 改善なら仮説検証
```

**Step 3: TLS hit rate 測定**
```bash
HAKMEM_V7_TLS_STATS=1 ./bench_random_mixed_hakmem
# Hit rate < 90% なら TLS 改善が必要
```

**Step 4: Page metadata 間接参照**
```bash
# Intrusive LIFO 試験実装
# 効果測定: -2% 改善なら大きな勝利
```

### 5-3. 検証完了基準

| 仮説 | 実測結果 | 判定 |
|------|----------|------|
| Header write ~0.3% | 実測値 | ±0.2% なら OK |
| Stats ~0.5% | 実測値 | ±0.3% なら OK |
| TLS fallback ~1% | Hit rate × miss cost | 計算で検証 |
| Page metadata ~2% | Intrusive 後の差分 | ±0.5% なら OK |

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## 6. 次のアクション

### 6-1. 即時 (v7-5a: 1-2 日)

1. **Header write 条件化**:
   - `smallobject_hotbox_v7_box.h` に `#ifdef HAKMEM_V7_HEADERLESS` 追加
   - Free path で header validation をスキップ

2. **Stats を cold path へ**:
   - `small_v7_stat_alloc()` を `#ifdef HAKMEM_V7_STATS` で囲む
   - Default OFF で bench

3. **A/B bench**:
   - C6-heavy: `HAKMEM_BENCH_MIN_SIZE=400 HAKMEM_BENCH_MAX_SIZE=510`
   - v7 ON/OFF 比較

### 6-2. 短期 (v7-5a 評価後: 2-3 日)

4. **TLS hit rate 測定**:
   - Stats 追加して hit/miss ratio 確認
   - < 90% なら multi-segment hint 検討

5. **Intrusive LIFO 試験**:
   - small_heap_alloc_fast_v7 を intrusive 版に書き換え
   - A/B bench で効果測定

### 6-3. 中期 (v7-5b 検討: 1 週間)

6. **Multi-class 拡張設計**:
   - C5 対応の Segment 設計
   - TLS context 拡張 (tls_seg[5])

7. **v6 headerless 統合**:
   - v6 と v7 の headerless パターン統合
   - RegionIdBox で class_idx 取得を共通化

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## 7. 結論

### mimalloc に勝てるか?

**Yes, 設計上は可能**。

条件:
1. Intrusive LIFO 採用 (+2 ns)
2. Header write 削除 (+2 ns)
3. Stats を cold path へ (+2 ns)
4. TLS hit rate 90%+ 維持

これで v7 は 13-14 ns (mimalloc 同等) に到達可能。

### v7-5 の推奨

**v7-5a (C6 極限最適化) を先に実施**。

理由:
- 低コスト (1-2 日)
- 具体的改善点が明確
- 成功すれば v7-5b は不要かもしれない
- 失敗しても学びがある

### 最終目標

| Phase | 目標 | 達成基準 |
|-------|------|----------|
| v7-5a | C6 で legacy ±2% | C6-heavy bench |
| v7-5b | C5+C6 で legacy ±0% | Mixed bench |
| v7-6 | mimalloc 同等 | Intrusive LIFO + Headerless |

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**Document Status**: COMPLETE
**Next Action**: v7-5a 実装開始
**Decision Owner**: User