From a16120dbdf00472f264112376350522e6086069e Mon Sep 17 00:00:00 2001
From: jing <3030349106@qq.com>
Date: Mon, 9 Mar 2026 21:21:55 +0800
Subject: [PATCH] =?UTF-8?q?docs(doc):=20=E6=96=87=E6=A1=A3=E6=B7=BB?=
 =?UTF-8?q?=E5=8A=A0mem2reg=E5=86=85=E5=AE=B9?=
MIME-Version: 1.0
Content-Type: text/plain; charset=UTF-8
Content-Transfer-Encoding: 8bit

---
 doc/Lab5-基本标量优化.md | 104 ++++++++++++++++++++++++++-------
 src/ir/passes/CMakeLists.txt   |   1 +
 src/ir/passes/CSE.cpp          |   5 ++
 src/ir/passes/PassManager.cpp  |   7 ++-
 4 files changed, 95 insertions(+), 22 deletions(-)
 create mode 100644 src/ir/passes/CSE.cpp

diff --git a/doc/Lab5-基本标量优化.md b/doc/Lab5-基本标量优化.md
index f8661e0..643c4cc 100644
--- a/doc/Lab5-基本标量优化.md
+++ b/doc/Lab5-基本标量优化.md
@@ -3,15 +3,66 @@
 ## 1. 本实验定位
 
 Lab5 的目标是让 IR 从“能跑”变成“跑的更好”。
-在当前编译器基础上，做基础标量优化，框架中给出了三种，可以按需补充：
+在进入本实验的标量优化前，先完成或接入 `mem2reg`，将局部变量的 `alloca/load/store` 提升到 SSA 形式。
+
+在当前编译器基础上，做基础标量优化，框架中给几种，可以按需补充：
+
 
 1. 常量相关优化（常量折叠/传播）
 2. 无用代码删除（DCE）
 3. CFG 简化与不可达代码删除
+4. 公共子表达式消除（CSE）
+...
 
 ---
 
-## 2. IR 的 use-def 关系
+## 2. Mem2Reg 
+
+在很多编译器中，AST lower 到 IR 时，局部变量通常先以“内存形式”表示：
+
+1. 用 `alloca` 在栈上分配局部变量
+2. 用 `store` 写变量
+3. 用 `load` 读变量
+
+这种表示语义正确、实现直接，但会引入大量冗余内存访问，不利于常量传播、DCE、CSE 等标量优化。
+
+`mem2reg`（memory to register）的目标，就是把这类 `alloca/load/store` 形式提升到 SSA 形式，让值尽量直接在 SSA Value 上传递。
+
+### 2.1 Mem2Reg 的核心过程
+
+1. 识别可提升变量  
+   找出由 `alloca` 分配、且只通过 `load/store` 访问的局部变量。
+
+2. 构建 CFG  
+   明确基本块与前驱/后继关系，为后续插入 `phi` 和重命名提供基础。
+
+3. 插入 `phi`  
+   在控制流汇合点合并来自不同路径的定义。
+
+4. 变量重命名  
+   沿支配树遍历，为每次定义分配 SSA 版本，保证“单次赋值”。
+
+5. 删除冗余内存操作  
+   提升完成后，移除对应的 `alloca/load/store`。
+
+### 2.2 Mem2Reg 的关键算法基础
+
+1. 支配树（Dominator Tree）  
+   若从入口到块 A 的所有路径都经过块 B，则 B 支配 A。  
+   支配树用于描述“定义能影响到哪里”，是变量重命名的基础。常见实现可采用 Lengauer-Tarjan 算法。
+
+2. 支配边界（Dominance Frontier）  
+   支配边界描述“支配关系结束并发生控制流汇合”的位置。  
+   在 Mem2Reg 中，它的核心作用是确定 `phi` 函数插入点。
+
+3. SSA 构造（Cytron 框架）  
+   典型流程为：计算支配树 -> 计算支配边界 -> 插入 `phi` -> 重命名变量。  
+   Mem2Reg 本质上就是该 SSA 构造流程在“可提升局部变量”上的工程化实现。
+
+
+---
+
+## 3. IR 的 use-def 关系
 
 
 LLVM 中通常维护完整 `Use-User` 双向关系；当前仓库是最小 IR，实现较轻量。
@@ -47,18 +98,18 @@ use-def（或 def-use）描述的是“值在哪里被定义、又在哪里被
 
 ---
 
-## 3. Lab5 要求
+## 4. Lab5 要求
 
 需要同学完成：
 
 1. 理解当前 IR/CFG 结构，明确“有用代码、无用代码、不可达代码”的定义。
 2. 完成可运行标量优化代码。
 3. 将优化串联到 `PassManager`，形成可重复执行的优化流程。
-4. 保证优化前后语义一致（功能不回归）。
+4. 保证优化前后语义一致。
 
 ---
 
-## 4. 当前代码框架（与 Lab5 相关）
+## 5. 当前代码框架（与 Lab5 相关）
 
 1. IR 核心
    - `src/ir/IR.h`
@@ -71,7 +122,9 @@ use-def（或 def-use）描述的是“值在哪里被定义、又在哪里被
 2. 分析与优化
    - `src/ir/analysis/DominatorTree.cpp`
    - `src/ir/analysis/LoopInfo.cpp`
+   - `src/ir/passes/Mem2Reg.cpp`
    - `src/ir/passes/ConstFold.cpp`
+   - `src/ir/passes/CSE.cpp`
    - `src/ir/passes/DCE.cpp`
    - `src/ir/passes/CFGSimplify.cpp`
    - `src/ir/passes/PassManager.cpp`
@@ -81,10 +134,12 @@ use-def（或 def-use）描述的是“值在哪里被定义、又在哪里被
 
 ---
 
-## 5. 需要修改的文件
+## 6. 需要修改的文件
 
 1. 核心优化实现
+   - `src/ir/passes/Mem2Reg.cpp`（建议先完成，作为后续标量优化前置）
    - `src/ir/passes/ConstFold.cpp`
+   - `src/ir/passes/CSE.cpp`
    - `src/ir/passes/DCE.cpp`
    - `src/ir/passes/CFGSimplify.cpp`
    - `src/ir/passes/PassManager.cpp`
@@ -97,9 +152,9 @@ use-def（或 def-use）描述的是“值在哪里被定义、又在哪里被
 
 ---
 
-## 6. 算法说明
+## 7. 算法说明
 
-### 6.1 Dead（无用代码删除）
+### 7.1 Dead（无用代码删除）
 
 可以采用“标记 + 清扫”思路：
 
@@ -109,7 +164,7 @@ use-def（或 def-use）描述的是“值在哪里被定义、又在哪里被
 
 > 本实验不限定具体思路，实现可自由设计。
 
-### 6.2 Clean
+### 7.2 Clean
 
 在 DCE 后对 CFG 做结构化清理，常见包括：
 
@@ -118,32 +173,41 @@ use-def（或 def-use）描述的是“值在哪里被定义、又在哪里被
 3. 线性可合并块合并
 4. 不可达块删除
 
-### 6.3 优化顺序建议
+### 7.3 优化顺序建议
 
-可采用迭代顺序：
+建议仅约束一条：
 
-1. `ConstFold`
-2. `DCE`
-3. `CFGSimplify`
-...
-必要时重复多轮，直到 IR 不再变化。
+1. `Mem2Reg` 在前面先执行一遍（将 IR 提升到更适合做标量优化的形式）。
+
+其余优化遍（如 `ConstFold`、`CSE`、`DCE`、`CFGSimplify`）的组织顺序不做硬性规定，可根据你的实现自由设计；必要时可采用迭代方式直到 IR 不再变化。
+
+### 7.4 公共子表达式消除（Common Subexpression Elimination）
+
+原理：  
+如果同一个表达式在程序中被多次计算，并且其操作数在计算之间没有改变，则可以只计算一次，并复用计算结果。
+
+作用：  
+避免重复计算，减少指令数量，提高执行效率。
+
+实现思路：  
+在基本块或更大范围内记录已经计算过的表达式。再次遇到相同表达式且操作数未变化时，直接复用之前的结果，而不是重新生成同一计算。
 
 ---
 
-## 7. 构建与验证
+## 8. 构建与验证
 
 ```bash
 cmake -S . -B build -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release
 cmake --build build -j "$(nproc)"
 ```
 
-### 7.1 观察 IR
+### 8.1 观察 IR
 
 ```bash
 ./build/bin/compiler --emit-ir test/test_case/simple_add.sy
 ```
 
-### 7.2 语义回归
+### 8.2 语义回归
 
 ```bash
 ./scripts/verify_ir_with_llvm.sh test/test_case/simple_add.sy out/ir --run
@@ -153,5 +217,3 @@ cmake --build build -j "$(nproc)"
 目标：优化后程序行为与优化前保持一致。
 
 ---
-
-
diff --git a/src/ir/passes/CMakeLists.txt b/src/ir/passes/CMakeLists.txt
index cfb5093..4d8f509 100644
--- a/src/ir/passes/CMakeLists.txt
+++ b/src/ir/passes/CMakeLists.txt
@@ -2,6 +2,7 @@ add_library(ir_passes STATIC
   PassManager.cpp
   Mem2Reg.cpp
   ConstFold.cpp
+  CSE.cpp
   DCE.cpp
   CFGSimplify.cpp
 )
diff --git a/src/ir/passes/CSE.cpp b/src/ir/passes/CSE.cpp
new file mode 100644
index 0000000..58b8bdd
--- /dev/null
+++ b/src/ir/passes/CSE.cpp
@@ -0,0 +1,5 @@
+// 公共子表达式消除（CSE）：
+// - 识别并复用重复计算的等价表达式
+// - 典型放置在 ConstFold 之后、DCE 之前
+// - 当前为 Lab5 的框架占位，具体算法由实验实现
+
diff --git a/src/ir/passes/PassManager.cpp b/src/ir/passes/PassManager.cpp
index d08d611..dd642d6 100644
--- a/src/ir/passes/PassManager.cpp
+++ b/src/ir/passes/PassManager.cpp
@@ -1,4 +1,9 @@
 // IR Pass 管理：
 // - 按优化级别组织优化 pipeline
 // - 统一运行 pass、统计与调试输出（按需要扩展）
-
+//
+// Lab5 推荐顺序（可迭代多轮）：
+// 1. ConstFold
+// 2. CSE
+// 3. DCE
+// 4. CFGSimplify