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# LoopSignal IR: Box×Loopによる制御統一と最小MIR設計
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## 1. 背景と問題
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NyashのMIR（Middle Intermediate Representation）は現在、制御フロー命令が分散している：
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- `if`/`while`/`for`がそれぞれ独立した命令
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- `return`/`break`/`continue`が個別の特殊形式
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- ジェネレータ/async/await の統一的表現がない
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- Box哲学（Everything is Box）とLoop哲学（Everything is Loop）が未統合
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**問題点**：
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1. 最適化パスが各制御構造を個別に扱う必要がある
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2. 新しい制御構造（generator/async）の追加が困難
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3. LLVM IRへの変換が複雑（各構文ごとの特殊ケース）
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4. デバッグ情報（DWARF）の一貫性が保ちにくい
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## 2. 目標
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**ユースケース**を統一的に扱える最小MIR設計：
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- `scope` - RAII/デストラクタ呼び出し
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- `if`/`while`/`for` - 条件分岐とループ
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- `function`/`return` - 関数呼び出しと戻り値
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- `generator`/`yield` - 中断可能な計算
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- `async`/`await` - 非同期計算（将来）
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**設計原則**：
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- Everything is Box × Everything is Loop の融合
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- 最小命令セット（4命令）ですべての制御を表現
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- LLVM IRへの直接的なマッピング
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- 段階的導入可能（既存MIRとの共存）
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## 3. 設計
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### 3.1 型: LoopSignal<T>
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```rust
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// LoopSignal = 制御フロー + 値の統一表現
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enum LoopSignal<T> {
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Next(T), // 継続（次のイテレーション）
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Break(T), // 脱出（ループ終了）
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Yield(T), // 中断（ジェネレータ）
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Return(T), // 復帰（関数終了）- オプション
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}
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// LLVM表現: { i8 tag, iN value }
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// tag: 0=Next, 1=Break, 2=Yield, 3=Return
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```
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### 3.2 MIR命令
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```
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loop.begin <label> <init_block>
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; 前提条件: スタックトップにLoopBox
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; 事後条件: ループコンテキスト確立、init実行
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loop.iter <label> <step_block>
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; 前提条件: ループコンテキスト存在
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; 事後条件: Signal生成、スタックにpush
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loop.branch <label> <next_block> <break_block> [<yield_block>]
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; 前提条件: スタックトップにSignal
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; 事後条件: Signalに応じて分岐
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; 未定義動作: 想定外のSignalタグ
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loop.end <label> <fini_block>
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; 前提条件: ループコンテキスト存在
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; 事後条件: fini実行、コンテキスト破棄
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```
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### 3.3 Box=Loop1（init/step/fini）
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```rust
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// すべてのBoxは1回ループ（Loop1）として表現可能
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trait LoopBox {
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fn init(&mut self); // 初期化
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fn step(&mut self) -> Signal; // 実行（1回でBreak）
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fn fini(&mut self); // 終了処理
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}
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// RAII対応: finiでデストラクタ呼び出し
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```
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### 3.4 Lowering規則
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**scope（RAII）**:
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```
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scope { body } →
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loop.begin L init=nop
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loop.iter L step=body;Break
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loop.branch L next=unreachable break=done
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loop.end L fini=cleanup
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```
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**while**:
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```
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while(cond) { body } →
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loop.begin L init=nop
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loop.iter L step=if(cond,Next,Break)
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loop.branch L next=body_then_loop break=done
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loop.end L fini=nop
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```
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**for-in**:
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```
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for x in iter { body } →
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loop.begin L init=iter.init
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loop.iter L step=iter.next
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loop.branch L next=bind(x);body break=done
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loop.end L fini=iter.fini
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```
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**return**:
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```
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return value →
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Signal::Return(value)
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; 関数全体がLoopBoxなので、Returnで脱出
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```
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**yield**:
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```
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yield value →
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Signal::Yield(value)
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; ジェネレータのloop.branchがyield_blockを持つ
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```
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## 4. 例
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### while(true){break} の最小例
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**Before（現在のMIR）**:
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```
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while_begin:
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push true
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branch_if_false while_end
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jump while_break ; break
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while_end:
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```
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**After（LoopSignal IR）**:
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```
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loop.begin L1 init=nop
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loop.iter L1 step=push(Break(unit))
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loop.branch L1 next=unreachable break=done
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loop.end L1 fini=nop
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done:
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```
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### for-inのLoopBox化
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```
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for x in [1,2,3] { print(x) } →
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loop.begin L1 init={
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iter = ArrayIterBox([1,2,3])
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iter.init()
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}
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loop.iter L1 step={
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signal = iter.step() ; Next(1), Next(2), Next(3), Break
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}
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loop.branch L1
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next={ x = signal.value; print(x) }
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break=done
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loop.end L1 fini={
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iter.fini() ; イテレータのクリーンアップ
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}
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```
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### scope=Loop1の畳み込み
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```
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{ let x = File("data"); x.read() } →
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loop.begin L1 init={ x = File("data") }
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loop.iter L1 step={ x.read(); Break }
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loop.branch L1 next=unreachable break=next
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loop.end L1 fini={ x.close() } ; RAII
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```
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## 5. 図（Mermaid）
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### 合流点を1箇所に集約したdispatch CFG
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```mermaid
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graph TD
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Start[loop.begin] --> Init[init block]
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Init --> Iter[loop.iter]
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Iter --> Step[step block]
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Step --> Signal{loop.branch}
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Signal -->|Next| Body[next block]
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Body --> Iter
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Signal -->|Break| End[loop.end]
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Signal -->|Yield| Yield[yield block]
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Yield -.->|resume| Iter
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End --> Fini[fini block]
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Fini --> Done[done]
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style Signal fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:4px
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```
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### Signalタグに基づくswitch分岐の構造
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```mermaid
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graph LR
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Stack[Signal on Stack] --> Extract[Extract tag]
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Extract --> Switch{switch tag}
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Switch -->|0: Next| NextBB[next_block]
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Switch -->|1: Break| BreakBB[break_block]
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Switch -->|2: Yield| YieldBB[yield_block]
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Switch -->|3: Return| ReturnBB[return_block]
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Switch -->|default| Trap[unreachable/trap]
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style Switch fill:#ff9,stroke:#333,stroke-width:2px
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```
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## 6. 最適化と安全性
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### Loop1インライン化
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- 1回だけ実行されるループは完全にインライン化可能
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- `loop.begin → step → loop.end` を直接実行に変換
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### 状態省略
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- ステートレスなLoopBoxはinit/finiを省略
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- LLVMのmem2regで自動的に最適化
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### DCE/LICM/Inline適用条件
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- **DCE（Dead Code Elimination）**: unreachableなnext blockを削除
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- **LICM（Loop Invariant Code Motion）**: LoopBox内の不変式を外に移動
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- **Inline**: 小さなstep関数は自動インライン化
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### DWARF対策
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- 各loop命令に元のソース位置情報を保持
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- デバッガは論理的な制御構造として表示
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## 7. 段階導入計画
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### Phase 1（P1）: 基礎実装
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- LoopSignal型とMIR命令の定義
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- while/forのLowering実装
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- 既存MIRとの共存層
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### Phase 2（P2）: 最適化と拡張
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- Loop1インライン化
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- generator/yieldサポート
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- LLVM IRコード生成
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### Phase 3（P3）: 完全移行
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- すべての制御構造をLoopSignal IRに
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- 旧MIRの廃止
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- async/awaitの統合
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### フォールバック（旧MIRへの逆Lowering）
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loop.begin/end → nop
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loop.iter → 直接実行
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loop.branch → if/jump の組み合わせ
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## 8. 関連研究と差分
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| アプローチ | Nyash LoopSignal IR | 差分 |
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|-----------|-------------------|------|
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| CPS変換 | Signal = 限定的継続 | 明示的なSignal型で制御 |
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| 代数的効果 | Loop = エフェクトハンドラ | Boxベースの具象化 |
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| ジェネレータ | Yield = 中断可能Loop | 統一的なSignal処理 |
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| SSA系IR | phi関数の代わりにSignal | 制御と値の統合 |
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## 9. 成果物とKPI
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### メトリクス
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- MIR命令数: 30+ → 4命令
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- 制御構造の正規化率: 100%
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- LLVM IR生成コード: 50%削減
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- 最適化パス実装: 80%共通化
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### テスト観点
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1. 意味保存: 各Lowering前後で同じ動作
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2. 性能: Loop1は最適化後オーバーヘッドゼロ
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3. デバッグ: ソースレベルデバッグ可能
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4. 互換性: 段階的移行中も動作保証
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## 付録
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### 用語対比
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- **Box** = 空間的抽象（データ構造）
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- **Loop** = 時間的抽象（制御フロー）
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- **LoopBox** = 時空間統一オブジェクト
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### 命令一覧
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loop.begin <label> <init> ; ループ開始
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loop.iter <label> <step> ; イテレーション
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loop.branch <label> <blocks> ; 分岐
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loop.end <label> <fini> ; ループ終了
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```
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### タグ割当
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0: Next ; 継続
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1: Break ; 脱出
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2: Yield ; 中断
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3: Return ; 復帰
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4-255: 予約 ; 将来拡張
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```
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### 疑似コード集
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```llvm
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; LoopSignal in LLVM
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%signal = { i8, i64 } ; tag + value
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%tag = extractvalue %signal, 0
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switch i8 %tag, label %trap [
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i8 0, label %next
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i8 1, label %break
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i8 2, label %yield
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このRFCは、NyashのBox哲学とLoop哲学を統合し、最小限のMIR命令セットですべての制御構造を表現する設計を提案します。段階的導入により、既存システムを破壊することなく、より単純で強力なIRへの移行を可能にします。
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