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Tomoaki d62114c705 Core-13 pure: add CI workflows, VM e2e tests, LLVM parity bridge (minimal); do not touch private docs

2025-09-07 07:28:53 +09:00

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Raw Blame History

Loaded cached credentials. 承知いたしました。LoopSignal IRの技術レビューと実装計画について、ご指定のファイルを基に分析し、提案をまとめます。

LoopSignal IR: 技術レビューと実装計画 v1

1. 仕様の確定案

1.1. `LoopSignal` 型の正格仕様

LoopSignal は、ループ内の制御フローを統一的に表現するための型であり、タグとオプションのペイロードで構成される。

型定義 (Rust風):

enum LoopSignal<T> {
    Continue(T),      // ループ継続 (ループ変数の更新値を運ぶ)
    Break(T),         // ループ脱出 (ループの戻り値を運ぶ)
    Return(T),        // 関数からのリターン (関数の戻り値を運ぶ)
    Yield(T),         // ジェネレータのyield (yieldする値を運ぶ)
    // Await(Future<T>), // 将来的な拡張: 非同期処理の中断
}

タグ値:
- 0: Continue
- 1: Break
- 2: Return
- 3: Yield

ABI/LLVM表現例: ゼロコスト抽象を目指し、Continue が最も頻繁に発生することを前提に最適化する。LLVM IRでは、戻り値を struct で表現するのが一般的。

; LoopSignal<Value> の表現例
; %Value はペイロードの型 (e.g., i64, %MyObject*)
%LoopSignal = type { i8, %Value } ; { tag, payload }

; ゼロコスト表現の検討
; 関数の戻り値として LoopSignal を直接返すのではなく、
; ループ本体の関数はペイロードの値だけを返し、
; シグナル自体は別の方法（例：ステータス引数への書き込み、複数のリターンブロック）で伝える。
; しかし、LLVMの最適化能力を信じ、まずは上記のシンプルなstruct表現で実装し、
; パフォーマンスが問題になる箇所で特殊化するのが現実的。
; 多くの `Continue` はループ内で処理され、関数境界を越えないため、
; レジスタ割り当てによりオーバーヘッドはほぼゼロになることが期待される。

ゼロコスト表現の可否: 可能である。ループが関数境界をまたがない限り、LoopSignal は物理的なメモリ確保を伴わず、仮想レジスタと条件分岐にコンパイルされる。loop.branch が switch 命令に変換され、Continue のケースが他のケースより優先的に配置（default 分岐など）されることで、最も高速なパスとなる。

1.2. MIR命令の厳密な意味論

loop.begin <label>:
- 新しいループスコープを開始する。<label> はこのループを一意に識別する。
- SSAのPHIノードの配置ポイントとなる。ループに複数回突入する全ての値（ループ変数など）は、この地点でPHIノードによってマージされる。
- 未定義動作: loop.end と対応が取れない場合。
loop.iter <label>, (%vars...) -> (%next_vars...):
- ループの1イテレーションの開始を示す。ループ条件の評価やループ変数の更新を行うコードがここに配置される。
- %vars を受け取り、次の状態である %next_vars を生成する。ジェネレータの再開時には、外部から渡された値が %vars の一部となる。
- 意味論: この命令自体は副作用を持たないが、後続のコードがループ継続/脱出の判断を行う。
loop.branch <label>, %signal:
- %signal (LoopSignal 型) の値に基づき、制御フローを分岐させる。
- Continue(val): <label> に対応する loop.iter のバックエッジにジャンプする。val は次のイテレーションのPHIノードへの入力となる。
- Break(val) / Return(val) / Yield(val): <label> に対応する loop.end にジャンプする。val は loop.end の結果となる。
- 未定義動作: %signal が初期化されていない場合。対応する <label> がスコープ内にない場合。
loop.end <label> -> (%signal, %value):
- ループスコープを終了する。loop.branch からの Break, Return, Yield シグナルを受け取る。
- この命令の結果として、ループを終了させたシグナルの種類と、そのペイロード値が出力される。
- 親ループが存在する場合、この結果が親ループの LoopSignal となり、loop.branch に渡される。
- 例外扱い: ループ内で発生した例外は、LoopSignal とは別の経路（例: invoke と landingpad）で処理されるべき。loop.branch は例外を伝播させない。

1.3. SSA/PHI配置の規則

合流点の標準形:
- loop.begin: ループの入り口（初回実行とバックエッジからの合流）。ループ変数はここでPHIノードを持つ。
- loop.end の後: ループが正常に終了した（Breakした）後の実行パス。ループの戻り値はここでPHIノードを持つ（ループに入らなかったケースとの合流）。
インバリアント:
- 全てのループ変数は loop.begin でPHIノードによって定義される。
- loop.begin のPHIノードへの入力は、ループへの初回突入時の値と、各 loop.branch の Continue ペイロードから供給される。
- loop.end は複数の loop.branch からの Break 値を受け取るため、PHIノードと同様の機能を持つ。

2. Lowering規則（構文→MIR）

2.1. 各構文から擬似MIRへの写像

if cond { true_branch } else { false_branch }

%cond_val = ...
br.cond %cond_val, then: <bb_true>, else: <bb_false>

<bb_true>:
  ... // true_branch のコード
  %signal_true = ...
  br <bb_merge>

<bb_false>:
  ... // false_branch のコード
  %signal_false = ...
  br <bb_merge>

<bb_merge>:
  %signal = phi [%signal_true, <bb_true>], [%signal_false, <bb_false>]
  // この %signal が後続の loop.branch に渡される

while cond { body }

loop.begin <L0>
br <L0_iter>

<L0_iter>:
  %loop_var_next = phi [%loop_var_init, <entry>], [%loop_var_updated, <L0_body>]
  %cond_val = ... // cond の評価
  br.cond %cond_val, then: <L0_body>, else: <L0_break>

<L0_body>:
  ... // body のコード
  %loop_var_updated = ...
  %signal = (Signal::Continue, %loop_var_updated)
  loop.branch <L0>, %signal // Continue

<L0_break>:
  %break_val = ... // ループの戻り値 (e.g., unit)
  %signal = (Signal::Break, %break_val)
  loop.branch <L0>, %signal // Break

(%final_signal, %final_value) = loop.end <L0>
// final_signal に基づいて後続の処理

function と return

fn my_func(%arg1, ...) -> %ret_val {
  loop.begin <F_main> // 関数全体を暗黙のループと見なす

  ... // 関数の本体
  // return expr; は以下に変換
  %return_val = ... // expr の評価
  %signal = (Signal::Return, %return_val)
  loop.branch <F_main>, %signal

  ...

  // 関数の終端 (暗黙の return)
  %implicit_ret_val = ...
  %signal_implicit = (Signal::Return, %implicit_ret_val)
  loop.branch <F_main>, %signal_implicit

  (%final_signal, %final_value) = loop.end <F_main>
  // final_signal は必ず Return のはず
  ret %final_value
}

generator と yield yield は Return と同様に loop.branch に変換されるが、Signal::Yield を使用する。関数の再開は、loop.iter に値（resume_arg）を渡すことで実現される。

2.2. `Return` を `Signal` に含めるか分離するかの設計比較

統一モデル (ReturnをSignalに含める)
- 長所:
  - IRの直交性: 制御フローの変更はすべて LoopSignal と loop.branch に統一され、IRがシンプルで美しくなる。
  - 最適化の容易さ: return, break, yield を同じ枠組みで扱えるため、最適化パス（特にインライン化）の設計が単純になる。if cond { return } else { break } のような複雑な制御フローも自然に表現できる。
  - リファクタリング耐性: ループ内のコードを別関数に抽出したり、その逆を行ったりするリファクタリングが容易になる。
- 短所:
  - 僅かな冗長性: 関数の末尾にある単純な return も Signal 生成と loop.branch を経由するため、見た目上は冗長に感じる可能性がある。
分離モデル (Returnを別の命令 mir.ret にする)
- 長所:
  - 従来との親和性: 既存のCFGベースの考え方に近く、ret 命令は関数の終端として直感的。
- 短所:
  - IRの複雑化: 制御フローを終端させる命令が loop.branch と ret の2種類になり、解析や変換が複雑になる。
  - 最適化の阻害: if cond { return } else { break } の合流点での処理が困難になる。インライン化の際に、呼び出し先の ret を呼び出し元の break や continue に変換する必要があり、アドホックな処理が必要になる。
採用推奨: 統一モデルを強く推奨する。 長期的な保守性、拡張性、最適化のポテンシャルを考慮すると、IRのシンプルさと直交性がもたらすメリットは、僅かな冗長性を補って余りある。

3. 最適化パス

Loop1完全インライン化:
- ループ本体に loop.branch が1つしかなく、そのシグナルが静的に Continue である場合、ループ構造 (loop.begin/iter/branch/end) を完全に除去し、ループ本体のコードを親ブロックに展開する。これは単純な scope { ... } のゼロコスト抽象化に繋がる。
Yieldなし状態省略:
- ジェネレータ関数のMIRを解析し、Signal::Yield を生成する loop.branch が存在しない場合、その関数をジェネレータではなく通常の関数として扱う。これにより、ステートマシンの生成コストを回避できる。
分岐合流点正規化:
- ネストした if 文などを解析し、複数の loop.branch を持つフラットな構造に変換する。これにより、後続のパスが扱いやすい標準形にできる。
既存パスへの影響:
- DCE (Dead Code Elimination): loop.branch の静的に到達不能な分岐（例: if false { return }）を検出し、関連コードを削除できる。
- LICM (Loop Invariant Code Motion): loop.begin から loop.end の範囲が明確になるため、ループ不変条件の検出がより正確かつ容易になる。
- Inlining: 関数インライン化が非常に強力になる。呼び出し先の loop.end が返す Signal を、呼び出し元の loop.branch に直接接続できる。例えば、return は呼び出し元での値の代入に、break は呼び出し元のループの break に変換される。

4. フォールバック/互換性

LoopSignal IR → 従来MIRへの逆Loweringパス:
- 新IRの健全性を検証し、段階的に導入するために、コンパイラフラグ (--no-loop-signal-ir) でON/OFF可能な逆変換パスを設計する。
- 変換ロジック:
  1. loop.begin <L>: 新しい基本ブロック <L_header> を作成。
  2. loop.iter: ヘッダブロック内にコードを配置。
  3. loop.branch <L>, %signal: %signal のタグで switch 命令を生成する。
    - Continue: <L_header> へのバックエッジを作成。
    - Break: ループ外の <L_exit> ブロックへジャンプ。
    - Return: 関数のグローバルなリターンブロックへジャンプ。
  4. loop.end <L>: <L_exit> ブロックに対応。複数の Break からの値はPHIノードでマージする。
- このパスにより、LoopSignal IRをサポートしないバックエンド（旧VMやデバッガなど）でも動作を継続できる。

5. リスクと回避策

デバッグ情報 (DWARF/位置情報):
- リスク: Signal による非線形な制御フローで、ステップ実行がソースコードの見た目と乖離する可能性がある。
- 回避策: loop.begin から loop.end までをソースコード上のループ構文（while, forなど）のスコープとして正確に対応付けるデバッグ情報を生成する。loop.branch 命令には、ソースコード上の break, return 文の位置情報を付与する。
小反復ループの関数境界コスト:
- リスク: ループ本体が小さく、頻繁に呼び出される関数内にある場合、LoopSignal 構造体の生成・返却コストが無視できなくなる可能性がある。
- 回避策:
  1. 強力なインライナを実装し、関数境界を越える LoopSignal の受け渡しを極力なくす。
  2. LLVMバックエンドで、戻り値の struct がレジスタ経由で渡されるよう最適化されていることを確認する（多くのABIではそうなっている）。
例外/効果の扱い:
- リスク: panic! や FFI 呼び出しなどの副作用が LoopSignal のセマンティクスを破壊する可能性がある。
- 回避策: 仕様として、LoopSignal は純粋な制御フローのみを扱い、例外やパニックは別の機構（LLVMの invoke/landingpad や、Rustの catch_unwind に相当する機構）で処理することを明確にする。loop.branch を含む可能性のある処理は invoke で呼び出す必要がある。

6. 段階導入ロードマップ

P1: while(true) と break のLoop1化 (最小ループ)
- 目標: 最も単純な無限ループと break を loop.begin/branch/end で表現する。
- 実装: while 文のLoweringを修正。break を Signal::Break に変換。
- 検証: 生成されるMIRが正しいか、性能計測を行い、従来のCFGベースの実装と比較してオーバーヘッドがないことを確認する。
P2: for-in ステートマシンの実装
- 目標: イテレータを使った for ループを LoopSignal で表現する。
- 実装: for 文のLoweringで、iterator.next() の呼び出しと Some/None のマッチを loop.iter と loop.branch で構成する。
- 検証: VM（インタプリタ）とAOT（LLVM）で、ループの挙動（特にループ変数の値）が完全に一致することをアサーションテストで検証する。
P3: 最小ジェネレータ (yield) の実装
- 目標: yield を持つジェネレータ関数をサポートする。
- 実装: yield を Signal::Yield に変換。ジェネレータの再開ロジック（ステートマシンの復元と loop.iter への値渡し）を実装する。
- 検証: ジェネレータを複数回再開させ、状態が正しく保存・復元されるかを確認するテストケースを多数作成する。

7. テスト計画とメトリクス

収集するメトリクス:
- MIRレベル: MirOp の総数、loop.* 命令の数、PHIノードの数。
- コンパイル時: フロントエンド処理時間、最適化パス処理時間、バックエンド（LLVM）処理時間。
- 実行時: 主要なベンチマークスイートにおける実行時間、メモリ使用量。
収集方法:
- コンパイラに --emit-metrics=json フラグを追加し、ビルドごとに上記のメトリクスをJSONファイルに出力させる。
- CI上でPRごとにメトリクスを計測・比較し、閾値（例: 実行時間 5%以上の悪化）を超えた場合に警告を出す。
テストケース:
- ネストしたループ、複雑な if/else を含むループ、return/break/continue が混在するループなど、エッジケースを網羅した単体テストを追加する。
- 既存のE2Eテスト (apps/tests/) がすべてパスすることを確認する。

8. 小タスクのTODO一覧

[型定義] LoopSignal enum と loop.* 命令の追加
- ファイル: src/mir/ops.rs, src/mir/nodes.rs
- 内容: LoopSignal enumを定義。MirOp に LoopBegin, LoopIter, LoopBranch, LoopEnd を追加。Terminator (または ControlFlow) から Br, CondBr などを非推奨化または削除していく。
[Lowering] while 文のLoweringを LoopSignal ベースに移行 (P1)
- ファイル: src/hir/lowering.rs (または相当するファイル)
- 内容: while 文のASTノードから loop.begin/iter/branch/end を生成するロジックを実装する。
[SSA] loop.begin でのPHIノード生成ロジックの実装
- ファイル: src/mir/builder_modularized/
- 内容: ループのバックエッジを検出し、loop.begin の位置に正しくPHIノードを挿入するよう、SSA構築アルゴリズムを修正する。
[バックエンド] LLVMバックエンドでの loop.* 命令の処理 (P1)
- ファイル: src/runner/modes/llvm.rs
- 内容: LoopSignal のLLVM Type を定義。loop.begin でLLVMのループヘッダブロックを、loop.branch で switch 命令を、loop.end でループ出口ブロックを生成するコードを追加する。
[最適化] Loop1完全インライン化パスの実装
- ファイル: src/mir/optimization/simplify.rs (または新規ファイル)
- 内容: 条件を満たす loop.* 命令シーケンスを検出し、除去する最適化パスを実装する。
[互換性] 逆Loweringパスの実装
- ファイル: src/mir/passes/compat_lower_loop_signal.rs (新規ファイル)
- 内容: LoopSignal IRを従来のCFGベースMIRに変換するパスを実装し、コンパイラフラグで制御できるようにする。
[テスト] メトリクス収集機能の追加
- ファイル: src/main.rs, src/driver.rs
- 内容: コンパイルの各ステージでメトリクスを収集し、指定されたフォーマットで出力する機能を追加する。

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