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Phase 11.5b: Atomic操作最適化によるsync処理高速化

🎯 目標

Arcの重いロック操作を、可能な限り軽量なatomic操作に置き換えて性能を向上させる。

📊 現状の問題

現在の実装

// すべてのBox操作でMutexロック
pub fn get_field(&self, name: &str) -> Option<Box<dyn NyashBox>> {
    let fields = self.fields.lock().unwrap(); // 重い！
    fields.get(name).cloned()
}

// Read-onlyでも同じコスト
pub fn to_string(&self) -> String {
    let value = self.value.lock().unwrap(); // 不要なロック！
    value.clone()
}

パフォーマンス問題

• Read操作でも排他ロックのオーバーヘッド
• 複数スレッドでのcontention
• Cache line bouncing

🚀 実装計画

Step 1: Read-only path分析

// mir/readonly_analysis.rs
pub struct ReadOnlyAnalysis {
    // メソッドのread-only性
    readonly_methods: HashMap<(TypeId, String), bool>,
    // フィールドのimmutability
    immutable_fields: HashMap<(TypeId, String), bool>,
}

impl ReadOnlyAnalysis {
    pub fn analyze_box_types(&mut self, registry: &BoxRegistry) {
        // StringBox.length() -> read-only
        self.mark_readonly("StringBox", "length");
        self.mark_readonly("StringBox", "isEmpty");
        
        // IntegerBox.value() -> read-only
        self.mark_readonly("IntegerBox", "value");
        
        // プラグインメソッドも解析
        self.analyze_plugin_methods();
    }
}

Step 2: Atomic wrapper実装

// runtime/atomic_box.rs
pub struct AtomicBox<T: NyashBox> {
    // Read-optimized RwLock
    inner: Arc<RwLock<T>>,
    // Atomic cache for immutable data
    cached_string: AtomicPtr<String>,
    cached_int: AtomicI64,
}

impl<T: NyashBox> AtomicBox<T> {
    /// Lock-free read for cached values
    pub fn read_cached(&self) -> Option<Box<dyn NyashBox>> {
        // Atomic loadでキャッシュチェック
        let ptr = self.cached_string.load(Ordering::Acquire);
        if !ptr.is_null() {
            unsafe {
                let s = &*ptr;
                return Some(Box::new(StringBox::new(s.clone())));
            }
        }
        None
    }
    
    /// Optimized read path
    pub fn read_optimized<F, R>(&self, f: F) -> R 
    where 
        F: FnOnce(&T) -> R
    {
        // Try read lock first (non-blocking)
        if let Ok(guard) = self.inner.try_read() {
            return f(&*guard);
        }
        
        // Fallback to regular read
        let guard = self.inner.read().unwrap();
        f(&*guard)
    }
}

Step 3: JIT最適化

// jit/lower/atomic_opt.rs
impl<'a> LoweringBuilder<'a> {
    fn emit_box_method_call(&mut self, 
        box_val: Value, 
        method: &str, 
        args: &[Value]
    ) -> Value {
        // Read-only解析結果確認
        if self.readonly_info.is_readonly_method(box_val, method) {
            // Atomic fast path
            self.emit_atomic_read_path(box_val, method, args)
        } else {
            // 通常のMutexパス
            self.emit_mutex_path(box_val, method, args)
        }
    }
    
    fn emit_atomic_read_path(&mut self, 
        box_val: Value, 
        method: &str, 
        args: &[Value]
    ) -> Value {
        // 1. Atomic loadでcacheチェック
        let cache_ptr = self.emit_atomic_load(box_val, "cache");
        
        // 2. Cache hit判定
        let is_valid = self.emit_null_check(cache_ptr);
        
        // 3. 条件分岐
        let then_block = self.create_block();
        let else_block = self.create_block();
        self.emit_branch(is_valid, then_block, else_block);
        
        // Cache hit: lock-free return
        self.switch_to_block(then_block);
        let cached = self.emit_load(cache_ptr);
        self.emit_jump(merge_block);
        
        // Cache miss: RwLock読み取り
        self.switch_to_block(else_block);
        let value = self.emit_rwlock_read(box_val, method);
        self.emit_jump(merge_block);
        
        // Merge
        self.switch_to_block(merge_block);
        self.emit_phi(vec![(cached, then_block), (value, else_block)])
    }
}

Step 4: Memory ordering最適化

// プラットフォーム別最適化
#[cfg(target_arch = "x86_64")]
fn emit_memory_fence(&mut self, ordering: Ordering) {
    match ordering {
        Ordering::Relaxed => {}, // x86は強いメモリモデル
        Ordering::Acquire => self.emit_lfence(),
        Ordering::Release => self.emit_sfence(),
        Ordering::SeqCst => self.emit_mfence(),
    }
}

#[cfg(target_arch = "aarch64")]
fn emit_memory_fence(&mut self, ordering: Ordering) {
    // ARMは弱いメモリモデル
    match ordering {
        Ordering::Relaxed => {},
        Ordering::Acquire => self.emit_dmb_ld(),
        Ordering::Release => self.emit_dmb_st(),
        Ordering::SeqCst => self.emit_dmb(),
    }
}

📈 期待される効果

ベンチマーク

// Read-heavy workload
function sumStringLengths(strings) {
    local total = 0
    loop(s in strings) {
        total = total + s.length()  // Atomic最適化
    }
    return total
}

// 性能改善
// Before: 1000ms (Mutex contention)
// After:  100ms (Lock-free reads)

改善予測

• Read操作: 90%高速化
• Read/Write混在: 50%高速化
• マルチスレッド: スケーラビリティ大幅向上

🔍 検証方法

1. Lock統計

{
  "total_operations": 100000,
  "mutex_locks": 10000,
  "atomic_reads": 90000,
  "lock_reduction": 0.9,
  "contention_events": 50
}

2. プロファイリング

# Mutexプロファイル
NYASH_PROFILE_LOCKS=1 ./target/release/nyash bench.nyash

# Atomic最適化後
NYASH_ATOMIC_OPT=1 ./target/release/nyash bench.nyash

🚧 実装上の注意点

1. 正確性

   • Memory orderingの正しさ
   • ABA問題の回避
   • Weak pointer対応

2. 互換性

   • 既存APIの維持
   • プラグインとの相互運用

3. デバッグ性

   • Race condition検出
   • Lock順序の追跡

🎉 完了基準

• Read-only分析実装
• AtomicBox wrapper実装
• JIT統合
• マルチスレッドベンチマーク
• プラットフォーム別最適化