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# NGRA → HIR → SSA → LLVM 设计笔记
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## 当前结论
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NGRA 不应直接承担完整 SSA 构建与数据流分析职责。
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NGRA 的职责是：
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* Token 分析
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* 岛屿压缩（Island Compression）
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* 结构识别
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* 局部语义绑定
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* 元数据传播
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* AST 构建
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SSA 的职责是：
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* CFG 构建
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* Def-Use 分析
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* Phi 插入
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* Value Versioning
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* 全局优化
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||
# 总体架构
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||
推荐架构：
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||
```text
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||
Source Code
|
||
↓
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||
NGRA
|
||
↓
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||
五角星AST
|
||
↓
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||
HIR（寄存器式）
|
||
↓
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||
CFG
|
||
↓
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||
SSA
|
||
↓
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||
LLVM IR
|
||
↓
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||
LLVM Backend
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||
↓
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Native Code / SPIR-V / CUDA
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||
```
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|
||
而不是：
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||
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||
```text
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||
AST
|
||
↓
|
||
直接LLVM IR
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||
```
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原因：
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LLVM IR 过于底层。
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||
NGRA 与语言语义高度相关。
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中间需要一个：
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||
```text
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||
Language HIR
|
||
```
|
||
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||
作为桥梁。
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||
---
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||
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||
# 五角星AST职责
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||
|
||
五角星AST承担：
|
||
|
||
```text
|
||
Syntax
|
||
+
|
||
Metadata
|
||
+
|
||
Partial Semantic
|
||
```
|
||
|
||
信息。
|
||
|
||
节点包含：
|
||
|
||
```csharp
|
||
Parent
|
||
Prev
|
||
Next
|
||
Left
|
||
Right
|
||
```
|
||
|
||
同时可附带：
|
||
|
||
```csharp
|
||
Type
|
||
Symbol
|
||
Attribute
|
||
SourceSpan
|
||
Flags
|
||
```
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||
因此无需再构造独立 Bound AST。
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# SCG（Semi Context Grammar）
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SCG 不等于 SSA。
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SCG 只负责：
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## 1. 声明语义
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例如：
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```csharp
|
||
class Foo : Bar
|
||
```
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||
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||
直接得到：
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||
|
||
```text
|
||
Foo
|
||
Bar
|
||
Inheritance
|
||
```
|
||
|
||
---
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||
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||
## 2. Token级语义
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||
|
||
例如：
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||
|
||
```csharp
|
||
123
|
||
```
|
||
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||
立即得到：
|
||
|
||
```text
|
||
Int32
|
||
```
|
||
|
||
例如：
|
||
|
||
```csharp
|
||
int a = "abc";
|
||
```
|
||
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||
立即报错。
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||
---
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||
## 3. 局部表达式语义
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||
例如：
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||
|
||
```csharp
|
||
int + float
|
||
```
|
||
|
||
归约时：
|
||
|
||
```text
|
||
Implicit Conversion
|
||
Operator Resolution
|
||
```
|
||
|
||
直接完成。
|
||
|
||
---
|
||
|
||
## 4. 上下文元数据
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||
|
||
允许读取：
|
||
|
||
```text
|
||
当前岛屿
|
||
父岛屿
|
||
全局声明表
|
||
```
|
||
|
||
中的信息。
|
||
|
||
例如：
|
||
|
||
```csharp
|
||
namespace A
|
||
{
|
||
class B
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
Class Island 自动继承：
|
||
|
||
```text
|
||
CurrentNamespace=A
|
||
```
|
||
|
||
---
|
||
|
||
# SCG边界
|
||
|
||
SCG允许：
|
||
|
||
```text
|
||
当前节点
|
||
当前归约栈
|
||
当前岛屿元数据
|
||
父岛屿元数据
|
||
全局声明表
|
||
```
|
||
|
||
SCG禁止：
|
||
|
||
```text
|
||
CFG
|
||
Phi
|
||
Def-Use
|
||
Alias Analysis
|
||
Call Graph
|
||
Loop Analysis
|
||
```
|
||
|
||
这些属于 SSA 阶段。
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||
|
||
---
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||
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||
# HIR设计
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||
最终决定：
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||
不采用栈机IR。
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||
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||
原因：
|
||
|
||
AST 已经表达了操作数关系。
|
||
|
||
如果先降成：
|
||
|
||
```text
|
||
load
|
||
load
|
||
add
|
||
store
|
||
```
|
||
|
||
属于：
|
||
|
||
```text
|
||
丢失结构
|
||
再恢复结构
|
||
```
|
||
|
||
没有意义。
|
||
|
||
---
|
||
|
||
# HIR采用寄存器式设计
|
||
|
||
推荐形式：
|
||
|
||
```text
|
||
%0 = const 2
|
||
%1 = mul c, %0
|
||
%2 = add b, %1
|
||
|
||
a := %2
|
||
```
|
||
|
||
而不是：
|
||
|
||
```text
|
||
load b
|
||
load c
|
||
push 2
|
||
mul
|
||
add
|
||
store a
|
||
```
|
||
|
||
---
|
||
|
||
# Value模型
|
||
|
||
HIR中的表达式全部返回 Value。
|
||
|
||
例如：
|
||
|
||
```csharp
|
||
HirValue EmitExpr(AstNode node)
|
||
```
|
||
|
||
返回：
|
||
|
||
```csharp
|
||
ValueId
|
||
```
|
||
|
||
---
|
||
|
||
# Symbol与Value分离
|
||
|
||
保留：
|
||
|
||
```text
|
||
SymbolId
|
||
ValueId
|
||
```
|
||
|
||
两套体系。
|
||
|
||
例如：
|
||
|
||
```text
|
||
a
|
||
b
|
||
c
|
||
```
|
||
|
||
属于：
|
||
|
||
```text
|
||
SymbolId
|
||
```
|
||
|
||
表达式结果：
|
||
|
||
```text
|
||
%0
|
||
%1
|
||
%2
|
||
```
|
||
|
||
属于：
|
||
|
||
```text
|
||
ValueId
|
||
```
|
||
|
||
---
|
||
|
||
# Assignment处理
|
||
|
||
例如：
|
||
|
||
```csharp
|
||
a = b + c;
|
||
```
|
||
|
||
生成：
|
||
|
||
```text
|
||
%0 = add b,c
|
||
|
||
a := %0
|
||
```
|
||
|
||
此时：
|
||
|
||
```text
|
||
a
|
||
```
|
||
|
||
仍不是 SSA。
|
||
|
||
只是：
|
||
|
||
```text
|
||
Symbol → Current Value
|
||
```
|
||
|
||
映射。
|
||
|
||
---
|
||
|
||
# SSA阶段
|
||
|
||
SSA阶段负责：
|
||
|
||
```text
|
||
a
|
||
↓
|
||
a_0
|
||
a_1
|
||
a_2
|
||
...
|
||
```
|
||
|
||
版本化。
|
||
|
||
例如：
|
||
|
||
```csharp
|
||
a = 1;
|
||
a = 2;
|
||
```
|
||
|
||
变：
|
||
|
||
```text
|
||
a_0 = 1
|
||
a_1 = 2
|
||
```
|
||
|
||
---
|
||
|
||
# CFG构建
|
||
|
||
真正的分界线
|
||
|
||
不是：
|
||
|
||
```text
|
||
AST
|
||
↓
|
||
HIR
|
||
```
|
||
|
||
而是：
|
||
|
||
```text
|
||
HIR
|
||
↓
|
||
CFG
|
||
```
|
||
|
||
因为：
|
||
|
||
```text
|
||
树
|
||
↓
|
||
图
|
||
```
|
||
|
||
在这里发生。
|
||
|
||
例如：
|
||
|
||
```csharp
|
||
if(cond)
|
||
{
|
||
}
|
||
else
|
||
{
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
生成：
|
||
|
||
```text
|
||
BB0
|
||
br cond
|
||
|
||
BB1
|
||
...
|
||
|
||
BB2
|
||
...
|
||
|
||
BB3
|
||
```
|
||
|
||
---
|
||
|
||
# LLVM IR定位
|
||
|
||
LLVM IR不是语言IR。
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||
|
||
LLVM IR是：
|
||
|
||
```text
|
||
SSA Optimization IR
|
||
```
|
||
|
||
职责：
|
||
|
||
```text
|
||
跨平台
|
||
优化
|
||
后端接口
|
||
```
|
||
|
||
不负责：
|
||
|
||
```text
|
||
泛型
|
||
属性
|
||
高级语义
|
||
```
|
||
|
||
---
|
||
|
||
# 最终路线
|
||
|
||
```text
|
||
NGRA
|
||
↓
|
||
SCG
|
||
↓
|
||
五角星AST
|
||
↓
|
||
寄存器式HIR
|
||
↓
|
||
CFG
|
||
↓
|
||
SSA
|
||
↓
|
||
LLVM IR
|
||
↓
|
||
x86/ARM
|
||
|
||
或
|
||
|
||
SPIR-V
|
||
|
||
或
|
||
|
||
CUDA/NVVM
|
||
```
|
||
|
||
---
|
||
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||
# 对蓝图系统的启发
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||
|
||
SSA最重要的启发：
|
||
|
||
程序可以拆成：
|
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|
||
```text
|
||
Control Flow Graph
|
||
+
|
||
Data Flow Graph
|
||
```
|
||
|
||
两张图。
|
||
|
||
因此未来节点管线系统可考虑：
|
||
|
||
```text
|
||
State Graph
|
||
+
|
||
Value Graph
|
||
```
|
||
|
||
双图结构。
|
||
|
||
从：
|
||
|
||
```text
|
||
DAG
|
||
```
|
||
|
||
演化为：
|
||
|
||
```text
|
||
Parallel State Machine
|
||
+
|
||
Data Dependency Graph
|
||
```
|
||
|
||
这样能够自然支持：
|
||
|
||
```text
|
||
Branch
|
||
Loop
|
||
Coroutine
|
||
Async
|
||
Event
|
||
```
|
||
|
||
等复杂控制流。
|