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Sobakasu

ADR-0009: 基礎 unary / binary operator と explicit short-circuit IR の採用

Status

Section titled “Status”

Accepted (partially superseded by ADR-0016 and ADR-0020)

ADR-0016 supersedes only the exclusion of user-defined operator overloading from this ADR. The precedence, associativity, Binder-owned resolution, short-circuit semantics of && and ||, compound-assignment lowering, and emission-only backend responsibilities defined here remain accepted. ADR-0020 supersedes only the restriction of compound-assignment targets to mutable local variables: built-in array elements are also assignable places.

Context

Section titled “Context”

Sobakasu v1 では literal、local variable、extern call、use による compile-time 名前解決までは整備が進んでいるが、source syntax としての基礎演算子体系は未整備だった。

Udon-first の言語であっても、算術・比較・論理・bitwise・assignment family を source syntax として持たない場合、日常的な式がすべて関数呼び出しへ崩れ、可読性と記述性が大きく落ちる。

一方で、演算子を backend 特例として最後に extern へ落とす設計や、&& / || を通常の eager extern call と同一視する設計は、ADR-0003 の frontend / IR / backend 分離と衝突する。

また、将来 if expression や制御構文を追加するためには、precedence と short-circuit semantics を AST / Binder / IR 上で明示的に扱う土台が必要である。

Decision

Section titled “Decision”

Sobakasu v1 では、source syntax として基礎的な unary / binary operator を採用する。

対象に含めるのは以下とする。

  • 算術: binary +, -, *, /, % と unary prefix +, -
  • 比較: ==, !=, <, <=, >, >=
  • 論理: unary prefix ! と binary &&, ||
  • bitwise: unary prefix ~ と binary &, |, ^, <<, >>
  • 代入: =, +=, -=, *=, /=, %=, &=, |=, ^=, <<=, >>=

v1 の precedence は以下を採用する。

  1. postfix: member access, call
  2. unary prefix: +, -, !, ~
  3. multiplicative: *, /, %
  4. additive: +, -
  5. shift: <<, >>
  6. relational: <, <=, >, >=
  7. equality: ==, !=
  8. bitwise and: &
  9. bitwise xor: ^
  10. bitwise or: |
  11. logical and: &&
  12. logical or: ||
  13. assignment: =, +=, -=, *=, /=, %=, &=, |=, ^=, <<=, >>=

結合規則は以下とする。

  • postfix は最も強く結合する
  • unary prefix は右結合として扱う
  • 通常の binary operator は左結合とする
  • assignment family は右結合とする
  • 括弧は常に precedence に優先する

- は負数 literal の一部ではなく unary / binary operator として扱う。 したがって -1 は integer literal 1 に unary - がかかった式として構文解析する。

意味解決は Binder で確定する。 Binder は operand type と選択済み extern signature を確定し、backend はその解決済み情報の emission に専念する。 演算子を backend の ad-hoc 特例として処理しない。

v1 の型規則は保守的にする。

  • exact match を最優先する
  • 算術と比較は同一 numeric primitive に限定する
  • equality は primitive の exact match に限定する
  • shift は integer lhs と i32 rhs に限定する
  • ! は bool 専用とする
  • ~ は整数型専用とする
  • string + string は禁止する
  • bool に対する eager bitwise &, |, ^ は許可する
  • signed / unsigned 混在や integer / float 混在は暗黙に通さない

&& / || は bool 専用 short-circuit operator として扱い、通常の eager extern call と同一視しない。 Binder で short-circuit operator として確定し、Lowerer / IR で CFG を使って表現する。 backend は label / branch / resolved extern call を emission するだけにする。

compound assignment は v1 では保守的に扱う。

  • x += y は Binder で x = x + y 相当へ落とす
  • lhs は mutable local variable に限定する
  • 一般化された property / indexer / 任意 lvalue 最適化は行わない
  • 条件を満たさない lhs には明示的診断を出す

実装上、Sobakasu は explicit IR を持つ。 Lowerer は bound tree を block / instruction / terminator を持つ IR へ変換し、backend は IR から UASM を組み立てる。 slot allocation、temporary allocation、constant slot / heap patch 作成は backend 側で扱う。

今回の対象外は以下とする。

  • 三項演算子 ?:
  • if expression
  • ??, ??=
  • ++, --
  • string 連結の特例
  • user-defined operator overloading (superseded by ADR-0016)
  • checked / unchecked
  • pattern matching 系演算子
  • 浮動小数点や整数の高度な暗黙変換
  • compound assignment の高度な lvalue 最適化
  • property / indexer / extension method 専用の特殊処理

Alternatives

Section titled “Alternatives”

  1. source syntax として演算子を導入せず、すべて関数呼び出しだけに寄せる v1 の実装面積は減るが、日常的な式が不自然になり、今後の制御構文や expression 設計とも噛み合わない。

  2. precedence を持たず左から順に解釈する parser は単純になるが、1 + 2 * 3 や a && b || c のような基本式で期待から外れ、source language としての一貫性が低い。

  3. backend で最後に operator を extern へ変換する frontend / backend 分離が崩れ、意味解決とエラー検出が遅延し、演算子だけが backend 特例になる。

  4. && / || も eager な通常二項演算として扱う 実装は楽になるが、short-circuit semantics を失い、将来の条件式や制御構文の基盤として不適切になる。

  5. compound assignment を最初からすべての lvalue に一般化する property / indexer / 複雑な lhs の評価回数問題まで抱え込み、v1 の範囲としては過剰になる。

Rationale

Section titled “Rationale”

Udon-first であっても、source syntax として基礎演算子を持つ価値は高い。 利用者が毎回 function style へ書き下すよりも、source 上では通常の式として書けた方が可読性と記述性が高い。

同時に、演算子の意味解決を Binder で確定し、backend を解決済み情報の emission に限定することで、ADR-0003 の frontend / backend 分離と整合する。 演算子だけ backend 特例にしないことで、設計の一貫性を保てる。

&& / || は extern call と同一視できない。 short-circuit semantics を AST / Binder / IR で明示的に扱うことで、評価順序と CFG が設計上可視化され、後段の backend は branch emission に専念できる。

explicit IR を導入して short-circuit を CFG で表現することは、今後の if expression や制御構文追加の土台にもなる。 今回 if expression 自体は見送るが、その前提となる branch-aware な lowering まではここで整備する。

compound assignment は便利だが、最初から任意 lvalue に一般化すると評価回数や副作用順序の問題を抱える。 v1 では mutable local variable に限定し、Binder で安全に desugar する方が現実的である。

Consequences

Section titled “Consequences”

Positive

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  • Sobakasu v1 で基礎的な算術・比較・論理・bitwise・assignment family を自然な source syntax で書ける
  • precedence と associativity が明示され、call / member access を含む式が安定して解釈できる
  • && / || を short-circuit として明示的に lowering できる
  • Binder で演算子意味解決が確定し、backend の責務が emission に限定される
  • explicit IR により、将来の制御構文追加へ拡張しやすくなる

Negative

Section titled “Negative”
  • parser、Binder、IR、backend のすべてに変更が入り、v1 としては比較的大きな実装になる
  • v1 は exact match 中心なので、C# より保守的で通らない式がある
  • compound assignment は mutable local variable に限定され、一般 lvalue にはまだ対応しない
  • ?: と if expression は引き続き未導入であり、条件式の表現力は段階的拡張になる