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🤖 Nyash MIR 26命令仕様書 (ChatGPT5設計版)

Everything is Box哲学・完璧なIR化実現 - 2025年8月17日版

🎯 概要

Nyash MIR 26命令は、ChatGPT5 + AI大会議により設計された、「化け物に伸びる余白」と「実装の現実」の最適バランスを実現する中間表現です。

🌟 設計思想

• RISC原則: 直交性・シンプル性重視
• 階層化設計: Tier-0/1/2による段階的実装
• Everything is Box: Box中心のセマンティクス
• Effect System: 最適化安全性の確保
• 所有権森: メモリ安全性の言語レベル保証

🏗️ 26命令完全仕様

Tier-0: 普遍的コア (8命令)

コンパイラ・仮想マシンの基盤となる必須命令

命令	形式	効果	説明
Const	%dst = const value	pure	定数値生成
BinOp	%dst = %lhs op %rhs	pure	二項演算（+,-,*,/,==,!=,<,>,and,or等）
Compare	%dst = %lhs cmp %rhs	pure	比較演算（専用最適化用）
Branch	br %cond -> %then, %else	control	条件分岐
Jump	jmp %target	control	無条件ジャンプ
Phi	%dst = phi [%val1:%bb1, %val2:%bb2]	pure	SSA φ関数
Call	%dst = call %func(%args...)	context	関数呼び出し
Return	ret %value?	control	関数戻り

Tier-1: Nyashセマンティクス (13命令)

Everything is Box哲学の核心実装

命令	形式	効果	説明
NewBox	%dst = new_box "Type"(%args...)	mut	強所有Box生成（所有森ノード）
BoxFieldLoad	%dst = %box.field	pure	Boxフィールド読み取り
BoxFieldStore	%box.field = %value	mut	Boxフィールド書き込み
BoxCall	%dst = %box.method(%args...)	context	Boxメソッド呼び出し
ExternCall	%dst = extern %iface.method(%args...)	context	外部ライブラリ呼び出し
Safepoint	safepoint	io	分割fini・割込み許可ポイント
RefGet	%dst = ref_get %ref	pure	参照から値取得
RefSet	ref_set %ref = %value	mut	参照先差し替え（所有規則検証付き）
WeakNew	%dst = weak_new %box	pure	weak参照生成
WeakLoad	%dst = weak_load %weak	pure	weak参照から値取得（失効時null）
WeakCheck	%dst = weak_check %weak	pure	weak参照生存確認
Send	send %data -> %target	io	Bus送信
Recv	%dst = recv %source	io	Bus受信

Tier-2: 実装補助・最適化友好 (5命令)

JIT/AOT最適化の基盤

命令	形式	効果	説明
TailCall	tail_call %func(%args...)	control	末尾呼び出し最適化
Adopt	adopt %parent <- %child	mut	所有権移管（親が子を取り込み）
Release	release %ref	mut	強所有解除（weak化/null化）
MemCopy	memcopy %dst <- %src, %size	mut	小規模メモリ移動最適化
AtomicFence	atomic_fence %ordering	io	並行時順序保証

🎭 Effect System - 最適化基盤

効果分類と最適化ルール

Pure効果 (8命令)

Const, BinOp, Compare, Phi, BoxFieldLoad, RefGet, WeakNew, WeakLoad, WeakCheck

• ✅ 再順序化可能: 副作用なし
• ✅ 共通部分式除去: 同一計算結果再利用
• ✅ 不変コード移動: ループ外移動可能

Mut効果 (5命令)

NewBox, BoxFieldStore, RefSet, Adopt, Release, MemCopy

• ⚠️ 同一リソース順序保持: 同じBox/同じFieldで依存関係維持
• ✅ 異なるリソース並列化: 別Box操作は並列実行可能

Io効果 (4命令)

Safepoint, Send, Recv, AtomicFence

• 🔒 順序保持必須: プログラム順序で実行
• ❌ 再順序化禁止: 副作用の整合性確保

Control効果 (4命令)

Branch, Jump, Return, TailCall

• 🌊 制御フロー変更: 基本ブロック境界制御
• 📊 静的解析対象: CFG構築・到達可能性解析

Context依存効果 (3命令)

Call, BoxCall, ExternCall

• 🔄 呼び出し先依存: 関数・メソッドの効果を継承
• 📝 BID/型情報: ExternCallはBID仕様から効果決定

🔧 所有権森システム

強参照森 (Ownership Forest)

// 基本原則: strong in-degree ≤ 1
%parent = NewBox "Parent"()
%child = NewBox "Child"()
Adopt %parent <- %child    // 子を親の強所有に移管

検証ルール

• ✅ DAG構造保証: 強参照による循環禁止
• ✅ 単一所有: 各Boxは最大1つの強参照のみ
• ✅ 所有移管: Adopt/Releaseによる安全な移転

weak参照システム

%weak = WeakNew %box       // weak参照生成
%alive = WeakCheck %weak   // 生存確認 (bool)
%value = WeakLoad %weak    // 値取得 (失効時null)

決定的挙動

• 🎯 失効時null: WeakLoadは例外なしでnull返却
• 🎯 失効時false: WeakCheckは例外なしでfalse返却
• 🔒 所有権なし: weakは削除を阻止しない

🚀 削減戦略 - 35命令からの移行

削除対象命令 (17命令)

BinOpに統合

• UnaryOp → BinOp（not %a → %a xor true）

BoxField操作に統合

• Load/Store → BoxFieldLoad/BoxFieldStore
• ArrayGet/ArraySet → BoxFieldLoad/BoxFieldStore（配列もBoxのフィールド）

intrinsic化

// 削除前
Print %value
Debug %value "message"

// 削除後（intrinsic化）
Call @print, %value
Call @debug, %value, "message"

完全削除

• Copy, Nop → 最適化パス専用（MIRから除外）
• TypeCheck, Cast → 型システム・最適化で処理
• Throw/Catch → Call経由例外ハンドリング

統合・置換

• RefNew → 削除（RefGetで代用）
• BarrierRead/BarrierWrite → AtomicFence統合
• FutureNew/FutureSet/Await → NewBox + BoxCall実装

新規追加命令 (10命令)

Box操作の明示化

• BoxFieldLoad/BoxFieldStore → Everything is Box核心
• Adopt/Release → 所有権移管の明示

弱参照完全対応

• WeakCheck → 生存確認の明示
• Send/Recv → Bus操作の一次市民化

最適化基盤

• TailCall, MemCopy, AtomicFence → JIT/AOT準備

📊 段階的移行戦略

Phase 1: 共存実装 (1週間)

• 新旧命令両対応のMIRパーサー実装
• BoxFieldLoad/BoxFieldStore等の新命令追加
• 既存命令は保持したまま新形式も受け入れ

Phase 2: フロントエンド移行 (1週間)

• AST→MIR生成を新形式のみに変更
• Load/Storeの代わりにBoxFieldLoad/BoxFieldStore生成
• intrinsic化対象はCall @intrinsic_name形式で生成

Phase 3: 最適化パス移行 (1週間)

• 全最適化パスを新命令対応に修正
• Effect分類の正確な実装
• 所有権森検証ルール実装

Phase 4: バックエンド移行 (1週間)

• Interpreter/VM/WASMの新命令対応
• intrinsic関数の実装（@print, @debug等）
• 削除予定命令の段階的無効化

Phase 5: 旧命令削除 (1週間)

• 削除対象17命令の完全除去
• テストスイート更新
• ドキュメント整備

🧪 検証・テスト戦略

Golden MIR テスト

# 全バックエンドでMIR出力一致確認
./target/release/nyash --dump-mir-26 program.hako > golden.mir
./target/release/nyash --backend vm --dump-mir-26 program.hako > vm.mir
./target/release/nyash --backend wasm --dump-mir-26 program.hako > wasm.mir
diff golden.mir vm.mir && diff vm.mir wasm.mir

所有権森検証

// 検証項目
fn verify_ownership_forest(mir: &MirModule) -> Result<(), VerifyError> {
    // 1. strong in-degree ≤ 1
    verify_strong_indegree_constraint()?;
    // 2. 強循環禁止（DAG構造）
    verify_no_strong_cycles()?;
    // 3. WeakLoad/WeakCheck決定的挙動
    verify_weak_determinism()?;
}

Effect System検証

// 最適化安全性確認
fn verify_effect_system(mir: &MirModule) -> Result<(), VerifyError> {
    // Pure命令の再順序化安全性
    verify_pure_reordering_safety()?;
    // Mut命令の依存関係保持
    verify_mut_dependency_preservation()?;
    // Io命令の順序保証
    verify_io_order_preservation()?;
}

🎯 成功基準

必須基準

• 26命令完全実装: 全命令が仕様通り動作
• Effect System動作: 4種効果の正確な分類・最適化
• 所有権森検証: 強参照森・weak参照の安全性保証
• Golden MIRテスト: 全バックエンドでMIR一致
• 性能維持: 削減後も性能劣化なし

理想基準

• 最適化効果実証: pure再順序化・CSE/LICM動作確認
• 所有権森活用: Adopt/Releaseによる効率的メモリ管理
• JIT準備完了: TailCall/MemCopyの最適化基盤確立

📚 関連ドキュメント

• ChatGPT5仕様: docs/予定/native-plan/copilot_issues_phase0_to_94.txt
• 実装移行計画: docs/予定/native-plan/issues/phase_8_5_mir_35_to_26_reduction.md
• Effect System詳細: docs/nyir/effect-system-specification.md

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策定: ChatGPT5 + AI大会議
Gemini評価: 「極めて健全」「断行推奨」
実装目標: 2025年9月完了予定