Merge pull request '修复了ir-opt的bug' (#13) from ptabmhn4l/nudt-compiler-cpp:develop into develop

.changelog/fix/ir-opt/2026-05-19-01/CHANGELOG.md

@@ -0,0 +1,87 @@
+# Fix: starttime/stoptime 库函数链接错误
+
+**日期**: 2026-05-19
+**分支**: fix/ir-opt
+**测试结果**: 737/737 通过 (--O0 --run)
+
+## 问题描述
+
+运行 `bash scripts/run_ir_test.sh --O0 --run` 时，所有调用 `starttime()` / `stoptime()` 的 performance 测试用例在链接阶段失败：
+
+```
+undefined reference to `starttime'
+undefined reference to `stoptime'
+```
+
+## 根因分析
+
+`sylib/sylib.c` 中实际定义的计时函数是 `_sysy_starttime(int lineno)` 和 `_sysy_stoptime(int lineno)`。`sylib/sylib.h` 中的 `starttime()` / `stoptime()` 只是 C 预处理器宏：
+
+```c
+#define starttime() _sysy_starttime(__LINE__)
+#define stoptime()  _sysy_stoptime(__LINE__)
+```
+
+SysY 编译器在 IR 生成时直接将 `starttime` / `stoptime` 作为 LLVM IR 函数名，导致：
+1. 链接器找不到 `starttime` / `stoptime` 符号（实际符号是 `_sysy_starttime` / `_sysy_stoptime`）
+2. 宏中的 `__LINE__` 无法通过 C 预处理器展开，调用未自动传入行号参数
+
+## 修改内容
+
+**文件**: `src/irgen/IRGenExp.cpp`
+
+### 修改1: EnsureExternalDecl 函数名映射（第167行）
+
+将外部函数声明的名称匹配从 `"starttime" || "stoptime"` 改为 `"_sysy_starttime" || "_sysy_stoptime"`：
+
+```cpp
+// Before
+} else if (name == "starttime" || name == "stoptime") {
+    module_.DeclareExternalFunc(name, ir::Type::GetVoidType(),
+                                {ir::Type::GetInt32Type()});
+
+// After
+} else if (name == "_sysy_starttime" || name == "_sysy_stoptime") {
+    module_.DeclareExternalFunc(name, ir::Type::GetVoidType(),
+                                {ir::Type::GetInt32Type()});
+```
+
+### 修改2: 调用点名称映射 + 行号自动插入（第291行）
+
+在函数调用实参收集前，将 SysY 层面的 `starttime` / `stoptime` 映射为实际的库函数名，并自动插入源码行号作为实参：
+
+```cpp
+std::string callee_name = ctx->Ident()->getText();
+
+// 收集实参
+std::vector<ir::Value*> args;
+
+// 映射 starttime/stoptime 到实际的库函数名，并自动插入行号
+if (callee_name == "starttime") {
+  callee_name = "_sysy_starttime";
+  args.push_back(builder_.CreateConstInt(ctx->getStart()->getLine()));
+} else if (callee_name == "stoptime") {
+  callee_name = "_sysy_stoptime";
+  args.push_back(builder_.CreateConstInt(ctx->getStart()->getLine()));
+}
+```
+
+## 效果
+
+修改前生成的 IR：
+```llvm
+declare void @starttime(i32)
+declare void @stoptime(i32)
+...
+call void @starttime()      ; 无参数，链接失败
+call void @stoptime()
+```
+
+修改后生成的 IR：
+```llvm
+declare void @_sysy_starttime(i32)
+declare void @_sysy_stoptime(i32)
+...
+call void @_sysy_starttime(i32 65)   ; 正确函数名 + 行号参数
+call void @_sysy_stoptime(i32 84)
+```

.changelog/fix/ir-opt/2026-05-19-02/CHANGELOG.md

@@ -0,0 +1,89 @@
+# Fix: IR O1 优化导致 09_BFS/10_DFS 输出错误及编译器崩溃
+
+**日期**: 2026-05-19
+**分支**: fix/ir-opt
+**测试结果**: O1 前 422 项测试全部通过（后续 dead-code-elimination 性能问题为已存在缺陷）
+
+## 问题描述
+
+运行 `bash ./scripts/run_ir_test.sh --O1 --run` 时：
+1. 编译器在生成 `testdata/h_functional/10_DFS.sy` 的 IR 时崩溃/卡死
+2. `testdata/h_functional/09_BFS.sy` 的输出结果不正确（全为 0，期望有 1）
+3. `testdata/h_functional/10_DFS.sy` 的可执行文件运行时死循环
+
+## 根因分析
+
+共发现 4 个缺陷：
+
+### 缺陷 1 (关键): ConstProp 删除指令前未清理操作数引用
+`src/ir/passes/ConstProp.cpp` 中 ZExt/SIToFP/FPToSI 折叠后直接调用 `RemoveFromParent()` 销毁指令，未先调用 `SetOperand(i, nullptr)` 断开 use-def 链。导致指令操作数的 `uses_` 列表中残留指向已释放内存的悬空指针，后续 `ReplaceAllUsesWith` 遍历 use 列表时访问已释放内存，造成崩溃（UB）。
+
+### 缺陷 2 (关键): ConstFold 的 `removed` 集合存储悬空指针
+`src/ir/passes/ConstFold.cpp` 中 `DetachAndRemove` 销毁指令后将其地址存入 `std::unordered_set<void*> removed`。若新指令被分配到同一地址，会被错误跳过，导致漏优化。
+
+### 缺陷 3 (关键): CSE 跨 Store/Call 指令错误消除 Load
+`src/ir/passes/CSE.cpp` 的局部值编号不感知内存副作用：`Store`/`Call` 指令可能修改全局变量，但 `available` 映射中缓存的 `Load` 结果不会被失效。例如 `pop_queue()` 中：
+```c
+h = h + 1;           // store @h
+int res = que[h];    // load @h 应读到新值，但 CSE 用 store 前的旧值替代
+return que[h];       // 同上
+```
+导致 `que[old_h]` 被返回而非 `que[new_h]`，BFS 路径搜索失败。
+
+### 缺陷 4: SanitizePhis 使用错误的 undef 类型
+`src/ir/passes/PassManager.cpp` 中 `SanitizePhis` 固定使用 `ctx.GetConstInt(0)` 作为浮点 PHI 节点的 undef 值，造成 LLVM IR 类型不匹配。同时修复无效 incoming 时过于激进——value 和 block 只有一个为 null 时却同时替换两者。
+
+## 修改内容
+
+### 修改 1: ConstProp.cpp — 移除冗余折叠，委托给 ConstFold
+ConstFold 已使用 `DetachAndRemove`（先清操作数再删除）正确处理 ZExt/SIToFP/FPToSI 折叠。移除 ConstProp 中的重复实现，改为直接返回 false：
+```cpp
+bool RunConstProp(Function& func, Context& ctx) {
+  (void)func; (void)ctx;
+  return false;
+}
+```
+
+### 修改 2: ConstFold.cpp — 用 GetParent() 检查替代 removed 集合
+```cpp
+// Before:
+std::unordered_set<void*> removed;
+if (removed.count(inst)) continue;
+removed.insert(inst);
+
+// After:
+if (inst->GetParent() == nullptr) continue;
+```
+
+### 修改 3: CSE.cpp — Store/Call 指令清空 available 映射
+```cpp
+// 新增: Store/Call 可能修改内存，保守清空 available 表
+if (ip->GetOpcode() == Opcode::Store ||
+    ip->GetOpcode() == Opcode::Call) {
+  available.clear();
+  continue;
+}
+```
+
+### 修改 4: PassManager.cpp — SanitizePhis 类型感知 + 精准修复
+```cpp
+// 根据 PHI 类型选择 undef 值
+Value* undef_val = phi->GetType()->IsFloat32()
+    ? static_cast<Value*>(ctx.GetConstFloat(0.0f))
+    : static_cast<Value*>(ctx.GetConstInt(0));
+
+// 仅修复确实为 null 的操作数
+if (!inc_val) phi->SetOperand(i * 2, undef_val);
+if (!inc_bb) phi->SetOperand(i * 2 + 1, entry);
+```
+
+## 效果
+
+- 09_BFS/10_DFS 全部通过 O1 测试
+- 编译器不再崩溃或卡死
+- O1 生成的 IR 通过 llc 验证
+- 前 422 项测试 0 失败
+
+## 已知遗留问题
+
+dead-code-elimination-1.sy（100,000 个局部变量的压力测试）在 O1 下编译极慢（~940s），根因是 Mem2Reg 中 `BasicBlock::RemoveInstruction` 的 O(n) 线性查找被调用 O(n) 次，整体 O(n²)。此问题在本次修复前即存在（之前被 10_DFS 卡死掩盖），留待后续修复。

.changelog/fix/ir-opt/2026-05-19-03/CHANGELOG.md

@@ -0,0 +1,80 @@
+# Fix: Mem2Reg 中 RemoveInstruction 的 O(n²) 性能问题导致 dead-code-elimination 编译极慢
+
+**日期**: 2026-05-19
+**分支**: fix/ir-opt
+**测试结果**: 全部 737 项测试通过，dead-code-elimination-1/2/3 编译时间从 ~940s 降至 ~2-3s
+
+## 问题描述
+
+`dead-code-elimination-1/2/3.sy`（三个完全相同的 100,000 局部变量压力测试，仅输入规模不同：163/16384/1638400）在 O1 下编译极慢（~940s），远超合理范围。
+
+## 根因分析
+
+`BasicBlock::RemoveInstruction` 对 `std::vector<std::unique_ptr<Instruction>>` 做指针线性扫描获取迭代器，再执行 `vector::erase`（需要移动后续所有元素），每次调用均为 O(n)，其中 n 为基本块内指令数。
+
+Mem2Reg 提升 SSA 后需删除所有已提升的 load、store 和 alloca 指令。在 100K 变量的压力测试中，所有指令集中在单个入口基本块内（~300K 条指令），Mem2Reg 对每条指令调用一次 `RemoveFromParent()` → `RemoveInstruction()`：
+
+- 调用次数：~300K 次
+- 每次平均扫描：~150K 个元素
+- 总比较次数：~45B 次
+- 每次 erase 还需移动平均 150K 个 `unique_ptr`
+
+## 修改内容
+
+### 修改 1: IR.h — 新增 `SweepDeadInstructions()` 声明和 `dead_instructions_` 成员
+
+```cpp
+// public 区域（InsertBefore 之后）:
+void SweepDeadInstructions();
+
+// private 区域（instructions_ 之后）:
+std::unordered_set<Instruction*> dead_instructions_;
+```
+
+### 修改 2: BasicBlock.cpp — RemoveInstruction 改为 O(1) 惰性标记
+
+```cpp
+// Before:
+void BasicBlock::RemoveInstruction(Instruction* inst) {
+  for (auto it = instructions_.begin(); it != instructions_.end(); ++it) {
+    if (it->get() == inst) {
+      instructions_.erase(it);
+      return;
+    }
+  }
+}
+
+// After: O(1) 标记 + 惰性清除
+void BasicBlock::RemoveInstruction(Instruction* inst) {
+  dead_instructions_.insert(inst);
+  inst->SetParent(nullptr);
+}
+
+void BasicBlock::SweepDeadInstructions() {
+  if (dead_instructions_.empty()) return;
+  auto it = std::remove_if(instructions_.begin(), instructions_.end(),
+                           [this](const std::unique_ptr<Instruction>& p) {
+                             return dead_instructions_.count(p.get()) > 0;
+                           });
+  instructions_.erase(it, instructions_.end());
+  dead_instructions_.clear();
+}
+```
+
+### 修改 3-6: 各 pass 在删除循环后调用 SweepDeadInstructions
+
+- **Mem2Reg.cpp**: 删除所有 load/store/alloca 后遍历所有 block 调用 `SweepDeadInstructions()` — **主要修复点**
+- **DCE.cpp**: 每个 block 的 `to_remove` 循环后调用 `SweepDeadInstructions()`
+- **CSE.cpp**: 每个 block 的 `to_remove` 循环后调用 `SweepDeadInstructions()`
+- **ConstFold.cpp**: 每个 block 的折叠循环后调用 `SweepDeadInstructions()`
+
+## 效果
+
+| 测试用例 | 修复前 | 修复后 |
+|----------|--------|--------|
+| dead-code-elimination-1 | ~940s | ~2s |
+| dead-code-elimination-2 | ~940s | ~3s |
+| dead-code-elimination-3 | ~940s | ~3s |
+| 全部 737 项测试 | — | 0 失败 |
+
+约 300-400x 加速。三个用例输出与预期完全一致。

include/ir/IR.h

@@ -410,6 +410,8 @@ class BasicBlock : public Value {
   void RemoveInstruction(Instruction* inst);
   // 在 before 之前插入指令；before 为 nullptr 时追加到末尾
   void InsertBefore(Instruction* inst, Instruction* before);
+  // 批量清除已标记的 dead 指令（单次 O(n) sweep）
+  void SweepDeadInstructions();
 
   template <typename T, typename... Args>
   T* Append(Args&&... args) {
@@ -449,6 +451,7 @@ class BasicBlock : public Value {
  private:
   Function* parent_ = nullptr;
   std::vector<std::unique_ptr<Instruction>> instructions_;
+  std::unordered_set<Instruction*> dead_instructions_;
   std::vector<BasicBlock*> predecessors_;
   std::vector<BasicBlock*> successors_;
 };

src/ir/BasicBlock.cpp

@@ -62,12 +62,19 @@ void BasicBlock::AddSuccessor(BasicBlock* bb) {
 void BasicBlock::ClearSuccessors() { successors_.clear(); }
 
 void BasicBlock::RemoveInstruction(Instruction* inst) {
-  for (auto it = instructions_.begin(); it != instructions_.end(); ++it) {
-    if (it->get() == inst) {
-      instructions_.erase(it);
-      return;
-    }
-  }
+  dead_instructions_.insert(inst);
+  inst->SetParent(nullptr);
+}
+
+void BasicBlock::SweepDeadInstructions() {
+  if (dead_instructions_.empty()) return;
+
+  auto it = std::remove_if(instructions_.begin(), instructions_.end(),
+                           [this](const std::unique_ptr<Instruction>& p) {
+                             return dead_instructions_.count(p.get()) > 0;
+                           });
+  instructions_.erase(it, instructions_.end());
+  dead_instructions_.clear();
 }
 
 void BasicBlock::InsertBefore(Instruction* inst, Instruction* before) {

src/ir/passes/CSE.cpp

@@ -92,13 +92,18 @@ bool RunCSE(Function& func) {
 
     for (auto& inst : bb->GetInstructions()) {
       auto* ip = inst.get();
-      std::string key = MakeKey(ip);
-      if (key.empty()) {
-        // 不可消除的指令：如果它有结果，可以考虑将其加入可用集
-        // 但为了简单，这里不处理
+
+      // Store/Call 指令可能修改内存，使之前缓存的 Load/Gep 结果失效。
+      // 保守地清空整个 available 表，避免跨副作用的错误 CSE。
+      if (ip->GetOpcode() == Opcode::Store ||
+          ip->GetOpcode() == Opcode::Call) {
+        available.clear();
         continue;
       }
 
+      std::string key = MakeKey(ip);
+      if (key.empty()) continue;
+
       auto it = available.find(key);
       if (it != available.end()) {
         // 找到已有的等价指令，替换使用
@@ -115,6 +120,7 @@ bool RunCSE(Function& func) {
         ip->SetOperand(i, nullptr);
       ip->RemoveFromParent();
     }
+    bb->SweepDeadInstructions();
   }
 
   return changed;

src/ir/passes/ConstFold.cpp

@@ -135,7 +135,6 @@ bool FoldBinaryWithCtx(BinaryInst* bin, Context& ctx) {
 
 bool RunConstFold(Function& func, Context& ctx) {
   bool changed = false;
-  std::unordered_set<void*> removed;
 
   bool any_changed = true;
   while (any_changed) {
@@ -147,7 +146,7 @@ bool RunConstFold(Function& func, Context& ctx) {
         insts.push_back(inst.get());
 
       for (auto* inst : insts) {
-        if (removed.count(inst)) continue;
+        if (inst->GetParent() == nullptr) continue;
         bool folded = false;
         switch (inst->GetOpcode()) {
           case Opcode::Add: case Opcode::Sub: case Opcode::Mul:
@@ -174,11 +173,11 @@ bool RunConstFold(Function& func, Context& ctx) {
           default: break;
         }
         if (folded) {
-          removed.insert(inst);
           any_changed = true;
           changed = true;
         }
       }
+      bb->SweepDeadInstructions();
     }
   }
   return changed;

src/ir/passes/ConstProp.cpp

@@ -11,53 +11,12 @@
 namespace ir {
 
 bool RunConstProp(Function& func, Context& ctx) {
-  bool changed = false;
-
-  for (auto& bb : func.GetBlocks()) {
-    std::vector<Instruction*> insts;
-    for (auto& inst : bb->GetInstructions())
-      insts.push_back(inst.get());
-
-    for (auto* inst : insts) {
-      if (inst->GetParent() == nullptr) continue;
-      // 检查是否为"复制"类指令：直接将一个操作数作为结果传播
-      // 实际上常量传播由 ConstFold 配合 use-def 链完成
-      // 这里处理简单的常量替换
-      switch (inst->GetOpcode()) {
-        case Opcode::ZExt: {
-          auto* ze = static_cast<ZExtInst*>(inst);
-          if (auto* ci = dynamic_cast<ConstantInt*>(ze->GetSrc())) {
-            ze->ReplaceAllUsesWith(ctx.GetConstInt(ci->GetValue() != 0 ? 1 : 0));
-            ze->RemoveFromParent();
-            changed = true;
-          }
-          break;
-        }
-        case Opcode::SIToFP: {
-          auto* si = static_cast<SIToFPInst*>(inst);
-          if (auto* ci = dynamic_cast<ConstantInt*>(si->GetSrc())) {
-            si->ReplaceAllUsesWith(
-                ctx.GetConstFloat(static_cast<float>(ci->GetValue())));
-            si->RemoveFromParent();
-            changed = true;
-          }
-          break;
-        }
-        case Opcode::FPToSI: {
-          auto* fp = static_cast<FPToSIInst*>(inst);
-          if (auto* cf = dynamic_cast<ConstantFloat*>(fp->GetSrc())) {
-            fp->ReplaceAllUsesWith(
-                ctx.GetConstInt(static_cast<int>(cf->GetValue())));
-            fp->RemoveFromParent();
-            changed = true;
-          }
-          break;
-        }
-        default: break;
-      }
-    }
-  }
-  return changed;
+  // ZExt/SIToFP/FPToSI 常量折叠已在 ConstFold 中统一处理（使用
+  // DetachAndRemove 安全断开 use-def 链后再删除指令），此处不再重复处理，
+  // 否则 RemoveFromParent 直接销毁指令会导致其操作数的 uses_ 列表残留悬空指针。
+  (void)func;
+  (void)ctx;
+  return false;
 }
 
 }  // namespace ir

src/ir/passes/DCE.cpp

@@ -60,6 +60,7 @@ bool RunDCE(Function& func) {
       ip->RemoveFromParent();
       changed = true;
     }
+    bb->SweepDeadInstructions();
   }
 
   return changed;

src/ir/passes/Mem2Reg.cpp

@@ -184,6 +184,11 @@ bool RunMem2Reg(Function& func, Context& ctx) {
     info.alloca->RemoveFromParent();
   }
 
+  // 批量清除已标记的指令（一次 O(n) sweep 替代每次 O(n) 删除）
+  for (auto& bb : func.GetBlocks()) {
+    bb->SweepDeadInstructions();
+  }
+
   return true;
 }
 

src/ir/passes/PassManager.cpp

@@ -31,9 +31,13 @@ static void SanitizePhis(Function& func, Context& ctx) {
     if (phis.empty()) continue;
 
     auto& preds = bb->GetPredecessors();
-    Value* undef_val = ctx.GetConstInt(0);
 
     for (auto* phi : phis) {
+      // 根据 PHI 节点的类型选择正确的 undef 值
+      Value* undef_val = phi->GetType()->IsFloat32()
+                             ? static_cast<Value*>(ctx.GetConstFloat(0.0f))
+                             : static_cast<Value*>(ctx.GetConstInt(0));
+
       // 收集已有的 incoming 块
       std::unordered_set<BasicBlock*> existing;
       for (size_t i = 0; i < phi->GetNumIncoming(); ++i) {
@@ -47,14 +51,12 @@ static void SanitizePhis(Function& func, Context& ctx) {
         }
       }
 
-      // 修复无效的 incoming
+      // 修复无效的 incoming：仅修复确实为 null 的操作数
       for (size_t i = 0; i < phi->GetNumIncoming(); ++i) {
         auto* inc_val = phi->GetIncomingValue(i);
         auto* inc_bb = phi->GetIncomingBlock(i);
-        if (!inc_val || !inc_bb) {
-          phi->SetOperand(i * 2, undef_val);
-          phi->SetOperand(i * 2 + 1, entry);
-        }
+        if (!inc_val) phi->SetOperand(i * 2, undef_val);
+        if (!inc_bb) phi->SetOperand(i * 2 + 1, entry);
       }
     }
   }

src/irgen/IRGenExp.cpp

@@ -164,7 +164,7 @@ void IRGenImpl::EnsureExternalDecl(const std::string& name) {
     module_.DeclareExternalFunc(name, ir::Type::GetVoidType(),
                                 {ir::Type::GetInt32Type(),
                                  ir::Type::GetPtrFloat32Type()});
-  } else if (name == "starttime" || name == "stoptime") {
+  } else if (name == "_sysy_starttime" || name == "_sysy_stoptime") {
     module_.DeclareExternalFunc(name, ir::Type::GetVoidType(),
                                 {ir::Type::GetInt32Type()});
   } else {
@@ -290,6 +290,15 @@ std::any IRGenImpl::visitUnaryExp(SysYParser::UnaryExpContext* ctx) {
 
     // 收集实参
     std::vector<ir::Value*> args;
+
+    // 映射 starttime/stoptime 到实际的库函数名，并自动插入行号
+    if (callee_name == "starttime") {
+      callee_name = "_sysy_starttime";
+      args.push_back(builder_.CreateConstInt(ctx->getStart()->getLine()));
+    } else if (callee_name == "stoptime") {
+      callee_name = "_sysy_stoptime";
+      args.push_back(builder_.CreateConstInt(ctx->getStart()->getLine()));
+    }
     if (ctx->funcRParams()) {
       for (auto* exp : ctx->funcRParams()->exp()) {
         // 检查是否是数组变量（无索引的 lVar），若是则传指针而非 load