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🏆 Phase 10: LLVM Direct AOT（最高性能実現）

Status: Deferred（Cranelift JITをPhase 10の主経路に採用、AOTは後段研究） Last Updated: 2025-08-25

📋 Summary

MIR→LLVM IR直接変換による最高性能AOT実現。Cranelift JITをスキップし、実用優先戦略でLLVMの強力な最適化を直接活用する。

🎯 実装目標

# Phase 9基盤の拡張
nyash --compile-llvm app.nyash -o app          # LLVM AOT実行ファイル生成
nyash --optimize app.nyash -o app              # 最適化AOT（LTO・PGO）
./app                                           # 最高性能実行

# 内部実装パイプライン
Nyash → AST → MIR → LLVM IR → 最適化 → ネイティブ実行ファイル

🔧 技術アプローチ

1. MIR→LLVM IR変換基盤

// 追加予定: src/backend/llvm/mod.rs
use llvm_sys::*;

pub struct LLVMBackend {
    context: LLVMContextRef,
    module: LLVMModuleRef,
    builder: LLVMBuilderRef,
}

impl LLVMBackend {
    pub fn compile_mir(&mut self, mir: &MirModule) -> Result<Vec<u8>, String> {
        // MIR→LLVM IR変換
        self.lower_mir_to_llvm(mir)?;
        
        // 最適化パス適用
        self.apply_optimization_passes()?;
        
        // ネイティブコード生成
        self.generate_object_code()
    }
}

2. エスケープ解析・ボックス化解除

// Everything is Box最適化の核心
pub struct EscapeAnalysis {
    // Box→スタック値最適化判定
    pub fn analyze_box_usage(&self, mir: &MirModule) -> BoxOptimizationMap,
    
    // 型特殊化機会検出
    pub fn detect_specialization(&self, mir: &MirModule) -> SpecializationMap,
}

// 最適化例:
// Before: %0 = NewBox(StringType, "hello")  // ヒープ割り当て
// After:  %0 = "hello"                      // スタック配置

3. LTO・PGO統合

// Link-time optimization
pub fn apply_lto(&self, modules: &[LLVMModuleRef]) -> Result<LLVMModuleRef, String> {
    // 関数間インライン・デッドコード除去
}

// Profile-guided optimization  
pub fn apply_pgo(&self, profile_data: &[u8]) -> Result<(), String> {
    // プロファイル情報による最適化
}

📊 パフォーマンス目標

指標	Phase 9 AOT WASM	Phase 10 LLVM AOT	改善率
実行性能	~1.6ms	<0.1ms	16倍向上
メモリ効率	WASM制約あり	Box割当80%削減	5倍効率
起動時間	~10ms	<1ms	10倍高速
総合性能	500倍（対Interpreter）	13500倍目標	27倍向上

🛠️ 実装ステップ（4-6ヶ月）

Month 1-2: LLVM統合基盤

• LLVM-sys統合・ビルド環境整備
• MIR→LLVM IR基本変換
• 基本型・演算のLLVM表現
• 最小実行可能バイナリ生成

Month 3-4: Everything is Box最適化

• エスケープ解析実装
• Box→スタック値最適化
• 型特殊化・インライン展開
• メモリレイアウト最適化

Month 5-6: 高度最適化・プロダクション対応

• LTO・PGO統合
• プロファイル駆動最適化
• 他言語との性能比較
• プロダクションレベル品質確保

🔍 Everything is Box最適化戦略

Box回避最適化

// 元コード
local str = new StringBox("hello")
local len = str.length()

// LLVM最適化後（概念）
local str = "hello"        // スタック配置
local len = 5              // コンパイル時計算

NaN Boxing活用

// 効率的な値表現
union NyashValue {
    ptr: *mut Box<dyn NyashBox>,  // ポインタ
    int: i64,                     // 整数直接格納
    float: f64,                   // 浮動小数点
    // NaN空間でタグ判別
}

型推論・特殊化

// 汎用版
fn generic_add(a: NyashValue, b: NyashValue) -> NyashValue

// 特殊化版（LLVM生成）
fn specialized_int_add(a: i64, b: i64) -> i64  // 直接レジスタ操作

✅ Acceptance Criteria

性能要件

• 1000倍高速化達成（現在13.5倍 → 目標13500倍）
• Box割当数80%削減
• 起動時間ネイティブレベル（<1ms）
• メモリ使用量50%削減

品質要件

• 既存プログラム100%互換
• 全テストスイートPASS
• 他言語との競争力（C/C++/Rust並み性能）
• プロダクション安定性

技術要件

• LLVM統合完全実装
• エスケープ解析実用レベル
• LTO・PGO動作確認
• CI自動化対応

🚀 期待される効果

最高性能実現

• ネイティブレベル性能: C/C++/Rust並みの実行速度
• メモリ効率: Box操作の根本的最適化
• 起動高速: 瞬時起動（<1ms）

競合優位確立

• Everything is Box: 史上初のBox哲学ネイティブ最適化
• 技術的差別化: 独自最適化技術による優位性
• プロダクション対応: 実用レベルの高性能実現

言語完成

• 現代的言語: 開発効率と実行性能の完全両立
• エコシステム: 高性能基盤による周辺ツール発展
• 採用促進: 性能面での採用障壁完全除去

📖 References

• docs/予定/native-plan/copilot_issues.txt（Phase 10詳細）
• docs/予定/ai_conference_native_compilation_20250814.md（AI大会議結果）
• docs/予定/native-plan/issues/phase9_aot_wasm_implementation.md（Phase 9基盤）
• LLVM Language Reference
• LLVM Optimization Guide

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💡 Tip: Phase 9のAOT基盤を活用し、段階的にLLVM最適化を導入する戦略で確実な成果を目指します。

最終更新: 2025-08-14 作成者: Claude（実用優先戦略）