tomoaki/hakorune
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hakorune/docs/archive/phases/phase-8/phase8_mir_to_wasm.md

8.2 KiB
Raw Blame History

Phase 8: MIR→WASM codegen (browser/wasmtime; sandboxed; Rust runtime free)

Summary

  • MIR から素の WebAssembly を生成し、ブラウザ/wasmtime（WASI）でサンドボックス実行する。
  • Rust は「コンパイラ本体」のみ。実行は純WASM＋ホストimport（env.print 等）。
  • Phase 6/7で実装済みのMIR命令（RefNew/RefGet/RefSet, FutureNew/Await等）をWASM命令に変換

Technical Architecture

WASM Module Structure

(module
  (memory (export "memory") 1)  ; 64KB initial
  (import "env" "print" (func $print (param i32)))
  
  ;; Heap management
  (global $heap_ptr (mut i32) (i32.const 1024))
  
  ;; Main entry point  
  (func (export "main") (result i32) 
    ;; Generated from MIR main function
  )
)

Memory Layout

  • 0x000-0x3FF: Reserved/globals
  • 0x400-0x7FF: Stack space
  • 0x800+: Heap (bump allocator)
  • Box layout: [type_id:i32][field_count:i32][field0:i32][field1:i32]...

Scope

  • ABI/Imports/Exports（最小）
    • exports: main() -> i32, memory
    • imports: env.print(i32)（デバッグ用に整数のみ。将来文字列ABIを定義）
  • メモリ/ヒープ
    • 線形メモリに簡易ヒープ（bump allocator → フリーリスト）
    • Box の固定レイアウト（フィールド→オフセット表; 型名→レイアウトは暫定固定）
  • 命令カバレッジ（段階導入）
    • PoC1: 算術/比較/分岐/loop/return/print
    • PoC2: RefNew/RefSet/RefGet（Phase 6 と整合）で print(o.x)
    • PoC3: Weak/Barrier の下地（WeakLoad は当面 Some 相当、Barrier は no-op）
    • PoC4: Future/Await の基本実装（スレッドなしの即座完了）
  • CLI 統合
    • nyash --backend wasm program.hako で生成・実行（wasmtime 呼び出し）
    • --output program.wasm でWASMファイル出力のみ

Implementation Plan

Phase 8.1: 基盤構築 (Foundation)

  • Task 1.1: WASMバックエンドモジュール作成

    • src/backend/wasm/mod.rs - エントリポイント
    • src/backend/wasm/codegen.rs - MIR→WASM変換器
    • src/backend/wasm/memory.rs - メモリ管理
    • src/backend/wasm/runtime.rs - ランタイムヘルパー

  • Task 1.2: WASM出力基盤

    • WAT形式での出力（人間可読、デバッグ用）
    • wabt crateでWAT→WASMバイナリ変換 -基本的なmodule structure生成

Phase 8.2: PoC1 - 基本演算 (Basic Operations)

  • Task 2.1: MIR基本命令の変換実装

    • MirInstruction::Const → WASM i32.const
    • MirInstruction::BinOp → WASM算術命令 (i32.add, i32.mul etc.)
    • MirInstruction::Compare → WASM比較命令 (i32.eq, i32.lt etc.)

  • Task 2.2: 制御フロー実装

    • MirInstruction::Branch → WASM br_if
    • MirInstruction::Jump → WASM br
    • MirInstruction::Return → WASM return

  • Task 2.3: Print機能実装

    • MirInstruction::Print → call $print
    • env.print import の定義

PoC1目標: 42 + 8 のような基本計算がWASMで動作

Phase 8.3: PoC2 - オブジェクト操作 (Object Operations)

  • Task 3.1: メモリ管理実装

    • Bump allocator ($heap_ptr global)
    • malloc(size) -> ptr WASM function
    • Box layout定義 ([type_id][field_count][fields...])

  • Task 3.2: 参照操作実装

    • MirInstruction::RefNew → call $malloc + 初期化
    • MirInstruction::RefGet → memory load (i32.load offset=...)
    • MirInstruction::RefSet → memory store (i32.store offset=...)

PoC2目標: o = new Obj(); o.x = 1; print(o.x) 相当がWASMで動作

Phase 8.4: PoC3 - 拡張機能下地 (Extension Foundation)

  • Task 4.1: Weak参照ダミー実装

    • MirInstruction::WeakNew → 通常の参照として処理
    • MirInstruction::WeakLoad → 常にSome相当で成功

  • Task 4.2: Barrier命令ダミー実装

    • MirInstruction::BarrierRead/Write → no-op

  • Task 4.3: Future基本実装

    • MirInstruction::FutureNew → 即座に完了状態のFuture
    • MirInstruction::Await → 値をそのまま返す

Phase 8.5: CLI統合 (CLI Integration)

  • Task 5.1: CLI実装

    • --backend wasm オプション追加
    • --output file.wasm オプション追加
    • wasmtimeとの連携（wasmtime run）

  • Task 5.2: エラーハンドリング

    • 未対応MIR命令の明確なエラーメッセージ
    • WASM生成失敗時の診断情報

Acceptance Criteria

PoC1 (Basic Operations)

  • ✅ WASM Generation: 基本MIR命令がvalid WASMに変換される
  • ✅ Wasmtime Execution: wasmtime run output.wasm で正常実行
  • ✅ Arithmetic: print(42 + 8) → stdout: 50
  • ✅ Control Flow: if文、loop文が正しく動作

PoC2 (Object Operations)

  • ✅ Memory Allocation: RefNew でヒープメモリが正しく割り当てられる
  • ✅ Field Access: o = new DataBox(); o.value = 1; print(o.value) → stdout: 1
  • ✅ Memory Layout: Box構造がメモリ上で正しいレイアウトになる

PoC3 (Extension Foundation)

  • ✅ Weak Reference: WeakNew/WeakLoad命令がno-opとして動作
  • ✅ Memory Barriers: BarrierRead/Write命令が含まれても実行できる
  • ✅ Future Operations: FutureNew/Await が即座完了として動作

CLI Integration

  • ✅ Command Line: nyash --backend wasm test.hako で実行可能
  • ✅ File Output: nyash --backend wasm --output test.wasm test.hako でファイル出力
  • ✅ Error Messages: 未対応機能の明確なエラーメッセージ

Test Strategy

Unit Tests (Rust)

// tests/wasm_codegen_tests.rs
#[test]
fn test_basic_arithmetic_codegen() {
    let mir = /* 42 + 8 のMIR */;
    let wasm_bytes = WasmBackend::new().compile_module(mir).unwrap();
    let result = wasmtime_execute(&wasm_bytes);
    assert_eq!(result.stdout, "50\n");
}

#[test] 
fn test_ref_operations_codegen() {
    let mir = /* object field access のMIR */;
    let wasm_bytes = WasmBackend::new().compile_module(mir).unwrap();
    let result = wasmtime_execute(&wasm_bytes);
    assert_eq!(result.stdout, "1\n");
}

Integration Tests

  • tests/wasm_poc1_arithmetic.hako → MIR → WASM → wasmtime実行
  • tests/wasm_poc2_objects.hako → RefNew/RefGet/RefSet使用 → WASM実行
  • tests/wasm_poc3_features.hako → Weak/Future命令含む → WASM実行

Browser Testing

<!-- tests/browser_test.html -->
<script type="module">
const importObject = {
  env: { 
    print: (value) => console.log(value) 
  }
};
const wasmModule = await WebAssembly.instantiateStreaming(
  fetch('./test.wasm'), importObject
);
const result = wasmModule.instance.exports.main();
console.log('Result:', result);
</script>

Technical Dependencies

Required Crates

  • wabt - WAT ↔ WASM conversion
  • wasmtime - Runtime execution (dev dependency)
  • wat - WAT text format parsing (optional)

WASM Tools

  • wasmtime CLI - Local execution & testing
  • wasm-objdump - Binary inspection (optional)
  • wasm-validate - Validation (optional)

Development Notes

Memory Management Strategy

  1. Phase 8.3: Simple bump allocator (no free)
  2. Future: Free list allocator
  3. Future: Generational GC integration

Type System Mapping

Nyash Type MIR Type WASM Type Memory Layout
IntegerBox Integer i32 4 bytes
BoolBox Bool i32 4 bytes (0/1)
DataBox Box("DataBox") i32 ptr to [type_id, field_count, fields...]

Debugging Support

  • WAT output for human inspection
  • Source map generation (future)
  • WASM stack trace integration (future)

Out of Scope (Phase 8)

  • 本格的なGC（mark-sweep、generational等）
  • Weak参照の実際の無効化メカニズム
  • Pin/Unpin、fini()のカスケード処理
  • JIT/AOTコンパイル最適化
  • 複雑な文字列ABI（UTF-8、length prefixed等）
  • WASI I/O インターフェース（file、network等）

References & Dependencies

  • Phase 6: RefNew/RefGet/RefSet MIR命令 (実装済み)
  • Phase 7: FutureNew/Await MIR命令 (実装済み)
  • docs/予定/native-plan/README.md（Phase 8詳細）
  • docs/説明書/wasm/* (WASM関連ドキュメント)
  • WebAssembly Specification