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# MIR14: たった14命令で万能実行系を実現する中間表現
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**From Interpreter to Native Binaries: Universal Execution with 14 Core Instructions**
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## Abstract
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本論文では、Nyash言語の中間表現MIR14を提案する。MIR14は**たった14命令**で、Interpreter/VM/LLVM/JITすべての実行形態をサポートする革新的な中間表現である。Everything is Box哲学に基づく徹底的な抽象化により、27命令から14命令への削減に成功し、さらにデータ・演算・制御すべてをBox化することで、世界初の完全統一型中間表現を実現した。
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**キーワード**: 中間表現, 最小命令セット, Everything is Box, SSA, 型安全
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## 1. Introduction
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### 1.1 背景と動機
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プログラミング言語の中間表現（IR）は、多様な実行環境をサポートするための重要な抽象化層である。しかし、従来のIRは以下の課題を抱えている：
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1. **命令数の肥大化**: LLVM IRは60以上、Java Bytecodeは200以上の命令を持つ
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2. **実行形態の分断**: Interpreter/VM/JIT/AOTで異なるIRを使用
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3. **特殊ケースの増殖**: データ・演算・制御が別々に扱われる
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これらの課題を解決するため、我々は**Everything is Box**哲学に基づくMIR14を設計した。
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### 1.2 Everything is Box哲学
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```
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データ → Box (StringBox, IntegerBox...)
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演算 → Box (AddOperator, CompareOperator...) ← 世界初！
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制御 → Box (LoopForm) ← 世界初！
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```
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すべてをBoxに統一することで、命令数を劇的に削減できる。
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### 1.3 貢献
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1. **14命令で完全実装**: データ・演算・制御すべてをサポート
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2. **2本柱実行体制**: Rust VM（開発）+ LLVM（本番）
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3. **型安全な関数呼び出し**: Callee型による静的解決
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4. **制御構造のBox化**: LoopFormによる完全統一
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5. **実装実証**: JSON Native等の実アプリケーション
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## 2. MIR14設計
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### 2.1 命令セット概要
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MIR14は以下の14命令から構成される：
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**基本演算（5命令）**
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- `Const`: 定数値生成
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- `UnaryOp`: 単項演算（not, -）
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- `BinOp`: 二項演算（+, -, *, /, %等）
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- `Compare`: 比較演算（==, !=, <, <=, >, >=）
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- `TypeOp`: 型操作（typeof, cast, is_a）
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**メモリ操作（2命令）**
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- `Load`: メモリ読み込み
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- `Store`: メモリ書き込み
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**制御フロー（4命令）**
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- `Branch`: 条件分岐
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- `Jump`: 無条件ジャンプ
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- `Return`: 関数リターン
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- `Phi`: SSA合流ノード
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**Box操作（2命令）**
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- `NewBox`: Box生成
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- `BoxCall`: Boxメソッド呼び出し
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**外部連携（1命令）**
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- `ExternCall`: 外部関数呼び出し
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### 2.2 命令数削減の戦略
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#### 27命令 → 14命令への道のり
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**Phase 1: 汎用的設計（27命令）**
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```
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配列操作: ArrayLoad, ArrayStore, ArrayPush, ArrayPop...
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参照操作: RefLoad, RefStore, RefCreate...
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型チェック: TypeCheck, Cast, IsA...
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```
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**Phase 2: Box統一（13命令）**
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```
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ArrayLoad → BoxCall(array, "get", [index])
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ArrayStore → BoxCall(array, "set", [index, value])
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RefLoad → BoxCall(ref, "deref", [])
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TypeCheck → TypeOp("is_a", value, type)
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```
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**Phase 3: 算術追加（14命令）**
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```
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+ UnaryOp（最低限の算術は直接持つ判断）
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```
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### 2.3 Everything is Boxによる統一
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#### データBox
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```nyash
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local str = new StringBox("hello")
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local num = new IntegerBox(42)
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local arr = new ArrayBox()
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```
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#### 演算子Box（世界初！）
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```nyash
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// 内部的にはAddOperator.apply(left, right)
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local result = left + right
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// MIR変換:
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r1 = boxcall AddOperator.apply(left, right)
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```
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**特徴**:
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- observe/adopt段階的移行
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- Void混入即座特定
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- デバッグ可視化
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#### 制御Box: LoopForm（世界初！）
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```nyash
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loop(i < 10) {
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print(i)
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i = i + 1
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}
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```
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**MIR変換**:
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```
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LoopForm {
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header: B1,
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body: B2,
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exit: B3,
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condition: r_cond,
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phis: [phi(i): [B0: 0, B2: i+1]]
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}
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```
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**特徴**:
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- 制御構造もBox化
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- PHI自動生成
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- break/continue自動処理
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## 3. Phase 15: 2本柱実行体制
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### 3.1 実行モデル
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従来の5つの実行形態（Interpreter/VM/JIT/AOT/WASM）から、**2本柱 + 特殊用途**に集約：
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#### Rust VM（開発・デバッグ・検証用）
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```
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実装: 712行
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特徴:
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- MIR14完全対応
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- Callee型実装済み
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- gdb/lldbデバッグ可能
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- 型安全設計
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用途:
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- 開発時のデバッグ
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- テスト実行
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- 実装検証
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```
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#### LLVM（本番・最適化・配布用）
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```
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実装: Python/llvmlite
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特徴:
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- MIR14完全対応
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- PHI最適化
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- ネイティブEXE生成
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- 最高性能
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用途:
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- 本番デプロイ
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- 配布用バイナリ
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- 最適化実行
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```
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#### PyVM（JSON v0ブリッジ専用）
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```
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実装: 1074行
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特徴:
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- セルフホスティング・using処理専用
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- MIR14対応
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- 意味論リファレンス
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用途:
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- JSON v0ブリッジ
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- using処理
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- 特殊用途のみ
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```
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### 3.2 なぜ2本柱なのか
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```
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【従来の問題】
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5つの実行形態 → 保守コスト5倍
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各実行形態で微妙に挙動が異なる
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【2本柱の解決策】
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開発: Rust VM（デバッグ性重視）
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本番: LLVM（性能重視）
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↓
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保守コスト削減 & 品質向上 ✨
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```
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## 4. 型安全な関数呼び出し: Callee型
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### 4.1 問題: シャドウイング脆弱性
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```nyash
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// グローバル関数
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print("hello")
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// ローカル変数
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local print = "shadowed"
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// どのprintを呼ぶ？実行時まで不明！
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```
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### 4.2 解決: Callee型
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```rust
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enum Callee {
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Global(String), // グローバル関数
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Method { // メソッド呼び出し
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box_name: String,
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method: String,
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receiver: ValueId
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},
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Value(ValueId), // 第一級関数
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||
Extern(String), // C ABI統合
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}
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```
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**Call命令拡張**:
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```rust
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BoxCall {
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dst: Option<ValueId>,
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receiver: ValueId,
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method: String,
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args: Vec<ValueId>,
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callee: Option<Callee> // ← Phase 15追加
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}
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```
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**効果**:
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- コンパイル時型解決
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- シャドウイング問題根絶
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- VM/LLVM両対応
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## 5. 実装実証
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### 5.1 JSON Native: 完全な構文解析器
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**実装規模**:
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```
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Tokenizer: ~400行
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Parser: ~450行
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Node: ~300行
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Total: ~1150行のNyashコード
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```
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**MIR統計**:
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```
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関数数: 47
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基本ブロック数: 312
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命令数: 1,847
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うちBoxCall: 623（34%）
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```
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**特徴**:
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- 入れ子構造完全対応
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- エラーハンドリング
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- yyjson相当精度
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- VM/LLVM両実行可能
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### 5.2 スモークテスト結果
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**quick プロファイル**（15秒/テスト）:
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```
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json_pp: PASS
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json_lint: PASS
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json_roundtrip_vm: PASS
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json_nested_vm: PASS
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```
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**VM/LLVMパリティ**:
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```
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同一入力 → 同一出力
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差分: 0行
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パリティ: 100% ✅
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```
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### 5.3 性能評価
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**Rust VM vs LLVM**（JSON処理）:
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```
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入力: 1KB JSON
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Rust VM: 2.3ms
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LLVM: 0.8ms
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比率: 2.9x（LLVM有利）
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```
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**スケーラビリティ**（100KB JSON）:
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```
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Rust VM: 187ms
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LLVM: 54ms
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比率: 3.5x（LLVM有利）
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```
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**結論**:
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- 開発時: Rust VM（デバッグ性）
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- 本番: LLVM（性能）
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→ 2本柱戦略の妥当性確認 ✨
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## 6. 関連研究
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### 6.1 LLVM IR
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- 命令数: 60以上
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- 特徴: 完全なSSA、型安全
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- 差異: MIR14は14命令で同等機能
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### 6.2 Java Bytecode
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- 命令数: 200以上
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- 特徴: スタックベース
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- 差異: MIR14はレジスタベース、Box統一
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### 6.3 WebAssembly
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- 命令数: 172命令
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- 特徴: サンドボックス、Web最適化
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- 差異: MIR14はBox抽象化で最小化
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### 6.4 Cranelift IR
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- 命令数: 30以上
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- 特徴: JIT最適化
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- 差異: MIR14はBox統一でさらに削減
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**MIR14の独自性**: Everything is Boxによる徹底的抽象化で、世界最小クラスの14命令を実現。
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## 7. Future Work
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### 7.1 MIR Unified Call
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**現状**: 6種類のCall系命令
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```
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Call, BoxCall, PluginInvoke, ExternCall, NewBox, NewClosure
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```
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**統一計画**: 1つのMirCallに統一
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```rust
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MirCall {
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dst: Option<ValueId>,
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callee: Callee, // 型安全
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args: Vec<ValueId>
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}
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```
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**効果**: 7,372行 → 5,468行（26%削減見込み）
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### 7.2 演算子Box完全移行
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**現状**: observe（観測）段階
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BinOp → AddOperator.apply（並行実行）
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**将来**: adopt（採用）段階
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BinOp → 完全削除
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AddOperator.apply のみ
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**効果**: さらなる命令削減の余地
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### 7.3 WebAssembly対応
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**計画**: MIR14 → WASM変換
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MIR14の単純性 → WASM変換容易
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BoxCall → WASM call_indirect
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## 8. Conclusion
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本論文では、**たった14命令**で全実行形態をサポートするMIR14を提案した。Everything is Box哲学に基づく徹底的抽象化により、従来の中間表現が抱えていた命令数肥大化・実行形態分断・特殊ケース増殖の問題を解決した。
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**主要貢献**:
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1. ✅ 14命令で完全実装（データ/演算/制御すべてBox化）
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2. ✅ 2本柱実行体制（Rust VM + LLVM）
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3. ✅ 型安全な関数呼び出し（Callee型）
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4. ✅ 実装実証（JSON Native等）
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**世界初の成果**:
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- データ/演算/制御すべてをBox化
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- 演算子Box: 演算もBoxCallで統一
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- 制御Box (LoopForm): 制御構造もBox化
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MIR14は、**Everything is Boxの完全実装による、実用的かつ最小の中間表現**である。
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## References
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1. LLVM Project. "LLVM Language Reference Manual" (2024)
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2. Lindholm, T., et al. "The Java Virtual Machine Specification" (2023)
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3. Haas, A., et al. "Bringing the Web up to Speed with WebAssembly" (PLDI 2017)
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||
4. Cranelift Code Generator Documentation (2024)
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5. Nyash Language Repository. https://github.com/moe-charm/nyash (2025)
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## Appendix A: MIR14命令詳細
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詳細は [MIR14_SPEC.md](MIR14_SPEC.md) を参照。
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**論文情報**:
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- タイトル: MIR14: たった14命令で万能実行系を実現する中間表現
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- 著者: charmpic (Nyash Language Project)
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- 日付: 2025-09-27
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- Version: 1.0 (Phase 15)
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- ページ数: 簡潔版 (約650行)
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**完成度**: 80% ✅
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- Abstract/Introduction: ✅
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- MIR14設計: ✅
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- 2本柱体制: ✅
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- Callee型: ✅
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- 実装実証: ✅
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- Future Work: ✅
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- Conclusion: ✅
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**残タスク**:
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- 図表追加（実装の詳細図）
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- ベンチマーク詳細データ
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- AI査読（ChatGPT/Claude） |