6.5 MIR 机器中间表示、寄存器分配与 Legalize

在代码生成过程中，编译器通常需要应对两项底层硬件约束：

1. 硬件指令支持的不对称性：并非所有架构均原生支持宽整型运算（如 i128）或特定的向量指令；
2. 硬件物理寄存器资源受限：函数内定义的局部变量数量通常多于 CPU 可用的物理通用寄存器数量。

本节我们将分析 Zig 0.17 是如何通过 Legalize（合法化）、MIR（机器中间表示） 与 register_manager.zig（寄存器分配管理） 处理上述约束的。

硬件能力规整：合法化处理（Legalize.zig）

在 src/Air/Legalize.zig 中，定义了硬件平台特性描述 Features：

pub const Features = packed struct {
    expand_add_safe: bool = false,
    expand_sub_safe: bool = false,
    expand_mul_safe: bool = false,
    expand_int_from_float_safe: bool = false,
    expand_array_splat: bool = false,
    expand_packed_load: bool = false,
    // ...
};

各硬件后端在初始化时，向编译器声明当前平台的指令支持限制：

• 例如：若某微控制器缺少硬件浮点运算单元（FPU），可声明 expand_int_from_float_safe = true；
• Legalize.zig 会在指令进入后端前，将对应的复杂操作展开为软件模拟的指令序列。

这种机制将指令展开逻辑集中在统一中端，降低了各特定硬件后端代码生成器的复杂度。

硬件贴合层：机器中间表示（MIR）

AIR 经过合法化后，后端将其映射为针对具体 CPU 架构的 MIR（Machine Intermediate Representation）。

每个自研后端拥有独立的 Mir.zig（例如 src/codegen/aarch64/Mir.zig 或 src/codegen/x86_64/Mir.zig）。

graph TD
    %% Global styles and definitions
    classDef core stroke:#0066cc,stroke-width:2px;
    classDef middle stroke:#ff9900,stroke-width:2px;
    classDef edge stroke:#ccc,stroke-width:2px;

    subgraph SG_IR_Evolution["从高级语义到物理机器指令"]
        direction TB
        Node_AIR["AIR: 平台无关强类型指令<br/>%3 = add_safe(%1, %2)"]
        Node_Legal["Legalize: 硬件能力适配与展开"]
        Node_MIR["MIR: 架构专用伪机器指令<br/>ADD x0, x1, x2(含虚拟寄存器/栈槽)"]
        Node_RegAlloc["Register Manager: 物理寄存器绑定与栈溢出分配"]
        Node_Binary["Emit / Assemble: 二进制机器码字节流<br/>0x8B 0x00 0x00 0x20"]

        Node_AIR --> Node_Legal --> Node_MIR --> Node_RegAlloc --> Node_Binary
    end

    style SG_IR_Evolution stroke:#0066cc,stroke-width:2px;

    class Node_AIR,Node_Binary core;
    class Node_Legal,Node_MIR middle;
    class Node_RegAlloc edge;

MIR 指令与目标处理器的汇编指令结构基本对应（如 MOV, ADD, B.NE 等），但仍可包含虚拟寄存器或尚未分配绝对偏移的栈槽（Stack Slots）。

线性扫描寄存器分配：register_manager.zig

传统编译器通常采用基于图着色（Graph Coloring）的寄存器分配算法。该算法能够较好地利用寄存器，但在大函数下分析开销相对较高。

Zig 0.17 在 src/register_manager.zig 中实现了线性扫描寄存器分配器：

pub fn RegisterManager(
    comptime Self: type,
    comptime Register: type,
    comptime RegisterIndex: type,
) type {
    return struct {
        /// 物理寄存器状态位图：空闲 (free) 还是已占用 (allocated)
        registers: [registers_count]Status,
        // ...
    };
}

分配逻辑：

1. 结合变量生存期（Air/Liveness.zig）： 在单遍扫描过程中，当某个变量生命周期结束（Die Point）时，其占用的物理寄存器立即被标记为 free 供后续指令复用；
2. 寄存器溢出处理（Spill）： 若无空闲物理寄存器，选择一个生存期较长的变量暂时转存至当前栈帧（Stack Frame）；
3. 分配开销： 线性扫描算法以常数级别的计算开销完成寄存器分配，符合原生后端追求快速编译反馈的设计目标。

下一节我们将对三大后端的构建性能与产物质量进行综合对比。