Chester 編譯器後端架構

概述

本文檔概述了 Chester 編譯器系統的後端架構。後端負責將 Chester 的內部表示轉換為各種目標平台的可執行代碼。

後端流水線

Chester 編譯器後端遵循多階段代碼生成流水線：

Core Representation → Target AST Generation → Optimization → Code Generation → Executable Artifacts

後端組件

後端由幾個關鍵組件組成：

目標特定的 AST 生成

每個目標平台都有一個專門的 AST 生成階段：

• 目標 AST 構建：構建特定於目標語言的 AST
• 類型映射：將 Chester 類型映射到目標語言類型
• 效果轉換：將 Chester 效果轉換為目標語言結構
• 標準庫綁定：連接到平台特定的庫

優化引擎

後端應用目標特定的優化：

• 死碼消除：移除未使用的代碼
• 常量折疊：在編譯時計算常量表達式
• 內聯：在有益的情況下用函數體替換函數調用
• 特化：為泛型函數創建特定版本
• 尾調用優化：優化尾遞歸調用

代碼生成

最後階段將優化的目標 AST 轉換為可執行代碼：

• 美化輸出：生成格式化的源代碼
• 原生代碼生成：用於直接編譯到機器碼的目標
• 字節碼生成：用於基於虛擬機的目標，如 JVM
• 源碼映射：生成調試信息

支持的編譯器目標

Chester 支持多種編譯器目標，每種目標都有自己的後端實現：

JavaScript/TypeScript

JavaScript/TypeScript 目標（compiler/shared/src/main/scala/chester/targets/js/AST.scala）使 Chester 程序能夠在網頁瀏覽器和 Node.js 中運行。

架構

JavaScript 後端包括：

1. AST 節點：JavaScript/TypeScript 結構的全面表示
2. 類型轉換器：將 Chester 類型映射到 TypeScript 類型註解
3. 效果處理器：使用 JavaScript 承諾（promises）實現 Chester 的效果系統
4. 模塊系統：生成 ES 模塊導出和導入

關鍵特性

• 完整的 JavaScript 語言支援
• TypeScript 類型註解
• ECMAScript 模塊系統
• Web API 集成
• 用於調試的源碼映射生成

JS AST 結構

JavaScript AST 是以一組 case class 的形式實現的：

sealed trait ASTNode extends ToDoc {
  val meta: Option[Meta]
}

sealed trait Expression extends ASTNode
sealed trait Statement extends ASTNode
sealed trait Declaration extends Statement
sealed trait TypeAnnotation extends ASTNode

每個節點都包含一個用於美化輸出和源代碼生成的 toDoc 方法。

JVM (Java/Scala)

JVM 目標實現了與 Java 生態系統的集成，並利用 JVM 運行時。

架構

JVM 後端包含：

1. 字節碼生成：直接生成 JVM 字節碼
2. 類別構建器：創建 JVM 類別文件
3. 運行時庫：JVM 上 Chester 的核心運行時支持
4. Java 互操作：實現從 Chester 調用 Java 代碼

關鍵特性

• Java 互操作性
• Scala 庫集成
• JVM 優化
• 訪問 Java 標準庫
• 高級 JVM 優化（內聯，特化）

原生 (計劃中)

為高性能應用程序計劃了原生代碼目標。

潛在架構

原生後端可能包括：

1. LLVM IR 生成：轉換為 LLVM 中間表示
2. 原生運行時：最小運行時支持庫
3. ABI 兼容性：與 C/C++ 代碼的互操作性
4. 平台支持：為不同 CPU 架構的交叉編譯

計劃功能

• LLVM-based code generation
• Native performance
• Low-level memory control
• System programming capabilities
• Cross-platform support

Type System Mapping

Chester’s rich type system needs careful mapping to target language types:

Effects Handling

Chester’s effect system is implemented differently for each target language:

• JavaScript/TypeScript: Using promises or custom effect handlers
• JVM: Using exceptions and monadic structures
• Native: Using error codes or custom effect handling

Implementation Example: JavaScript Backend

JavaScript/TypeScript AST Example

The JavaScript target provides a good example of target-specific AST:

// Example: Function declaration in JavaScript AST
FunctionDeclaration(
  id = Some(Identifier("greet")),
  params = List(Parameter(TypedIdentifier("name", StringTypeAnnotation()))),
  returnType = Some(StringTypeAnnotation()),
  body = BlockStatement(List(
    ReturnStatement(Some(
      BinaryExpression(
        BinaryOperator.Plus,
        StringLiteral("Hello, "),
        Identifier("name")
      )
    ))
  ))
)

This represents the TypeScript function:

function greet(name: string): string {
  return "Hello, " + name;
}

JavaScript AST Node Categories

The JavaScript AST supports a wide range of node types:

表達式

• Literals: Numbers, strings, booleans, null, BigInt, RegExp
• Identifiers: Named references (typed and untyped)
• Operators: Binary, logical, assignment, unary, update
• Function Expressions: Regular functions and arrow functions
• Object and Array Expressions: Object literals and array literals
• Class Expressions: Class definitions with inheritance and method definitions

語句

• Block Statements: Groups of statements
• Expression Statements: Expressions used as statements
• Control Flow Statements: if/else, while, do-while, for, switch
• Declaration Statements: let, const, var declarations

TypeScript Features

• Type Annotations: For variables, parameters, return types
• Interface and Type Declarations: For defining complex types
• Generics: Type parameters for functions and classes
• Union and Intersection Types: Type combinations

Build System Integration

The Chester compiler backend integrates with build systems through:

• SBT Plugin: For JVM builds
• NPM Package: For JavaScript/TypeScript integration
• CLI Interface: For command-line usage

Future Directions

Planned improvements to the compiler backend include:

• WebAssembly Support: Direct compilation to WebAssembly
• More Native Targets: Support for various native platforms
• Interoperability Enhancements: Better interop with target languages
• Performance Optimizations: Target-specific optimizations
• Cross-Compilation: Single-command compilation to multiple targets
• Advanced Optimizations: Target-specific performance improvements

參考資料

• JavaScript AST is inspired by the ESTree Spec
• JVM codegen draws from Scala 3 compiler techniques
• LLVM-based compilation follows the LLVM Language Reference