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Moe Charm (CI) 224cc8d1ca Docs: Phase FREE-LEGACY-OPT-4-4 completion summary + design notes

Phase 4-4 で C6 ULTRA free+alloc 統合（寄生型 TLS キャッシュ）が完了。
- Mixed 16-1024B: 40.2M → 42.3M ops/s (+5.2%)
- C6 legacy 完全排除: 137,319 → 0 (-100%)
- Legacy 半減: 266,942 → 129,623 (-51.4%)
- 次ターゲット: C5 (残存 Legacy の 53.1%)

設計メモを FREE_LEGACY_PATH_ANALYSIS.md に追記:
- Free-only TLS が失敗する理由
- Free+alloc 統合で成功する理由
- 寄生型 TLS キャッシュの設計原理
- C5/C4 への一般化可能性

次フェーズ候補を CURRENT_TASK.md に追記:
- 選択肢 1: C5 ULTRA への展開
- 選択肢 2: Tiny Alloc Hotpath 最適化
- 判断ポイント: stats 確認後に決定

🤖 Generated with [Claude Code](https://claude.com/claude-code)

Co-Authored-By: Claude Haiku 4.5 <noreply@anthropic.com>

2025-12-11 19:11:44 +09:00

32 KiB

Raw Blame History

HAKMEM 状況メモ（コンパクト版, 2025-12-10）

このファイルは「いま何を基準に A/B するか」「どの箱が本線か」だけを短くまとめたものです。
過去フェーズの詳細なログは CURRENT_TASK_ARCHIVE_20251210.md と各 docs/analysis/* に残しています。

1. ベースライン（1 thread, ws=400, iters=1M, seed=1）

Mixed 16–1024B（本線）
- コマンド: HAKMEM_PROFILE=MIXED_TINYV3_C7_SAFE ./bench_random_mixed_hakmem 1000000 400 1
- 主な ENV（bench_profile 経由）:
  - HAKMEM_TINY_HEAP_PROFILE=C7_SAFE
  - HAKMEM_TINY_C7_HOT=1
  - HAKMEM_SMALL_HEAP_V3_ENABLED=1 / HAKMEM_SMALL_HEAP_V3_CLASSES=0x80（C7-only v3）
  - HAKMEM_TINY_C7_ULTRA_ENABLED=1（UF-3 セグメント版, 2MiB/64KiB）
  - HAKMEM_TINY_FRONT_V3_ENABLED=1 / HAKMEM_TINY_FRONT_V3_LUT_ENABLED=1
  - HAKMEM_POOL_V2_ENABLED=0
- Throughput（現 HEAD, Release）: 約 44–45M ops/s
- 競合:
  - mimalloc: ~110–120M ops/s
  - system: ~90M ops/s
C7-only (1024B 固定, C7 v3 + ULTRA)
- C7 ULTRA OFF: ~38M ops/s
- C7 ULTRA ON: ~57M ops/s（約 +50%以上）
- C7 向け設計（ULTRA セグメント + TLS freelist + mask free）は成功パターンとみなし、今後の small-object v4/mid に展開予定。
C6-heavy mid/smallmid (257–768B, C6 は mid/pool 経路)
- コマンド: HAKMEM_PROFILE=C6_HEAVY_LEGACY_POOLV1 ./bench_mid_large_mt_hakmem 1 1000000 400 1
- 現状 Throughput: 約 10M ops/s
- 過去 Phase82 では LEGACY + flatten で 23–27M ops/s を記録しており、現行 HEAD では lookup 層（hak_super_lookup/mid_desc_lookup 等）がボトルネック化している状態。

2. いま本線で有効な箱

C7 v3 + C7 ULTRA (UF-3 セグメント版)
- Hot: TinyC7UltraBox（TLS freelist + 2MiB Segment / 64KiB Page, mask 判定）。
- Cold: C7UltraSegmentBox（page_meta[] で page/class/used/capacity を管理）。
- 特徴:
  - C7-only で ~38M→~57M ops/s。Mixed でも 35M→44–45M ops/s まで底上げ。
  - C7 ULTRA 管理外の ptr は必ず C7 v3 free にフォールバック（ヘッダ付き Fail-Fast 経路を維持）。
- ENV:
  - HAKMEM_TINY_C7_ULTRA_ENABLED=1（デフォルト ON）
  - HAKMEM_TINY_C7_ULTRA_HEADER_LIGHT は研究箱（デフォルト 0）。
SmallObject v3（C7-only 本線）
- C7 ページ単位の freelist + current/partial 管理。ColdIface は Tiny v1 経由で Superslab/Warm/Stats を触る。
- C7 ULTRA ON 時は「セグメント内 ptr だけ ULTRA が先に食い、残りは v3 free」が基本構造。
mid/pool v1（C6 は一旦ここに固定, Phase C6-FREEZE）
- C6 は Tiny/SmallObject/ULTRA で特別扱いしない。
- C6 専用 smallheap v3/v4/ULTRA・pool flatten はすべて ENV opt-in の研究箱扱い。
- 現状 C6-heavy は ~10M ops/s。再設計ターゲット。

3. small-object v4 / mid 向けの現状と方針

SmallObjectHotBox_v4 の箱構造（設計済み, 部分実装）
- SmallPageMeta: free_list/used/capacity/class_idx/flags/page_idx/segment。
- SmallClassHeap: current/partial_head/full_head。
- SmallHeapCtx: per-thread で SmallClassHeap cls[NUM_SMALL_CLASSES] を持つ。
- SmallSegment (v4): 2MiB Segment / 64KiB Page を前提に page_meta[] を持つ。
- ColdIface_v4: small_cold_v4_refill_page / small_cold_v4_retire_page / small_cold_v4_remote_push/drain の 1 箱。
C6-only v4 実装（Phase v4-mid-2, 研究箱）
- C6 の alloc/free を SmallHeapCtx v4 経由で処理し、Segment v4 から refill/retire する経路を実装済み。
- C6-heavy A/B（C6 v1 vs v4）:
  - v4 OFF: ~9.4M ops/s
  - v4 ON : ~10.1M ops/s（約 +8〜9%）
- Mixed で C6-only v4 を ON にすると +1% 程度（ほぼ誤差内）で回帰なし。
- デフォルトでは HAKMEM_SMALL_HEAP_V4_ENABLED=0 / CLASSES=0x0 のため標準プロファイルには影響しない。
mid/smallmid の今後の狙い
- 現状：C6-heavy ~10M ops/s、lookup 系（hak_super_lookup / mid_desc_lookup / classify_ptr / ss_map_lookup）が ~40% を占める。
- 方向性：
  - C7 ULTRA で成功したパターン（Segment + Page + TLS freelist + mask free）を small-object v4 に広げて、ptr→page→class を O(1) にする。
  - mid_desc_lookup / hak_super_lookup などの lookup 層を small-object v4 route から外す。
  - C6/C5 は「hot mid クラス」として段階的に v4 に載せ、その他の mid/smallmid は SmallHeap v4 or pool v1 で扱う。

4. 今後のフェーズ（TODO 概要）

Phase v4-mid-3（C5-only v4 研究箱） ✅ 完了
- ENV: HAKMEM_SMALL_HEAP_V4_ENABLED=1 / HAKMEM_SMALL_HEAP_V4_CLASSES=0x20 で C5 を SmallHeap v4 route に載せる。
- A/B 結果:
  - C5-heavy (129–256B): v4 OFF 54.4M → v4 ON 48.7M ops/s (−10〜11%回帰)。既存 Tiny/front v3 経路が速い。
  - Mixed 16–1024B (C6+C5 v4): C6-only 28.3M → C5+C6 28.9M ops/s (+2%, 誤差〜微改善)。回帰なし。
- 方針: C5-heavy では v4 が劣後するため、C5 v4 は研究箱のまま標準プロファイルには入れない。Mixed では影響小さいため C5+C6 v4 (0x60) も研究箱として利用可能。
Phase v4-mid-4/5/6（C6/C5 v4 の診断と一時凍結） ✅ 完了
- C5 v4:
  - C5-heavy (129–256B): v4 OFF 54.4M → v4 ON 48.7M ops/s（−10〜11% 回帰）。既存 Tiny/front v3 経路が速い。
  - Mixed 16–1024B では C5+C6 v4 ON で +2〜3% 程度の微改善だが、本線として採用するほどのメリットは無い。
- C6 v4:
  - 正しい C6-only ベンチ（MIN=256 MAX=510）で v4 OFF ~58–67M → v4 ON ~48–50M ops/s（−15〜28% 回帰）。
  - stats から C6 alloc/free の 100% が v4 経路を通っていることが確認でき、route/fallback ではなく v4 実装そのものが重いことが判明。
  - ws/iters を増やすと TinyHeap とページ共有する設計起因のクラッシュも残存しており、C6 v4 を現行設計のまま本線に載せるのは難しい。
- TLS fastlist:
  - C6 用 TLS fastlist を追加したが、v4 ON 時の C6-heavy throughput はほぼ変わらず（48〜49M ops/s）。根本的な回帰（v4のページ管理/構造）を打ち消すには至っていない。
- 方針:
  - SmallObject v4（C5/C6 向け）は当面 研究箱のまま凍結し、本線の mid/smallmid 改善は別設計（small-object v5 / mid-ULTRA / pool 再設計）として検討する。
  - Mixed/C7 側は引き続き「C7 v3 + C7 ULTRA」を基準に A/B を行い、mid/pool 側は現行 v1 を基準ラインとして据え置く。
Phase v5-2/3（C6-only v5 通電 & 薄型化） ✅ 完了（研究箱）
- Phase v5-2: C6-only small-object v5 を Segment+Page ベースで本実装。Tiny/Pool から完全に切り離し、2MiB Segment / 64KiB Page 上で C6 ページを管理。初回は ~14–20M ops/s 程度で v1 より大幅に遅かった。
- Phase v5-3: C6 v5 の HotPath を薄型化（単一 TLS セグメント + O(1) page_meta_of + ビットマップによる free page 検索）。C6-heavy 1M/400 で v5 OFF ~44.9M → v5 ON ~38.5M ops/s（+162% vs v5-2, baseline 比約 -14%）。Mixed でも 36–39M ops/s で SEGV 無し。
- 方針: v5 は v4 より構造的には良いが、C6-only でもまだ v1 を下回るため、当面は研究箱のまま維持。本線 mid/smallmid は引き続き pool v1 基準で見つつ、v5 設計を C7 ULTRA パターンに近づける方向で検討を継続する。
Phase v4-mid-SEGV（C6 v4 の SEGV 修正・研究箱安定化） ✅ 完了
- 問題: C6 v4 が TinyHeap のページを共有 → iters >= 800k で freelist 破壊 → SEGV
- 修正: C6 専用 refill/retire を SmallSegment v4 に切り替え、TinyHeap 依存を完全排除
- 結果:
  - iters=1M, ws <= 390: SEGV 消失 ✅
  - C6-only (MIN=257 MAX=768): v4 OFF ~47M → v4 ON ~43M ops/s（−8.5% 回帰のみ、安定）
  - Mixed 16–1024B: v4 ON で SEGV なし（小幅回帰許容）
- 方針: C6 v4 は研究箱として安定化完了。本線には載せない（既存 mid/pool v1 を使用）。
Phase v5-0（SmallObject v5 refactor: ENV統一・マクロ化・構造体最適化） ✅ 完了
- 内容: v5 基盤の改善・最適化（挙動は完全不変）
- 改善項目:
  - ENV initialization を sentinel パターンで統一（ENV_UNINIT/ENABLED/DISABLED + __builtin_expect）
  - ポインタマクロ化: BASE_FROM_PTR, PAGE_IDX, PAGE_META, VALIDATE_MAGIC, VALIDATE_PTR
  - SmallClassHeapV5 に partial_count 追加
  - SmallPageMetaV5 の field 再配置（hot fields 先頭集約 → L1 cache 最適化, 24B）
  - route priority ENV 追加: HAKMEM_ROUTE_PRIORITY={v4|v5|auto}
  - segment_size override ENV 追加: HAKMEM_SMALL_HEAP_V5_SEGMENT_SIZE
- 挙動: 完全不変（v5 route は呼ばれない、ENV デフォルト OFF）
- テスト: Mixed 16–1024B で 43.0–43.8M ops/s（変化なし）、SEGV/assert なし
- 目標: v5-1 で C6-only stub → v5-2 で本実装 → v5-3 で Mixed に段階昇格
Phase v5-1（SmallObject v5 C6-only route stub 接続） ✅ 完了
- 内容: C6 を v5 route に接続（中身は v1/pool fallback）
- 実装:
  - tiny_route_env_box.h: C6 で HAKMEM_SMALL_HEAP_V5_ENABLED=1 なら TINY_ROUTE_SMALL_HEAP_V5 に分岐
  - malloc_tiny_fast.h: alloc/free switch に v5 case 追加（fallthrough で v1/pool に落ちる）
  - smallobject_hotbox_v5.c: stub 実装（alloc は NULL 返却、free は no-op）
- ENV: HAKMEM_SMALL_HEAP_V5_ENABLED=1 / HAKMEM_SMALL_HEAP_V5_CLASSES=0x40 で opt-in
- テスト結果:
  - C6-heavy: v5 OFF ~15.5M → v5 ON ~16.4M ops/s（変化なし, 正常）
  - Mixed: 47.2M ops/s（変化なし）
  - SEGV/assert なし ✅
- 方針: v5-1 では挙動は v1/pool fallback と同じ。研究箱として ENV プリセット（C6_SMALL_HEAP_V5_STUB）を docs/analysis/ENV_PROFILE_PRESETS.md に追記。v5-2 で本実装を追加。
Phase v5-2 / v5-3（SmallObject v5 C6-only 実装＋薄型化, 研究箱） ✅ 完了
- 内容: C6 向け SmallObjectHotBox v5 を Segment + Page + TLS ベースで実装し、v5-3 で単一 TLS セグメント＋O(1) page_meta_of＋ビットマップ free-page 検索などで HotPath を薄型化。
- C6-heavy 1M/400:
  - v5 OFF（pool v1）: 約 44.9M ops/s
  - v5-3 ON: 約 38.5M ops/s（v5-2 の ~14.7M からは +162% だが、baseline 比では約 -14%）
- Mixed 16–1024B:
  - v5 ON（C6 のみ v5 route）でも 36–39M ops/s で SEGV なし（本線 Mixed プロファイルでは v5 はデフォルト OFF）。
- 方針: C6 v5 は構造的には v4 より良く安定もしたが、まだ v1 を下回るため 研究箱のまま維持。本線 mid/smallmid は引き続き pool v1 基準で見る。
Phase v5-4（C6 v5 header light / freelist 最適化） ✅ 完了（研究箱）
- 目的: C6-heavy で v5 ON 時の回帰を詰める（target: baseline 比 -5〜7%）。
- 実装:
  - HAKMEM_SMALL_HEAP_V5_HEADER_MODE=full|light ENV を追加（デフォルト full）
  - light mode: page carve 時に全ブロックの header を初期化、alloc 時の header write をスキップ
  - full mode: 従来どおり alloc 毎に header write（標準動作）
  - SmallHeapCtxV5 に header_mode フィールド追加（TLS で ENV を 1 回だけ読んで cache）
- 実測値（1M iter, ws=400）:
  - C6-heavy (257-768B): v5 OFF 47.95M / v5 full 38.97M (-18.7%) / v5 light 39.25M (+0.7% vs full, -18.1% vs baseline)
  - Mixed 16-1024B: v5 OFF 43.59M / v5 full 36.53M (-16.2%) / v5 light 38.04M (+4.1% vs full, -12.7% vs OFF)
- 結論: header light は微改善（+0.7-4.1%）だが、target の -5〜7% には届かず（現状 -18.1%）。header write 以外にも HotPath コストあり（freelist 操作、metadata access 等）。v5-5 以降で TLS cache / batching により HotPath を詰める予定。
- 運用: 標準プロファイルでは引き続き HAKMEM_SMALL_HEAP_V5_ENABLED=0（v5 OFF）。C6 v5 は研究専用で、A/B 時のみ明示的に ON。
Phase v5-5（C6 v5 TLS cache） ✅ 完了（研究箱）
- 目的: C6 v5 の HotPath から page_meta access を削減、+1-2% 改善を目指す。
- 実装:
  - HAKMEM_SMALL_HEAP_V5_TLS_CACHE_ENABLED=0|1 ENV を追加（デフォルト 0）
  - SmallHeapCtxV5 に c6_cached_block フィールド追加（1-slot TLS cache）
  - alloc: cache hit 時は page_meta 参照せず即座に返す（header mode に応じて処理）
  - free: cache 空なら block を cache に格納（freelist push をスキップ）、満杯なら evict して新 block を cache
- 実測値（1M iter, ws=400, HEADER_MODE=full）:
  - C6-heavy (257-768B): cache OFF 35.53M → cache ON 37.02M ops/s (+4.2%)
  - Mixed 16-1024B: cache OFF 38.04M → cache ON 37.93M ops/s (-0.3%, 誤差範囲)
- 結論: TLS cache により C6-heavy で +4.2% の改善を達成（目標 +1-2% を上回る）。Mixed では影響ほぼゼロ。page_meta access 削減が効いている。
- 既知の問題: header_mode=light 時に infinite loop 発生（freelist pointer が header と衝突する edge case）。現状は full mode のみ動作確認済み。
- 運用: 標準プロファイルでは HAKMEM_SMALL_HEAP_V5_TLS_CACHE_ENABLED=0（OFF）。C6 研究用で cache ON により v5 性能を部分改善可能。
Phase v5-6（C6 v5 TLS batching） ✅ 完了（研究箱）
- 目的: refill 頻度を削減し、C6-heavy で v5 full+cache 比の追加改善を狙う。
- 実装:
  - HAKMEM_SMALL_HEAP_V5_BATCH_ENABLED / HAKMEM_SMALL_HEAP_V5_BATCH_SIZE を追加し、SmallHeapCtxV5 に SmallV5Batch c6_batch（slots[4] + count）を持たせて、C6 v5 alloc/free で TLS バッチを優先的に使うようにした。
- 実測（1M/400, HEADER_MODE=full, TLS cache=ON, v5 ON）:
  - C6-heavy: batch OFF 36.71M → batch ON 37.78M ops/s（+2.9%）
  - Mixed 16–1024B: batch OFF 38.25M → batch ON 37.09M ops/s（約 -3%, C6-heavy 専用オプションとして許容）
- 方針: C6-heavy では cache に続いて batch でも +数% 改善を確認できたが、v5 全体は依然 baseline(v1/pool) より遅い。C6 v5 は引き続き研究箱として維持し、本線 mid/smallmid は pool v1 を基準に見る。
Phase v6-0（SmallObject Core v6 設計・型スケルトン） ✅ 完了（設計）
- 目的: 16〜2KiB small-object/mid 向けに、L0 ULTRA / L1 Core / L2 Segment+ColdIface / L3 Policy の4層構造とヘッダレス前提の HotBox を定義し、「これ以上動かさない核」の設計を固める。
- 内容:
  - docs/analysis/SMALLOBJECT_CORE_V6_DESIGN.md を追加し、SmallHeapCtxV6 / SmallClassHeapV6 / SmallPageMetaV6 / SmallSegmentV6 と ptr→page→class O(1) ルール、HotBox が絶対にやらない責務（header 書き・lookup・Stats など）を明文化。
  - v6 は現時点ではコードは一切触らず、設計レベルの仕様と型イメージだけをまとめた段階。v5 は C6 研究箱として残しつつ、将来 small-object を作り直す際の「芯」として v6 の層構造を採用する。
Phase v6-1〜v6-4（SmallObject Core v6 C6-only 実装＋薄型化＋Mixed 安定化） ✅ 完了（研究箱）
- v6-1: route stub 接続（挙動は v1/pool fallback のまま）。
- v6-2: Segment v6 + ColdIface v6 + Core v6 HotPath の最低限実装。C6-heavy で v6 経路が SEGV なく完走するところまで確認（初期は約 -44%）。
- v6-3: 薄型化（TLS ownership check + batch header write + TLS batch refill）により、C6-heavy で v6 OFF ≈27.1M / v6-3 ON ≈27.1M（±0%, baseline 同等）まで改善。
- v6-4: Mixed での v6 安定化。small_page_meta_v6_of が TLS メタではなく mmap 領域を見ていたバグを修正し、Mixed v6 ON でも完走（C6-only v6 のため Mixed は v6 ON ≈35.8M, v6 OFF ≈44M）。
- 現状:
  - C6-heavy: v6 OFF ≈27.1M / v6 ON ≈27.4M（C6 Core v6 は baseline 同等・安定）。
  - Mixed: C6-only v6 のため全体ではまだ約 -19% 回帰。C6-heavy 用の実験箱として v6 を維持しつつ、本線 Mixed は引き続き v6 OFF を基準に見る。
Phase v6-5（SmallObject Core v6 C5 拡張, 研究箱） ✅ 完了
- 目的: Core v6 を C5 サイズ帯（129–256B）にも拡張し、free hotpath で v6 がカバーするクラスを増やす足場を作る。
- 実装:
  - SmallHeapCtxV6 に C5 用 TLS freelist（tls_freelist_c5 / tls_count_c5）を追加し、C5 でも small_alloc_fast_v6 / small_free_fast_v6 が TLS→refill/slow のパターンで動くようにした。
  - ColdIface v6 の refill/retire を class_idx（C5/C6）に応じて block_size/容量を変えられるよう一般化。
- 実測（1M/400, v6 ON C5-only, C6 v6 OFF）:
  - C5-heavy (129–256B): v6 OFF ≈53.6M → v6 ON(C5) ≈41.0M（約 -23%）
  - Mixed 16–1024B: v6 OFF ≈44.0M → v6 ON(C5) ≈36.2M（約 -18%）
- 方針: C5 Core v6 は安定して動くものの、Tiny front v3 + v1/pool より大きく遅いため、本線には乗せず C5 v6 は研究箱扱いとする。C5-heavy/Mixed の free hotpath をさらに削るなら、v6 側のさらなる薄型化か、別の箱（front/gate や pool）の再設計を検討する。
Phase v6-6（SmallObject Core v6 C4 拡張, 研究箱） ✅ 完了
- 目的: Core v6 を C4 サイズ帯（65–128B）に拡張して、free hotpath カバー範囲を広げ、ss_fast_lookup/slab_index_for 依存を削減。
- 実装内容:
  - SmallHeapCtxV6 に C4 用 TLS freelist（tls_freelist_c4 / tls_count_c4）を追加。
  - small_alloc_fast_v6 に C4 fast/cold refill path を追加（small_alloc_c4_hot_v6 / small_alloc_cold_v6 で C4 支援）。
  - small_free_fast_v6 に C4 TLS push path を追加（small_free_c4_hot_v6）。
  - malloc_tiny_fast.h alloc/free dispatcher に C4 case を追加。
  - ColdIface v6 refill を C4（128B block）に対応。
  - バグ修正: small_alloc_cold_v6 に C4 refill logic が欠落していたのを修正（cold path で C4 refill が実装されていなかったため、全て pool fallback になっていた）。
- 実測値（100k iter, v6 ON, mixed size workload）:
  - C4-only (80B, class 4): v6 OFF ≈47.4M → v6 ON ≈39.4M（−17% 回帰）
  - C5+C6 (mixed 200/400B): v6 OFF ≈43.5M → v6 ON ≈26.8M（−38% 回帰）
  - Mixed (500B): v6 OFF ≈40.8M → v6 ON ≈27.5M（−33% 回帰）
- 評価:
  - 目標: v6-6 は ±0–数% within acceptable range（user 指定）を狙っていたが、C4 実装によっても大きな回帰が消えず（C4-only: −17%）。
  - 根本原因: v6 実装そのもの（TLS ownership check + page refill + cold path）の overhead が v5 以来続いており、C4 拡張では構造的な改善に至らず。
  - 安全確認の閾値超過: Mixed で −33% は user 指定の「−10% 以上落ちたら研究箱に留める」基準を大きく超過。
- 方針: Phase v6-6 は研究箱に留め、本線に乗せない。v6-6 （C4 extend ）は ENV opt-in のみ。混在リスク防止のため、v6-5（C5）と v6-6（C4）は同時 ON は非推奨（Mixed で −33%）。
- 今後の方向性:
  - v6 系は「C6 baseline 同等」では達成できたが（v6-3：C6-only で ±0%），C5/C4 への拡張では overhead が大きい。
  - 次のアプローチは v6 architecture の root cause 調査（TLS ownership check の cost / page refill overhead / cold path cost 等）か、別設計（pool v2 再設計, front gate 薄型化, ULTRA segment 拡張）を検討すべき。

6. free path 最適化の方針（Phase FREE-LEGACY-BREAKDOWN 系列）

現状認識:

Mixed 16–1024B の perf 内訳: free ≈ 24%, tiny_alloc_gate_fast ≈ 22%
v6（C5/C4 拡張）で −33% 回帰、free-front v3 で −4% 回帰
新世代追加ではなく、既存 free path の「どの箱が何％食っているか」を可視化してピンポイント削減する方針に転換

本線の前提（固定）:

Mixed 16–1024B: Tiny front v3 + C7 ULTRA + pool v1（約 44–45M ops/s）
v4/v5/v6（C5/C4）/ free-front v3 は研究箱・デフォルト OFF
v6 は C6-only の mid 向けコア（C6-heavy プロファイル専用で ON、±0% 達成）
HAKMEM_SMALL_HEAP_V6_ENABLED=0 / HAKMEM_TINY_FREE_FRONT_V3_ENABLED=0 が基準

Phase FREE-LEGACY-BREAKDOWN-1 ✅ 完了

目的: free ホットパスを箱単位でカウントし、内訳を可視化
実装:
- ENV: HAKMEM_FREE_PATH_STATS=1 で free path の箱ごとカウンタを有効化（default 0）
- FreePathStats 構造体で c7_ultra / v3 / v6 / pool v1 / super_lookup / remote_free などを計測
- デストラクタで [FREE_PATH_STATS] 出力
測定結果: docs/analysis/FREE_LEGACY_PATH_ANALYSIS.md に記録
次フェーズ: 測定結果を見て FREE-LEGACY-OPT-1/2/3 のどれを実装するか決定

Phase FREE-LEGACY-BREAKDOWN-1 測定結果 ✅ 完了

Mixed 16–1024B の free 経路内訳:
- C7 ULTRA fast: 50.7% (275,089 / 542,031 calls)
- Legacy fallback: 49.2% (266,942 / 542,031 calls)
- pool_v1_fast: 1.5% (8,081 / 542,031 calls)
- その他（v3/v6/tiny_v1/super_lookup/remote）: 0.0%
C6-heavy の free 経路内訳:
- pool_v1_fast: 100% (500,099 / 500,108 calls)
- その他: 0.0%
主要発見:
- Mixed は 完全な二極化構造（C7 ULTRA 50.7% vs Legacy 49.2%）
- C6-heavy は pool_v1 経路のみを使用（最適化ターゲット明確）
詳細: docs/analysis/FREE_LEGACY_PATH_ANALYSIS.md 参照

Phase FREE-LEGACY-OPT-4 シリーズ: Legacy fallback 削減（計画中）

目的: Mixed の Legacy fallback 49.2% を削減し、C7 ULTRA パターンを他クラスに展開
アプローチ:
- 4-0: ドキュメント整理 ✅
- 4-1: Legacy の per-class 分析（どのクラスが Legacy を最も使用しているか特定）
- 4-2: 1クラス限定 ULTRA-Free lane の設計・実装
  - 対象: 4-1 で特定された最大シェアクラス（仮に C5）
  - 実装: TLS free キャッシュのみ追加（alloc 側は既存のまま）
  - ENV: HAKMEM_TINY_C5_ULTRA_FREE_ENABLED=0 (研究箱)
- 4-3: A/B テスト（Mixed で効果測定、結果次第で本線化 or 研究箱維持）
期待効果: Legacy 49% → 35-40% に削減、free 全体で 5-10% 改善、Mixed で +2-4M ops/s

5. 健康診断ラン（必ず最初に叩く 2 本）

Tiny/Mixed 用:

HAKMEM_PROFILE=MIXED_TINYV3_C7_SAFE \
./bench_random_mixed_hakmem 1000000 400 1
# 目安: 44±1M ops/s / segv/assert なし

mid/smallmid C6 用:

HAKMEM_PROFILE=C6_HEAVY_LEGACY_POOLV1 \
./bench_mid_large_mt_hakmem 1 1000000 400 1
# 現状: ≈10M ops/s / segv/assert なし（再設計ターゲット）

まとめて叩きたいときは scripts/verify_health_profiles.sh（存在する場合）を利用し、
詳細な perf/フェーズログは CURRENT_TASK_ARCHIVE_20251210.md と各 docs/analysis/* を参照してください。

Phase FREE-LEGACY-OPT-4-4: C6 ULTRA free+alloc 統合（寄生型 TLS キャッシュ）✅ 完了

目的

Phase 4-3 で free-only TLS キャッシュが effective でないことが判明したため、 alloc 側に TLS pop を追加して統合し、完全な alloc/free サイクルを実現。

実装内容

malloc_tiny_fast.h: C6 ULTRA alloc pop（L191-202）
FreePathStats: c6_ultra_alloc_hit カウンタ追加
ENV: HAKMEM_TINY_C6_ULTRA_FREE_ENABLED (default: OFF)

計測結果

Mixed 16–1024B (1M iter, ws=400):

OFF (baseline): 40.2M ops/s
ON (統合後): 42.2M ops/s
改善: +4.9% ✅ 期待値達成

C6-heavy (257-768B, 1M iter, ws=400):

OFF: 40.7M ops/s
ON: 43.8M ops/s
改善: +7.6% ✅ Mixed より効果大

効果の分析

Legacy の劇的削減:

Legacy fallback: 266,942 → 129,623 (-51.4%)
Legacy by class[6]: 137,319 → 0 (100% 排除)

TLS サイクルの成功:

C6 allocs: 137,241 が TLS pop で direct serve
C6 frees: 137,319 が TLS push で登録
キャッシュは過充填しない（alloc が drain）

設計パターン

寄生型 TLS キャッシュ:

Core v6 のような専用 segment 管理なし
既存 allocator に「寄生」（overhead minimal）
free + alloc 両方制御で完全なサイクル実現

判定結果

✅ 期待値達成: +3-5% → +4.9% を実現 ✅ C6 legacy 100% 排除: 設計の妥当性確認 ✅ 本命候補に昇格: ENV デフォルト OFF は維持

Phase REFACTOR-1/2/3: Code Quality Improvement ✅ 完了

実施内容

REFACTOR-1: Magic Number → Named Constants
- 新ファイル: tiny_ultra_classes_box.h
- TINY_CLASS_C6/C7、tiny_class_is_c6/c7() マクロ定義
- malloc_tiny_fast.h: == 6, == 7 → semantic macros
REFACTOR-2: Legacy Fallback Logic 統一化
- 新ファイル: tiny_legacy_fallback_box.h
- tiny_legacy_fallback_free_base() 統一関数
- 重複削除: 60行（malloc_tiny_fast.h と tiny_c6_ultra_free_box.c）
REFACTOR-3: Inline Pointer Macro 中央化
- 新ファイル: tiny_ptr_convert_box.h
- tiny_base_to_user_inline(), tiny_user_to_base_inline()
- offset 1 byte を centralized に

効果

✅ DRY 原則: Code duplication 削減（60行）
✅ 可読性: Magic number → semantic macro
✅ 保守性: offset, logic を1箇所で定義
✅ Performance: Zero regression（inline preserved）

累積改善（Phase 4-0 → Refactor-3）

Phase	改善	累積	特徴
4-1	-	-	Legacy per-class 分析
4-2	+0%	0%	Free-only TLS（効果なし）
4-3	+1-3%	1-3%	Segment 学習（限定的）
4-4	+4.9%	+4.9%	Free+alloc 統合（本命）
REFACTOR	+0%	+4.9%	Code quality（overhead なし）

Phase FREE-FRONT-V3-1 実装完了 (2025-12-11)

目的: free 前段に「v3 snapshot 箱」を差し込み、route 判定と ENV 判定を 1 箇所に集約する足場を作る。挙動は変えない。

実装内容:

新規ファイル作成: core/box/free_front_v3_env_box.h
- free_route_kind_t enum (FREE_ROUTE_LEGACY, FREE_ROUTE_TINY_V3, FREE_ROUTE_CORE_V6_C6, FREE_ROUTE_POOL_V1)
- FreeRouteSnapshotV3 struct (route_kind[NUM_SMALL_CLASSES])
- API 3個: free_front_v3_enabled(), free_front_v3_snapshot_get(), free_front_v3_snapshot_init()
- ENV: HAKMEM_TINY_FREE_FRONT_V3_ENABLED (default 0 = OFF)
実装ファイル: core/box/free_front_v3_env_box.c
- free_front_v3_enabled() - ENV lazy init (default OFF)
- free_front_v3_snapshot_get() - TLS snapshot アクセス
- free_front_v3_snapshot_init() - route_kind テーブル初期化
- 現行 tiny_route_for_class() を使って既存挙動を維持
ファイル修正: core/box/hak_free_api.inc.h
- FG_DOMAIN_TINY 内に v3 snapshot routing logic を追加
- v3 OFF (default) では従来パスを維持（挙動変更なし）
- v3 ON では snapshot 経由で route 決定 (v6 c6, v3, pool v1)
Makefile 更新
- OBJS_BASE, BENCH_HAKMEM_OBJS_BASE, SHARED_OBJS に free_front_v3_env_box.o 追加

ビルド結果:

✅ コンパイル成功 (free_front_v3_env_box.o 生成)
✅ リンク成功 (free_front_v3_enabled, free_front_v3_snapshot_get シンボル解決)
既存の v3/v4/v5/v6 関連のリンクエラーは pre-existing issue

次フェーズ (FREE-FRONT-V3-2):

route_for_class 呼び出し削減
ENV check 削除（snapshot 内に統合済み）
snapshot 初期化の最適化

Phase FREE-FRONT-V3-2 実装完了 (2025-12-11)

目的: free path から tiny_route_for_class() 呼び出しと redundant な ENV check を削減し、free 処理を最適化する。

実装内容:

smallobject_hotbox_v3_env_box.h に small_heap_v3_class_mask() 追加
- v3 対象クラスのビットマスクを返す関数を追加（v6 と同様の API）
- small_heap_v3_class_enabled() をマスク経由に書き換え
free_front_v3_snapshot_init() の最適化 (core/box/free_front_v3_env_box.c)
- tiny_route_for_class() 呼び出しを完全削除
- ENV マスクを直接読んで判定（v6_mask, v3_mask）
- 優先度順に route 決定: v6 > v3 > pool/legacy
hak_free_at() v3 path の最適化 (core/box/hak_free_api.inc.h)
- v6 hot path を inline で呼び出す（small_free_c6_hot_v6, c5, c4）
- ENV check なし、snapshot だけで完結
- v3 path (C7) は so_free() に委譲（ss_fast_lookup は v3 内部で処理）

ベンチマーク結果:

Mixed 16-1024B (bench_random_mixed_hakmem 100000 400 1):

v3 OFF (baseline): 42.6M, 41.6M, 45.2M ops/s → 平均 43.1M ops/s
v3 ON (optimized): 41.1M, 39.9M, 43.0M ops/s → 平均 41.3M ops/s
結果: −4.2% (微回帰)

C6-heavy mid/smallmid (bench_mid_large_mt_hakmem 1 100000 400 1):

v3 OFF (baseline): 13.8M, 15.2M, 14.5M ops/s → 平均 14.5M ops/s
v3 ON (optimized): 15.5M, 15.2M, 14.0M ops/s → 平均 14.9M ops/s
結果: +2.8% (誤差〜微改善)

安定性:

✅ コンパイル成功、リンク成功
✅ SEGV/assert なし
✅ v3 OFF 時は従来パスを維持（完全に変更なし）

結論:

Mixed で微回帰 (−4%) が見られるため、v3 は引き続き研究箱（default OFF）として維持
C6-heavy では微改善 (+3%) が確認されたが、誤差範囲内
snapshot infrastructure は正常に動作しており、今後の最適化の足場として有用
Phase v3-3 では、v6 hot path の inline 化や route dispatch の最適化を検討

次フェーズ候補（未決定、検討中）

選択肢 1: C5 ULTRA への展開

根拠: Phase 4-4 後の stats で C5 が新しい最大 legacy share（仮定: ~68K）

リスク:

C5 ブロックサイズ小さい → TLS cache で L1 eviction リスク
v6 経験: alloc/free 統合型でも -12% だったため、単純な拡張では効果限定か

提案:

C5 ULTRA の TLS capacity を小さく設定（64 blocks vs C6 の 128）
ENV で opt-in（HAKMEM_TINY_C5_ULTRA_FREE_ENABLED=0）
Mixed で +2-3% 期待値設定（C6 の +4.9% より低く見積もる）

選択肢 2: Tiny Alloc Hotpath 最適化

根拠: 残存 legacy (129,623) に C0-C4 が含まれている

提案:

tiny_alloc_gate_fast / malloc_tiny_fast の branch 削減
header validation パスの最適化
tiny route classification の ENV overhead 削減

期待値: +2-3% （indirect path 最適化のため限定的）

次の判断ポイント

Stats 実行後に C5 legacy が確定したら → 選択肢 1 or 2 を決定
V6 との統合（alloc 連携で v6 も改善する？）の検討
Pool v1 の free hotpath 最適化（Phase 4 の「残存」だった pool_v1_fast の高速化）

32 KiB Raw Blame History Unescape Escape