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# 🏆 Phase 10: LLVM Direct AOT（最高性能実現）

Status: Deferred（Cranelift JITをPhase 10の主経路に採用、AOTは後段研究）
Last Updated: 2025-08-25

## 📋 Summary
MIR→LLVM IR直接変換による最高性能AOT実現。Cranelift JITをスキップし、実用優先戦略でLLVMの強力な最適化を直接活用する。

## 🎯 実装目標
```bash
# Phase 9基盤の拡張
nyash --compile-llvm app.nyash -o app          # LLVM AOT実行ファイル生成
nyash --optimize app.nyash -o app              # 最適化AOT（LTO・PGO）
./app                                           # 最高性能実行

# 内部実装パイプライン
Nyash → AST → MIR → LLVM IR → 最適化 → ネイティブ実行ファイル
```

## 🔧 技術アプローチ

### 1. MIR→LLVM IR変換基盤
```rust
// 追加予定: src/backend/llvm/mod.rs
use llvm_sys::*;

pub struct LLVMBackend {
    context: LLVMContextRef,
    module: LLVMModuleRef,
    builder: LLVMBuilderRef,
}

impl LLVMBackend {
    pub fn compile_mir(&mut self, mir: &MirModule) -> Result<Vec<u8>, String> {
        // MIR→LLVM IR変換
        self.lower_mir_to_llvm(mir)?;
        
        // 最適化パス適用
        self.apply_optimization_passes()?;
        
        // ネイティブコード生成
        self.generate_object_code()
    }
}
```

### 2. エスケープ解析・ボックス化解除
```rust
// Everything is Box最適化の核心
pub struct EscapeAnalysis {
    // Box→スタック値最適化判定
    pub fn analyze_box_usage(&self, mir: &MirModule) -> BoxOptimizationMap,
    
    // 型特殊化機会検出
    pub fn detect_specialization(&self, mir: &MirModule) -> SpecializationMap,
}

// 最適化例:
// Before: %0 = NewBox(StringType, "hello")  // ヒープ割り当て
// After:  %0 = "hello"                      // スタック配置
```

### 3. LTO・PGO統合
```rust
// Link-time optimization
pub fn apply_lto(&self, modules: &[LLVMModuleRef]) -> Result<LLVMModuleRef, String> {
    // 関数間インライン・デッドコード除去
}

// Profile-guided optimization  
pub fn apply_pgo(&self, profile_data: &[u8]) -> Result<(), String> {
    // プロファイル情報による最適化
}
```

## 📊 パフォーマンス目標

| 指標 | Phase 9 AOT WASM | Phase 10 LLVM AOT | 改善率 |
|------|-------------------|-------------------|--------|
| **実行性能** | ~1.6ms | **<0.1ms** | **16倍向上** |
| **メモリ効率** | WASM制約あり | **Box割当80%削減** | **5倍効率** |
| **起動時間** | ~10ms | **<1ms** | **10倍高速** |
| **総合性能** | 500倍（対Interpreter） | **13500倍目標** | **27倍向上** |

## 🛠️ 実装ステップ（4-6ヶ月）

### Month 1-2: LLVM統合基盤
- [ ] LLVM-sys統合・ビルド環境整備
- [ ] MIR→LLVM IR基本変換
- [ ] 基本型・演算のLLVM表現
- [ ] 最小実行可能バイナリ生成

### Month 3-4: Everything is Box最適化
- [ ] エスケープ解析実装
- [ ] Box→スタック値最適化
- [ ] 型特殊化・インライン展開
- [ ] メモリレイアウト最適化

### Month 5-6: 高度最適化・プロダクション対応
- [ ] LTO・PGO統合
- [ ] プロファイル駆動最適化
- [ ] 他言語との性能比較
- [ ] プロダクションレベル品質確保

## 🔍 Everything is Box最適化戦略

### Box回避最適化
```nyash
// 元コード
local str = new StringBox("hello")
local len = str.length()

// LLVM最適化後（概念）
local str = "hello"        // スタック配置
local len = 5              // コンパイル時計算
```

### NaN Boxing活用
```rust
// 効率的な値表現
union NyashValue {
    ptr: *mut Box<dyn NyashBox>,  // ポインタ
    int: i64,                     // 整数直接格納
    float: f64,                   // 浮動小数点
    // NaN空間でタグ判別
}
```

### 型推論・特殊化
```rust
// 汎用版
fn generic_add(a: NyashValue, b: NyashValue) -> NyashValue

// 特殊化版（LLVM生成）
fn specialized_int_add(a: i64, b: i64) -> i64  // 直接レジスタ操作
```

## ✅ Acceptance Criteria

### 性能要件
- [ ] **1000倍高速化達成**（現在13.5倍 → 目標13500倍）
- [ ] **Box割当数80%削減**
- [ ] **起動時間ネイティブレベル**（<1ms）
- [ ] **メモリ使用量50%削減**

### 品質要件
- [ ] **既存プログラム100%互換**
- [ ] **全テストスイートPASS**
- [ ] **他言語との競争力**（C/C++/Rust並み性能）
- [ ] **プロダクション安定性**

### 技術要件
- [ ] **LLVM統合完全実装**
- [ ] **エスケープ解析実用レベル**
- [ ] **LTO・PGO動作確認**
- [ ] **CI自動化対応**

## 🚀 期待される効果

### 最高性能実現
- **ネイティブレベル性能**: C/C++/Rust並みの実行速度
- **メモリ効率**: Box操作の根本的最適化
- **起動高速**: 瞬時起動（<1ms）

### 競合優位確立
- **Everything is Box**: 史上初のBox哲学ネイティブ最適化
- **技術的差別化**: 独自最適化技術による優位性
- **プロダクション対応**: 実用レベルの高性能実現

### 言語完成
- **現代的言語**: 開発効率と実行性能の完全両立
- **エコシステム**: 高性能基盤による周辺ツール発展
- **採用促進**: 性能面での採用障壁完全除去

## 📖 References
- docs/予定/native-plan/copilot_issues.txt（Phase 10詳細）
- docs/予定/ai_conference_native_compilation_20250814.md（AI大会議結果）
- docs/予定/native-plan/issues/phase9_aot_wasm_implementation.md（Phase 9基盤）
- [LLVM Language Reference](https://llvm.org/docs/LangRef.html)
- [LLVM Optimization Guide](https://llvm.org/docs/Passes.html)

---

**💡 Tip**: Phase 9のAOT基盤を活用し、段階的にLLVM最適化を導入する戦略で確実な成果を目指します。

最終更新: 2025-08-14
作成者: Claude（実用優先戦略）