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# Phase 15.8: LLVM→WASM実装（WebAssembly出力）
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**期間**: 2025-10-01 ~ 2025-10-22 (3週間)
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**前提**: Phase 15.7完了（MIR18命令凍結）
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**目標**: MIR18命令をWASMに変換し、ブラウザ/エッジ環境で実行可能にする
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## 🎯 **目的と範囲**
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### **主目的**
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1. **LLVM→WASM変換パイプライン構築**
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- llvmlite経由でLLVM IR生成
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- LLVM toolchain（llc, wasm-ld）でWASM変換
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- クリーンなMIR18命令セットでWASM実装
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2. **ブラウザ/エッジ環境対応**
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- WASI（WebAssembly System Interface）基本対応
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- Node.js/Deno runtime対応
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- 基本I/O（print, error）動作確認
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3. **Parity確認**
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- VM/LLVM/WASMで同一出力
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- スモークテスト全グリーン維持
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### **非目標（Phase 16以降に延期）**
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- ❌ WASM GC統合（WASM GC proposal待ち）
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- ❌ 最適化・バンドルサイズ削減（Phase 17）
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- ❌ フル非同期runtime（Promise完全統合はPhase 17）
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- ❌ DOM API連携（Phase 18）
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## 📊 **技術スタック**
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### **ビルドチェーン**
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MIR(JSON v0)
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↓ (llvmlite Python)
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LLVM IR (.ll)
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↓ (llc --march=wasm32)
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WASM Object (.o)
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↓ (wasm-ld)
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WASM Binary (.wasm)
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↓ (Node.js/Deno/Browser)
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実行
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```
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### **依存関係**
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- **必須**:
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- Python 3.8+ + llvmlite
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- LLVM toolchain 14+ (llc, wasm-ld)
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- Node.js 18+ or Deno 1.30+（テスト用）
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- **オプション**:
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- wabt tools（wasm2wat, wat2wasm - デバッグ用）
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- wasm-opt（最適化 - Phase 17）
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## 🗓️ **タイムラインと成果物**
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### **Week 1: LLVM→WASM変換パイプライン** (2025-10-01 ~ 10-07) ✅ **完了**
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#### 成果物
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- ✅ `tools/build_wasm.sh` - WASMビルドスクリプト
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- ✅ `tools/wasm_runner.js` - Node.js実行確認スクリプト
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- ✅ `tools/test_wasm_init.sh` - 統合テストスクリプト（Phase 1.1+1.2+1.3）
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- ✅ `src/llvm_py/llvm_builder.py` - WASM target対応（wasm32-unknown-wasi）
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- ✅ **重要発見**: llvmliteだけでWASM生成可能（LLC/wasm-ld不要）
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### **Week 2: MIR命令実装 + PHI処理** (2025-10-08 ~ 10-14) ✅ **完了**
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#### 成果物
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- ✅ WASI runtime実装（fd_write, proc_exit）
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- ✅ 文字列constants処理（グローバルリテラル生成）
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- ✅ binop全演算WASM動作確認
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- ✅ 箱理論LLVM/WASM分離設計（targets/モジュール）
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- ✅ 制御フロー完全動作（compare/branch/jump）
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- ✅ 回帰テスト体制確立（3スモークテスト）
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### **Week 3: selfhost統合 + PHI修正** (2025-10-15 ~ 10-21) ✅ **完了**
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#### 成果物
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- ✅ **selfhostブランチ統合完了** 🎉
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- PHI統一ポリシー適用（wiring.py）
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- PyVM values[]対応（ops_core.py）
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- call.py resolver優先順序変更
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- WASMツール強化（wasm_inspect.py, wasm_runner.js）
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- ✅ **PHI incoming dict形式完全対応**
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- common.py: dict/array両形式サポート
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- analysis.py/tagging.py: インデント修正
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- phi_handler.py: import修正
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- wiring.py: 自己ループPHI対応
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- ✅ **if-PHI完全動作**: 200返却成功 🎉
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#### 🐛 **残存問題**
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- **loop-PHI重複生成**: PhiHandlerが自己ループforward reference未対応
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- `phi_2.1`（不完全）と`phi_2`（完全）の重複
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- 対策: ChatGPT報告（PhiHandler自己ループ対応）
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- 📝 `apps/tests/hello_wasm.hkr` - 保留（Week 2で関数エクスポート解決後）
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**Week 1完了報告**:
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- 🎉 llvmliteだけでWASMバイナリ生成成功（LLC/wasm-ld不要）
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- ✅ Native/WASMコンパイル両対応（--target native/wasm32）
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- ✅ WASM triple検証PASS（wasm32-unknown-wasi）
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- ⚠️ 関数エクスポート制限（LLVM toolchain or wabt後処理で解決予定）
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### **Week 2: MIR18命令WASM変換完成** (2025-10-08 ~ 10-14) ✅ **Week 2完了！** (2025-10-01)
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#### 目標
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- MIR18命令すべてWASM変換対応
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- Const, BinOp, Branch, Jump, Return, Phi動作確認
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#### Week 2実績（2025-10-01完了）
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**🎉 予定以上の成果達成！**
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**Phase 2.1-2.3完了**:
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1. ✅ **関数エクスポート完全解決**
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- wasm_add_export.py実装（Python自己完結型）
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- WASI runtime実装（fd_write, proc_exit）
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- wasm_runner.js更新（BigInt対応）
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2. ✅ **Hello World WASM実行成功**
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- "Hello, WASM!" 完全出力確認
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- 文字列constants処理実装（40行追加）
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**Phase 2.4-2.6完了**:
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3. ✅ **binop全演算WASM動作確認**
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- 算術演算: +, -, *, /, %
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- ビット演算: &, |, ^, <<, >>
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- テスト: 44 = 15+12+12+5 ✓
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4. ✅ **制御フロー完全動作**
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- compare演算: 10 > 5 = true (1) → 100 ✓
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- branch分岐: if (10 > 5) then 100 else 200 → 100 ✓
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- jump無条件: jump to block → 42 ✓
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**Phase 2.7完了**:
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5. ✅ **スモークテスト整備**
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- arithmetic_smoke.json（算術演算）
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- compare_smoke.json（比較演算）
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- control_flow_smoke.json（制御フロー）
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- run_wasm_smoke_tests.sh（一括実行）
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**Phase 3.1完了**:
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6. ✅ **PHI処理完全修正**
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- 根本原因3つ特定・解決
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- PhiHandler箱化実装（197行）
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- InstructionContext箱化（98行）
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- if文PHIテスト完全成功
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**Phase 3.2完了** (2025-10-01):
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7. ✅ **PHI 'values'形式統一**
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- selfhostブランチから移植完了
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- "incoming": [[v,b]] → "values": [{"value":v, "block":b}]
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- 後方互換性確保（incoming_pairs_vb）
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- WASM生成成功（535バイト）
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#### 残タスク（Week 3へ繰越）
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1. ⏸️ **ループPHI実装**
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- while/loop with PHI
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- 複雑制御フロー（nested loops）
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2. ⏸️ **メモリ命令対応** (Load, Store)
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3. ⏸️ **Box命令拡充** (MirCall完全対応)
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4. ⏸️ **ベンチマークシステム構築**
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#### 成果物 ✅
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- ✅ `tools/wasm_add_export.py`: 関数エクスポートツール
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- ✅ `src/llvm_py/phi_wiring/common.py`: incoming_pairs_vb実装
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- ✅ `src/llvm_py/phi_wiring/analysis.py`: values形式対応
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- ✅ スモークテスト3本（arithmetic/compare/control_flow）
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- ✅ run_wasm_smoke_tests.sh: 一括実行スクリプト
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### **Week 3: ループPHI + ベンチマーク + Parity確認** (2025-10-02 ~ 10-08)
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#### 目標
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- ループPHI実装完成
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- ベンチマークシステム構築
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- VM/LLVM/WASMパリティ確認
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#### Phase 3.3: ループPHI実装（調査中） 🔥
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**目標**: while/loopでのPHI命令完全動作
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**✅ 実装完了**:
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1. **ループPHIテスト作成完了**
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- ✅ test_phi_loop.json: シンプルwhile（counter PHI）
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- ⏸️ test_phi_nested.json: ネストループ（2重PHI）
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2. **PHI wiring完全実装**
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- ✅ ループback-edge対応（PhiHandler.incomplete_phis）
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- ✅ 複数predecessor処理（process_phi_instructions）
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- ✅ forward reference解決（complete_incomplete_phis）
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**🐛 発見された問題** (2025-10-02):
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- **LLVM IR構文エラー**: `phi i64 [0, %"bb0"]` ← 生の数値
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- **期待**: `phi i64 [%const_1, %"bb0"]` ← Constant参照
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- **原因仮説**: llvmlite の phi.add_incoming() 動作、または block_end_values 取得問題
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- **次の調査**: val の型確認、llvmlite 内部動作調査
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**📋 残タスク**:
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1. ⏸️ LLVM IR構文エラー修正
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2. ⏸️ test_phi_nested.json作成
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3. ⏸️ WASM実行成功確認（0→1→2→...→10）
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#### Phase 3.4: ベンチマークシステム構築 ✅ **完了！** (2025-10-03)
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**✅ 達成事項**:
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1. **Hakoベンチマーク作成**: apps/benchmarks/wasm/basic/{factorial,fibonacci,sum_loop}.hako
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2. **実行スクリプト**: tools/run_wasm_benchmarks.sh（Hako→MIR→WASM完全パイプライン）
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3. **手書きベンチマーク**: 7/7テストPASS（i32範囲内で安定動作）
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4. **ベンチマークガイド**: docs/guides/wasm-benchmarks.md
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**🚨 Hakoコンパイラバグ発見**:
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- **問題**: 不正なPHI命令生成（到達不能ブロックがPHI predecessorに含まれる）
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- **再現**: tmp/phi_bug_minimal.{hako,json,ll}
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- **対処**: ✅ selfhostブランチでがちがちに修正完了 → マージ完了！
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**📊 WASM対応状況（MIR18命令）**:
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- ✅ **実装済み（8/18）**: const, binop, compare, branch, jump, ret, phi, copy
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- ❌ **未実装（10/18）**: call, boxcall, newbox, load/store, externcall（一部）, typeop, safepoint, barrier, loopform, unop
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- ⚠️ **制限**: i64オーバーフロー、StringBox操作未対応
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**🎉 手書きベンチマーク成功**: factorial_12/power_2_30/sum_10k全PASS
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#### Phase 3.4（当初計画）
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**ディレクトリ構造**:
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```
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apps/benchmarks/
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wasm/
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basic/
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factorial.nyash # 階乗計算（再帰）
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fibonacci.nyash # フィボナッチ（再帰）
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sum_loop.nyash # ループ合計
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array/
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array_push.nyash # 配列push操作
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array_search.nyash # 線形探索
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array_sort.nyash # バブルソート
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string/
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string_concat.nyash # 文字列結合
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string_repeat.nyash # 文字列繰り返し
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control/
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nested_if.nyash # 深いif-else
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switch_case.nyash # match式ベンチ
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call/
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mutual_recursion.nyash # 相互再帰
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||
deep_call.nyash # 深い関数呼び出し
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```
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**実装計画**:
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1. **基本ベンチ3本** (P0)
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- factorial(20): 再帰深さ確認
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- fibonacci(30): 指数的再帰
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- sum_loop(100000): ループPHI性能
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2. **配列ベンチ2本** (P1)
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- array_push(1000): メモリ確認
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- array_search(1000): 線形探索
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3. **制御ベンチ1本** (P2)
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- nested_if(10): 分岐予測
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**ベンチマーク実行**:
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```bash
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# 一括ベンチマーク
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./tools/run_wasm_benchmarks.sh
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# 個別実行
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./tools/build_wasm.sh apps/benchmarks/wasm/basic/factorial.nyash -o /tmp/factorial.wasm
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node tools/wasm_runner.js /tmp/factorial.wasm
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```
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#### Phase 3.5: Parity確認
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1. **WASI runtime完全連携**
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- fd_write (print) - ✅ 完了
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- fd_read (基本入力 - optional)
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- clock_time_get (now関数)
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2. **Parity テスト**
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- 既存quickスモーク → WASM変換
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- VM/LLVM/WASM同一出力確認
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3. **ドキュメント整備**
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- WASM実行ガイド
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- ベンチマークガイド
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- トラブルシューティング
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#### 成果物
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- ✅ test_phi_loop.json: ループPHIテスト
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- ✅ apps/benchmarks/wasm/: ベンチマークスイート
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- ✅ tools/run_wasm_benchmarks.sh: ベンチマーク実行スクリプト
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- ✅ docs/guides/wasm-benchmarks.md: ベンチマークガイド
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||
- ⏸️ `tools/smokes/v2/profiles/wasm/`: WASM専用スモークプロファイル（Week 4）
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- ⏸️ `docs/guides/wasm-execution.md`: WASM実行ガイド（Week 4）
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- ⏸️ Parity確認レポート（VM/LLVM/WASM）（Week 4）
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### **Week 3総括** (2025-10-03完了) 🎉
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**達成事項**:
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- 🏆 **selfhostブランチ統合**: PHI生成バグがちがちに修正
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- 🏆 **ベンチマークシステム構築完了**: 手書きMIR JSON 7/7 PASS
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- 🏆 **Hakoベンチマーク作成**: factorial/fibonacci/sum_loop.hako
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- 🏆 **ガイドドキュメント完成**: docs/guides/wasm-benchmarks.md
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- 📝 **バグ再現コード**: tmp/phi_bug_minimal.{hako,json,ll}
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**重要発見**:
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- ✅ PHI修正完璧（到達不能predecessor除外）
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- ⚠️ **MIR18命令対応は8/18のみ**（call/boxcall/newbox等未実装）
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- ⚠️ Hakoベンチマークは**call命令実装待ち**
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**技術革新**:
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- PhiMergeHelper箱化（112行）
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- is_block_terminated()ヘルパー
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- 単一predecessor時PHI最適化（直接代入）
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### **Phase 3.5以降の計画** 🚀
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#### **Phase 3.5: call命令実装**（最優先）
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**目標**: 関数呼び出し機構WASM対応
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- function_table構築
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- call indirect実装
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- Hakoベンチマーク（factorial/fibonacci）動作確認
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#### **Phase 3.6: externcall拡充**
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**目標**: StringBox操作WASM対応
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- nyash.string.to_i8p_h実装
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- nyash.string.concat_hh実装
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- nyash.box.from_i8_string実装
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- WASI import整備
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#### **Phase 3.7: boxcall/newbox実装**
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**目標**: メソッド呼び出し・インスタンス生成対応
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||
- boxcall命令WASM実装
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- newbox命令WASM実装
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||
- vtable機構構築
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### **Week 4: WASM最終統合**（延期） (2025-10-09 ~ 10-15)
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#### 目標
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- WASM専用スモークプロファイル完成
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- ドキュメント完全整備
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- Phase 15.8完了
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#### タスク
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1. **スモークプロファイル作成**
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- tools/smokes/v2/profiles/wasm/
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- quickプロファイルWASM変換
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- 自動パリティ確認
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2. **ドキュメント整備**
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- docs/guides/wasm-execution.md
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||
- docs/guides/wasm-benchmarks.md
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||
- トラブルシューティングガイド
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3. **パリティ確認完了**
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||
- VM/LLVM/WASM同一出力確認
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||
- パリティ確認レポート作成
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4. **Phase 15.8完了判定**
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||
- P0条件すべて満たす
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- Phase 16準備（WASM GC検証）
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#### 成果物
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- ✅ tools/smokes/v2/profiles/wasm/
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||
- ✅ docs/guides/wasm-execution.md
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||
- ✅ Parity確認レポート（VM/LLVM/WASM）
|
||
- ✅ Phase 15.8完了報告書
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## 🎨 **設計方針**
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### **MIR18命令 → WASM変換戦略**
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#### **基本演算 (5命令)**
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```
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Const(Int) → i32.const
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||
Const(Float) → f64.const
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||
BinOp(Add) → i32.add / f64.add
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||
Compare(Lt) → i32.lt_s / f64.lt
|
||
TypeOp(Cast) → i32.wrap_i64 / f64.promote_f32
|
||
```
|
||
|
||
#### **制御フロー (4命令)**
|
||
```
|
||
Branch(cond, then, else)
|
||
→ (block $else
|
||
(block $then
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||
(br_if $then (local.get $cond))
|
||
(br $else)
|
||
)
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||
... then_block ...
|
||
(br $merge)
|
||
)
|
||
... else_block ...
|
||
(block $merge)
|
||
|
||
Jump(target) → br $target
|
||
Return(val) → (local.get $val) (return)
|
||
Phi(inputs) → WASM locals + edge-copy materialization
|
||
```
|
||
|
||
#### **Box/外部 (6命令)**
|
||
```
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||
MirCall
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||
→ Method: call_indirect $table_index
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||
→ Global: call $builtin_function
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||
→ Extern: import "wasi_snapshot_preview1" "fd_write"
|
||
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||
Safepoint → (call $gc_safepoint) // WASM GC proposal待ち
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||
Barrier → nop // 将来WASM GC対応
|
||
```
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||
|
||
### **Memory Model**
|
||
```
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||
WASM Linear Memory:
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||
[0..1MB] : Stack (local variables)
|
||
[1MB..16MB] : Heap (Box instances)
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||
[16MB..] : Reserved
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||
|
||
GC Strategy (Phase 15.8):
|
||
- Manual reference counting（WASM GC proposal未対応）
|
||
- Phase 16でWASM GC proposal採用検討
|
||
```
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||
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|
||
## 🚀 **実行方法**
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||
|
||
### **ビルド**
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```bash
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||
# WASM生成
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||
./tools/build_wasm.sh apps/tests/hello.hkr -o hello.wasm
|
||
|
||
# 詳細: MIR JSON経由
|
||
./target/release/hakorune --emit-mir-json hello.json apps/tests/hello.hkr
|
||
python3 src/llvm_py/wasm_emitter.py hello.json -o hello.wasm
|
||
```
|
||
|
||
### **実行**
|
||
```bash
|
||
# Node.js
|
||
node --experimental-wasi-unstable-preview1 tools/wasm_runner.js hello.wasm
|
||
|
||
# Deno
|
||
deno run --allow-read tools/wasm_runner.ts hello.wasm
|
||
|
||
# Browser（開発サーバー必要）
|
||
python3 -m http.server 8000
|
||
# → http://localhost:8000/wasm_demo.html
|
||
```
|
||
|
||
---
|
||
|
||
## 📋 **成功条件と進捗** (2025-10-01更新)
|
||
|
||
### **P0（必須）** - 7/7完了 ✅
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||
1. ✅ Hello World WASM実行成功 - **完了** (Week 2)
|
||
2. ✅ MIR18基本命令WASM変換対応 - **完了** (Week 2)
|
||
- ✅ Const, BinOp, Compare ✓
|
||
- ✅ Branch, Jump, Return ✓
|
||
- ✅ Phi (if分岐) ✓
|
||
- ⏸️ Phi (ループ) - Week 3
|
||
3. ✅ 基本演算/制御フローのパリティ確認（VM/LLVM/WASM）- **完了** (Week 2)
|
||
- ✅ 算術演算: 44 = 15+12+12+5 ✓
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||
- ✅ 比較演算: 10 > 5 = 1 ✓
|
||
- ✅ 制御フロー: if-then-else ✓
|
||
4. ✅ print関数（fd_write）動作 - **完了** (Week 2)
|
||
5. ✅ 関数エクスポート解決 - **完了** (Week 2, wasm_add_export.py)
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6. ✅ PHI処理完全修正 - **完了** (Week 2, PhiHandler箱化)
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7. ✅ PHI 'values'形式統一 - **完了** (Week 2, selfhost移植)
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### **P1（推奨）** - 0/6完了
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1. ⏸️ ループPHI実装 - Week 3優先タスク
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2. ⏸️ ベンチマークシステム構築（6ベンチ） - Week 3
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3. ⏸️ 既存quickスモーク10本WASM変換成功 - Week 4
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4. ⏸️ WASI clock_time_get対応（now関数） - Week 4
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5. ⏸️ エラー処理（panic, error）動作 - Week 4
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6. ⏸️ WASMスモークプロファイル - Week 4
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### **P2（オプション）** - Phase 16以降
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1. ⏸️ async/await基本対応（Promise連携 - Phase 17推奨）
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2. ⏸️ バンドルサイズ<100KB（最適化 - Phase 17推奨）
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3. ⏸️ WASM GC proposal検証（Phase 16推奨）
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### **進捗サマリー**
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- **Week 1**: 完了 ✅ (llvmlite WASM初期化)
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- **Week 2**: 完了 ✅ (基本命令 + PHI if + values形式統一)
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- **Week 3**: 進行中 🚀 (ループPHI + ベンチマーク)
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- **Week 4**: 計画 📋 (スモークプロファイル + ドキュメント)
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## 🔧 **開発環境セットアップ**
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### **Linux/WSL**
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```bash
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# LLVM toolchain
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sudo apt install llvm-14 lld-14
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# llvmlite
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pip install llvmlite
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# Node.js (WASI対応版)
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nvm install 18
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nvm use 18
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# wabt (optional)
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sudo apt install wabt
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```
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### **macOS**
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```bash
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# LLVM
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brew install llvm
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# llvmlite
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pip3 install llvmlite
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# Node.js
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brew install node
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# wabt
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brew install wabt
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```
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## 📚 **参考資料**
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### **WASM仕様**
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- [WebAssembly Core Specification](https://webassembly.github.io/spec/core/)
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- [WASI (WebAssembly System Interface)](https://github.com/WebAssembly/WASI)
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- [WASM GC Proposal](https://github.com/WebAssembly/gc)
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### **LLVM→WASM**
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- [LLVM WebAssembly Backend](https://llvm.org/docs/WebAssembly.html)
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- [Emscripten Documentation](https://emscripten.org/)
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- [llvmlite WASM target](https://llvmlite.readthedocs.io/)
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### **参考実装**
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- AssemblyScript (TypeScript → WASM)
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- Rust wasm32-wasi target
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- Go WASM target
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## 🚨 **既知の課題と制約**
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### **Phase 15.8制約**
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1. **WASM GC未対応**
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- 手動reference counting使用
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- メモリリーク可能性あり（短時間実行のみ推奨）
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2. **async/await制限**
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- Promise連携は基本のみ
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- フル非同期はPhase 17
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3. **パフォーマンス**
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- 最適化なし（デバッグビルド相当）
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- Phase 17で最適化パス追加
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### **回避策**
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- 長時間実行: LLVM native推奨
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- GC重要: Rust VM推奨
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- 本番環境: Phase 16以降推奨
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## 📝 **関連ドキュメント**
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- [MIR18命令セット](../../mir/INSTRUCTION_SET.md)
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- [LLVM Backend実装](../../../guides/llvm-backend.md)
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- [スモークテスト v2](../../../../tools/smokes/v2/README.md)
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- [Phase 15.7完了報告](../phase-15.7/README.md)
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