NEPLg2.1 コンパイラ実装設計

最終更新: 2026-03-16

1. 目的

  • GC なしで、コンパイラ管理のみでメモリ安全性を確保する。
  • heap / 線形メモリ操作を Pure として扱うための実装条件を定義する（内部効果 InternalAlloc として扱い、surface では Pure に畳み込む）。
  • safe user code からは raw pointer を隠蔽し、安全 API のみを公開する。

2. 公開型と内部型

2.1 safe user code からは見せない型（compiler / runtime 境界型）

  • MemPtr .T: 型付きメモリ参照。compiler / runtime 境界に閉じ込める。生アドレス整数は隠蔽する。
  • RegionToken: 領域の所有権を表す線形トークン。dealloc で消費される。

2.2 safe 側に公開する抽象型

str, ByteBuf, Slice .T, OwnedBuf .T, List .T, Vec .T, File, Socket

2.3 不変条件

  • MemPtr .T は有効な RegionToken と対応していること。
  • 解放済み RegionToken からのアクセスは不可能。
  • offset + sizeof(U) <= size を満たす場合のみ load/store<U> を許可。
  • 二重解放・解放後アクセスは検出して拒否する。

3. 内部効果分類

メモリ操作（alloc/realloc/dealloc/load/store）は compiler 内部では InternalAlloc 効果を持つ。InternalAlloc は surface では Pure に畳み込まれる（raw address が外部に漏れないことが前提）。

内部効果surface への畳み込み
Pure→ Pure
InternalAlloc→ Pure
ExternalIO→ Impure
Nondet→ Impure
Unsafe→ Impure

4. コンパイラが行う検査

4.1 型検査

  • load/store などを MemPtr .T 受け取りに統一する。
  • 生 i32 ポインタ受け取りを公開 API から禁止する。
  • fallible 操作を Result/Option で型に反映する。

4.2 move / borrow 検査

  • RegionToken は非 Copy。
  • dealloc(token) 後の token 再利用を禁止する。
  • MemPtr .T の借用中は可変性制約を適用する。
  • 分岐 / ループ合流で MaybeMoved を保守的に維持する。

4.3 境界 / 生存検査

  • load/store の境界検査を挿入する。
  • 解放後アクセスを Result::Err 経路へ分岐させる。
  • 定数証明可能な安全アクセスは最適化で検査削除可能。

4.4 trait 制約検査

  • Copy 実装可否を構造的に検査し、リソース所有型の Copy 実装を禁止する。
  • Clone 実装は move 規則と矛盾しない複製規約を満たすことを要求する。
  • 将来導入するメモリ系 capability trait（MemReadable .T, MemWritable .T, RegionOwned）の境界を満たさない呼び出しは型エラーにする。ただし実施は Phase 4（Resource IR 導入後）。それ以前はソフトウォーニングのみ。これらの trait は traits.md の将来拡張節で扱う。

5. Resource IR

typed HIR の後ろに Resource IR（資源 IR）を置く。CFG を持ち、以下を明示する:

move x -> y
borrow_shared x -> b
borrow_unique x -> b
region_new ρ
region_alloc ρ, n
region_end ρ
drop x
io_open path
io_write h, data
io_close h

この IR 上で次を診断する:

診断内容
5001use-after-move
5002raw address escape from safe boundary
5003double free
5004use after free
5005linear value not consumed
5006linear value may not be consumed on all paths
5007borrow conflict: mutate while borrowed
5008borrow conflict: access while uniquely borrowed

6. 解析パス順

  1. surface typecheck
  2. effect attribution
  3. Resource IR 生成
  4. ownership / borrow check
  5. region inference
  6. drop elaboration
  7. target lowering

7. Target Lowering

target方式
Wasmlinear memory ベース
LLVMnative pointer / native allocator ベース

共通化するのは「安全意味論」であって「レイアウト」ではない。

8. 仕様達成マイルストーン

以下は NEPLg2.1 仕様の達成目標をマイルストーン（M1–M6）で区切ったもの。言語バージョンの Phase 番号（Phase 0–8）とは区別する。また、doc/2.1impl/compiler_structure.md §7 に示す実装ステージ（Stage 1–6、nepl-core-2.1 の構築段階）とも別物である。

マイルストーン内容
M1MemPtr .T / RegionToken を compiler / runtime 境界に閉じ込める
M2builtins / effect 判定を InternalAlloc / ExternalIO 分類へ移行
M3move check を token 消費対応へ拡張
M4Resource IR を導入し、ownership / borrow / region / drop の解析パスを整備
M5stdlib（mem / std/streamio）を安全 API へ統一
M6tests に memory / effect 回帰を追加

実装詳細: 具体的なファイル構成・パイプライン設計・移行戦略は doc/2.1impl/compiler_structure.md を参照。

9. API 設計指針

9.1 core/mem

  • _raw 公開関数は廃止。
  • _safe 接尾辞は廃止し、安全版を標準名へ統一。
  • 失敗を Result _ Diag または Option _ で返す。

9.2 std/streamio

  • Scanner / Writer に所有権と領域情報を保持させる。
  • ハンドル i32 を外部 API へ露出しない。
  • I/O 実行部のみ Impure として扱う。

9.3 trait ベース API

  • core/mem の読み書き API は将来導入する capability trait で能力を表現する。
  • stream I/O は RegionOwned のような capability を満たす型のみが解放操作を実行できるようにする。

10. テスト要件

  • tests/move_effect.n.md: pure から I/O 呼び出しが拒否されること / pure からメモリ操作が許可されること
  • tests/memory_safety.n.md: OOB / UAF / double free の検出
  • tests/overload.n.md: type annotation と overload が move / effect と両立すること
  • compile_fail テストでは diag_id で固定検証する
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