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Lab5：基本标量优化

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：

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

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2. 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。

什么是 use-def

use-def（或 def-use）描述的是“值在哪里被定义、又在哪里被使用”的关系：

1. def：某条指令产生了一个值（定义点）。
2. use：其他指令把这个值当作操作数使用（使用点）。

在 IR 中维护好这层关系后，优化遍就能快速回答：
“这个值还有人用吗？”、“我要把旧值替换成新值，需要改哪些地方？”

use-def 的作用

在优化阶段，use-def 关系的价值主要体现在：

1. 判断“是否还被使用”更直接
   DCE 可以直接依据某个值是否还有用户来决定是否可删，而不必每次全函数扫描。

2. 支持局部重写与传播
   常量折叠、常量传播、复制传播时，需要把“旧值的所有使用点”替换为“新值”；有 use-def 后可以精准定位使用点。

3. 降低优化遍实现复杂度
   没有 use-def 时，很多优化都要反复做全局查找；有 use-def 后可把复杂度和代码量都压下来。

4. 便于后续扩展更多优化
   例如代数化简、CSE、部分冗余消除等，都依赖稳定的 def-use/use-def 信息。

这会明显降低 DCE、常量传播等优化的实现复杂度，也更利于后续扩展。

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3. 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）。

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4. 当前代码框架（与 Lab5 相关）

1. IR 核心

   • src/ir/IR.h
   • src/ir/Instruction.cpp
   • src/ir/BasicBlock.cpp
   • src/ir/Function.cpp
   • src/ir/Module.cpp
   • src/ir/IRPrinter.cpp

2. 分析与优化

   • src/ir/analysis/DominatorTree.cpp
   • src/ir/analysis/LoopInfo.cpp
   • src/ir/passes/ConstFold.cpp
   • src/ir/passes/DCE.cpp
   • src/ir/passes/CFGSimplify.cpp
   • src/ir/passes/PassManager.cpp

3. 入口

   • src/main.cpp

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5. 需要修改的文件

1. 核心优化实现

   • src/ir/passes/ConstFold.cpp
   • src/ir/passes/DCE.cpp
   • src/ir/passes/CFGSimplify.cpp
   • src/ir/passes/PassManager.cpp

2. 视实现需要可能修改

   • src/ir/IR.h、src/ir/Instruction.cpp（补充副作用/可删除性信息）
   • src/ir/IRPrinter.cpp（调试输出增强）
   • src/ir/analysis/DominatorTree.cpp、src/ir/analysis/LoopInfo.cpp（辅助分析）
   • src/ir/Value.cpp（若补充 use-def 关系）

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6. 算法说明

6.1 Dead（无用代码删除）

可以采用“标记 + 清扫”思路：

1. 从关键操作出发标记“有用”指令
2. 沿数据依赖和必要控制依赖扩展标记
3. 删除未标记指令

本实验不限定具体思路，实现可自由设计。

6.2 Clean

在 DCE 后对 CFG 做结构化清理，常见包括：

1. 冗余分支改写
2. 空块删除/绕过
3. 线性可合并块合并
4. 不可达块删除

6.3 优化顺序建议

可采用迭代顺序：

1. ConstFold
2. DCE
3. CFGSimplify ... 必要时重复多轮，直到 IR 不再变化。

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7. 构建与验证

cmake -S . -B build -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release
cmake --build build -j "$(nproc)"

7.1 观察 IR

./build/bin/compiler --emit-ir test/test_case/simple_add.sy

7.2 语义回归

./scripts/verify_ir_with_llvm.sh test/test_case/simple_add.sy out/ir --run
./scripts/verify_asm_with_qemu.sh test/test_case/simple_add.sy out/asm --run

目标：优化后程序行为与优化前保持一致。

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