前言

本文综合三篇前作—— native x86-64 汇编语言设计 （完整的语法设计）、 x86 汇编的 opaque 指针与 offset-of 寻址 （opaque 指针的修订）与 本次设计讨论——并以 [meta-lisp.ts] 中的现有实现为准，重新整理出一份清晰的设计文档。

与前几篇日志相比，实现已经走得更远，本次更新如实反映：

• 去掉了 claim——define-data 不再标注类型，类型由值自身「自描述」推断。
• 指针 opaque 已落地——pointer-t 无 pointee 类型，(pointer (struct ...)) 的目标 struct 必须具名。
• offset-of 收编为寻址位移——只出现在 reg-deref 的位移处，不是独立算子。
• Exp 语法统一使用裸关键词——(struct) / (pointer) / (array) 作为数据构造器；AddressExp 直接由裸符号表达（foo 即取 foo 的地址）。
• exp-t 与 value-t 分离——实现中求值前的表达式与求值后的值是两个 ADT，文档如实反映。
• data-operand 桥接 exp 与 operand——函数体中可以直接写字面量（如 "hello"、42、(pointer ...)），由预编码阶段解析为具体 operand。
• (array-t <T> <N>) 定长数组类型——literal 写作 (array <elem> ...)。
• define-struct 字段类型用 hash-t——字段声明不是 exp-t，而是直接的类型映射。

贯穿全文的原则来自 LLVM 的 Opaque Pointers：

值只携带它内在的属性；「如何解释」的语义放到操作上。

• 地址的内在属性 = 它是个 8 字节地址，指向什么类型无真实语义 → 指针 opaque。
• struct 的「形状/布局」是内存访问真正需要的 → 保留为偏移计算的依据。
• 类型不附着在指针值上，而是落在「声明」（define-struct）与「操作」（offset-of）上。

下文用 meta-lisp 的 ADT（define-enum / define-struct）描述关键数据类型的抽象语法。

类型

类型是一个 tagged union——可以是具名类型或定长数组类型：

(define-enum type-t
  (named-type (name symbol-t))
  (array-type (element type-t) (length int-t)))

• 原始类型由内建注册，每个名字对应一个固定字节大小：

  类型	大小
  pointer-t	8 bytes
  string-t	8 bytes
  int8-t	1 byte
  int16-t	2 bytes
  int32-t	4 bytes
  int64-t	8 bytes
  uint8-t	1 byte
  uint16-t	2 bytes
  uint32-t	4 bytes
  uint64-t	8 bytes

• pointer-t 是 opaque 指针——无 pointee 类型，纯 8 字节地址。

• string-t 语义上等于 pointer-t（C 意义的 const char *），是 8 字节指针。

• (array-t <T> <N>) 是定长数组——N 个连续 <T> 元素，总大小 = sizeof(T) * N。写作 (array-t uint8-t 256)。

• struct 类型由 define-struct 引入（见「顶层定义」）。

• 一个类型的字节大小这样计算：原始类型查注册表；struct 类型按字段顺序递归累加每个字段的大小；array 类型 = sizeof(element) * length（__attribute__((packed)) 布局，无 padding）。

表达式

表达式（exp-t）是求值前的 AST——用户在源码中书写的形式，带有位置信息：

(define-struct struct-field-t
  (name symbol-t)
  (exp exp-t))

(define-enum exp-t
  (address-exp (name symbol-t))
  (int-exp (value int-t))
  (string-exp (content string-t))
  (struct-exp (name (maybe-t symbol-t)) (fields (list-t struct-field-t)))
  (pointer-exp (target exp-t))
  (array-exp (elements (list-t exp-t))))

• address-exp：符号引用——裸符号 foo 即取 foo 的地址。求值时先查 env，再查 mod 定义：是数据/代码/空间定义则返回 address-value；是类型定义则返回 type-value。在汇编语言中，标签本身就是地址。
• int-exp：整数字面量，如 42、-1。
• string-exp：字符串字面量，如 "hello"。
• struct-exp：struct 字面量，写作 (struct <name> (<field> <exp>) ...)。name 可省略（当上下文已知类型时）。
• pointer-exp：写作 (pointer <exp>)——编译期创建匿名 data slot 存放 <exp>，求值为指向它的指针。
• array-exp：写作 (array <exp> ...)——数组字面量。

文本语法：

;; 符号 — 裸符号即取该符号的地址
origin

;; 整数字面量
42

;; 字符串字面量
"hello"

;; struct 字面量（必须带类型名）
(struct point-t
  (x 0)
  (y 0))

;; 省略类型名（当字段类型已知）
(struct (x 0) (y 0))

;; pointer 表达式——匿名 slot + 指针
(pointer (struct node-t (value 1) (next 0)))

;; array 字面量
(array 1 2 3 4 5)

数据值

数据值（value-t）是表达式求值后的结果——布局阶段使用，不带源码位置：

(define-enum value-t
  (int-value (value int-t))
  (string-value (content string-t))
  (address-value (name symbol-t))
  (struct-value (name (maybe-t symbol-t)) (fields (hash-t symbol-t value-t)))
  (pointer-value (target value-t))
  (type-value (type type-t))
  (array-value (elements (list-t value-t))))

• int-value：整数值。
• string-value：字符串值。
• address-value：符号地址值。
• struct-value：struct 值。字段是 hash-t（有序插入），与 exp-t 中 struct-field-t 的列表顺序一一对应。
• pointer-value：包裹另一个 value，在布局时创建匿名 slot。
• type-value：类型定义求值的结果。address-exp("int64-t") → type-value(named-type "int64-t")。
• array-value：数组字面量求值的结果。

求值过程是结构递归的：

evaluate(mod, env, exp-t) → value-t

int-exp      → int-value
string-exp   → string-value
struct-exp   → struct-value (递归求值每个 field.exp)
pointer-exp  → pointer-value (递归求值 target)
array-exp    → array-value (递归求值每个 element)
address-exp  → env 或 mod 中查找 → type-value 或 address-value

自描述与 opaque 的强制：因为没有 claim，define-data 的类型完全由值自身推断：

• (struct <name> ...) → 该 struct 类型；struct 字面量必须带类型名。
• (pointer ...) / 裸符号 → pointer-t。
• 字符串 → string-t。
• 裸整数 / 裸 array → 错误（不自描述，必须包在 struct 中）。

由于指针 opaque，(pointer (struct ...)) 的目标 struct 必须具名——目标的类型只能由字面量自带的类型名提供。

文本语法：

;; 字符串常量
(define-data greeting "hello")

;; struct 常量（必须带类型名）
(define-data origin
  (struct point-t
    (x 0)
    (y 0)))

;; 指针常量：匿名 slot + 指针
(define-data head
  (pointer
    (struct node-t
      (value 1)
      (next 0))))

;; 地址常量：存 origin 的指针
(define-data ptr origin)

位移

reg-deref 的位移（displacement）是一个编译期常量，有两种形态：

(define-enum displacement-t
  (int-displacement (value int-t))
  (offset-of-displacement (struct-type symbol-t) (fields (list-t symbol-t))))

• int-displacement：直接给出字节数，如 -8、8。
• offset-of-displacement：写作 (offset-of <struct-type> <field> ...)， 沿 struct-type 的字段路径逐级累加偏移，求值为字节数。

offset-of 把「struct 类型 + 字段名 → 偏移」分离成独立的编译期计算，正是 GEP 的精神： 类型是偏移操作的参数，地址是 opaque 的 base。汇编器有一个 pass 在编码前把所有 offset-of-displacement 求值替换为 int-displacement。

offset-of 不穿指针——它只在单个 struct 内逐字段累加；一旦字段是 pointer-t，路径即终止。 跨指针的字段访问要靠「offset-of + deref + offset-of」链式组合（见「示例」）。

操作数

(define-enum operand-t
  (reg-operand (name symbol-t))
  (imm-operand (value int-t))
  (label-operand (name symbol-t))
  (address-operand (name symbol-t))
  (deref-operand (address address-operand))
  (reg-deref-operand
    (base symbol-t)
    (index (maybe-t symbol-t))
    (scale (maybe-t int-t))
    (disp (maybe-t displacement-t)))
  (cc-operand (code symbol-t))
  (var-operand (name symbol-t))
  (external-label-operand (name symbol-t))
  (data-operand (exp exp-t)))

• reg-operand：物理寄存器，写作 (reg rax)、(reg r15) 等。

• imm-operand：立即数，写作 (imm 42)。

• label-operand：代码标号的引用，按机器语义专用于 rel32 域——用于 jmp / call / j 的跳转目标，写作 (label <name>)。标号只由 block 定义；(label ...) 不能作为指令。

• address-operand：符号地址作为 64-bit 立即数（movabs + 重定位），写作 (address <name>)。不带字段路径——字段偏移一律交给 offset-of。

• deref-operand：写作 (deref (address <name>))，读取该符号地址处的内容，编码为 [rip + disp32]。内部包裹一个 address-operand。

• reg-deref-operand：寄存器相对寻址，支持完整 SIB。base / index 存寄存器名，disp 是上一节的位移：

  • (reg-deref (reg rbp)) → [rbp]
  • (reg-deref (reg rbp) -8) → [rbp - 8]
  • (reg-deref (reg rbp) (offset-of point-t y)) → [rbp + offset]
  • (reg-deref (reg rbp) (reg rax) 8) → [rbp + rax*8]
  • (reg-deref (reg rbp) (reg rax) 8 -16) → [rbp + rax*8 - 16]

• cc-operand：条件码，写作 (cc e) / (cc ne) / (cc l) / (cc le) / (cc g) / (cc ge) / (cc b) / (cc be) / (cc a) / (cc ae)，仅用于 j。

• var-operand：寄存器分配前的虚拟变量，写作 (var <name>)。带 var 的汇编语言是中间表示；寄存器分配 pass 会把它替换为 reg 或 reg-deref。

• external-label-operand：外部符号引用（如 libc 函数、syscall 入口），写作 (external-label <name>)，由外部重定位解析。

• data-operand：包装一个 exp-t，允许在函数体操作数位置直接写数据表达式。没有显式语法——当操作数解析不匹配任何已知形式时，fallback 到 parseExp 并包装为 data-operand。

  预编码阶段（ResolveDataOperands pass）将 data-operand 解析为具体 operand：

  exp.kind	求值结果	解析为	编码
  int-exp	int-value	imm-operand	立即数
  string-exp	string-value	匿名 data slot + deref-operand	[rip + disp32]
  pointer-exp	pointer-value	匿名 data slot + deref-operand	[rip + disp32]
  address-exp	address-value	address-operand	movabs
  var-exp	查到定义	address-operand	movabs
  struct-exp / array-exp	—	报错（bare struct/array 不支持）	—

  当前 只在 .exe 格式下支持（flat 格式没有独立 data section，无法放置匿名数据）。

同一符号在两个域的对比（如函数 factorial）：

(call (label factorial))               ;; 控制流，rel32
(mov (reg rax) (address factorial))    ;; 取其地址作立即数，movabs
(mov (reg rax) (deref (address k)))    ;; 读 k 处内容，[rip + disp32]

;; data-operand 的 fallback 语法：
(mov (reg rax) "hello")                ;; 匿名字符串，等价于 deref
(mov (reg rax) 42)                     ;; 等价于 (imm 42)
(mov (reg rax) (pointer (struct point-t (x 0) (y 0))))  ;; 匿名 struct + deref

实现注记：reg-deref 的 base / index 在实现里是寄存器名字符串，文本语法仍写 (reg ...)。

指令

所有指令统一为「操作码 + 操作数」，按 NASM 方向（dest, src）：

(define-struct instr-t
  (op symbol-t)
  (operands (list-t operand-t)))

按 op 区分操作：

类别	op	说明
数据移动	mov	(mov dest src)
算术	add sub imul cmp test	(add dest src) 等
栈	push pop	(push (reg rbp))
控制流	call ret jmp j	j 的操作数为 [cc, label]
位运算	and or xor shl shr	(xor (reg rax) (reg rax))
地址计算	lea	(lea dest (reg-deref ...))
系统	syscall	无操作数

• call 既可直接调用 (call (label helper))，也可间接调用 (call (reg-deref (reg rax)))。
• j 是 x86 的单目标条件跳转：条件成立跳到目标，不成立则 fall-through——因此它不是完整的 terminator，不必配一个 jmp 伪装成双目标分支。
• (label ...) 不能作为指令——要新增跳转目标，就新建一个 block。

基本块

(define-struct block-t
  (name symbol-t)
  (instrs (list-t instr-t)))

• name：block 名称，即一个本地标号（跳转目标）。
• 一个函数的第一个 block 是 entry block。
• block 之间忠实 x86 地 fall-through：一个 block 执行到末尾若没有 ret / jmp，控制流顺序流入紧邻的下一个 block。

顶层定义

(define-enum definition-t
  (code-definition (name symbol-t) (blocks (list-t block-t)))
  (data-definition (name symbol-t) (value exp-t))
  (metadata-definition (target symbol-t) (value exp-t))
  (struct-definition (name symbol-t) (fields (hash-t symbol-t type-t)))
  (space-definition (name symbol-t) (size int-t)))

• code-definition：定义一个可执行函数，写作 (define-code <name> (block ...) ...)。
• data-definition：定义一个具名数据块，写作 (define-data <name> <value>)；类型由 <value> 自描述推断（无 claim）。<value> 是一个 exp-t。
• metadata-definition：为 target 这个 label 的 -8 slot 填充元数据，写作 (define-metadata <name> <value>)。<value> 典型为 (pointer (struct <name> ...))——汇编器创建匿名 struct slot，并在 -8 处填入指向它的指针。元数据 struct 同样必须具名。
• struct-definition：声明结构体类型与字段布局，写作 (define-struct <name>-t (<field> <type>) ...)。字段是有序的——(hash-t symbol-t type-t) 依赖 JS Record 的插入序表达布局顺序，决定各字段偏移与总大小。类型名必须以 -t 结尾。
• space-definition：分配未初始化内存（BSS 语义），写作 (define-space <name> <size>)。

实现注记：

• 实现把顶层语句（解析层）与定义（模块登记层）分成两层，一个 submit pass 把前者转为后者； 其中 define-metadata 的 name 在模块里以 target 索引。
• 原始类型在实现里也是一种定义（内建注册，名字 + 大小），不属于用户可写的语法，这里不展开。

模块

模块（mod）是所有定义的容器，加上元数据表与匿名数据表：

(define-struct mod-t
  (definitions (hash-t symbol-t definition-t))
  (metadata-definitions (hash-t symbol-t metadata-definition))
  (anonymous-data (list-t data-definition)))

• definitions：所有 define-code / define-data / define-struct / define-space 的定义。
• metadata-definitions：按 target 索引的元数据表（define-metadata）。
• anonymous-data：data-operand 解析时产生的匿名 data-definition（含生成的名字如 ©data.0）。

过程

汇编管道：

源码
  → parseStmt     → Stmt[]              （解析层）
  → SubmitPass    → Mod                 （提交层）
  → CheckPass     → 对 Mod 中所有 data-definition / metadata-definition 做类型检查
  → ResolveDisplacements  → offset-of → int-displacement
  → ResolveDataOperands   → data-operand → imm / address / deref (+ 注册匿名 data)
  → assembleExe   → collectCodeLayout → emitCodeSection → emitDataSection → bytes

• SubmitPass：把 Stmt 转换为 Definition 并注册到 Mod。
• CheckPass：遍历所有数据定义，用 inferDataType 推断类型，然后用 check 验证 exp 与类型匹配。
• ResolveDisplacements：把所有 offset-of-displacement 替换为 int-displacement。
• ResolveDataOperands：遍历所有指令，把 data-operand 求值并替换为具体 operand。仅 .exe 模式运行（flat 模式遇到 data-operand 报错）。
• assembleExe：代码布局 + 数据布局 + 重定位 → 最终二进制。

约定

-8 slot 与元数据

每个有 define-metadata 的 label 自动在前面对齐到 8 字节并保留一个 -8 slot： label - 8 处存放一个 8 字节指针，指向与该 label 关联的元数据 struct 实例。

                    ┌──────────────────┐
                    │ metadata ptr     │  ← label_addr - 8
label_addr →        ├──────────────────┤
                    │ push rbp         │
                    │ ...              │
                    └──────────────────┘

运行时 O(1) 访问：

function_metadata_t* meta = *(function_metadata_t**)((char*)func_ptr - 8);
uint16_t arity = meta->arity;

序列化与重定位

• 所有 struct 按 __attribute__((packed)) 布局——字段间无 padding，每个字段按其类型大小写入（小端）。
• 指针 / 字符串字段先写占位地址，再登记重定位项。Loader mmap 后回填。
• 重定位分四类：
  • rel32 标号：jmp / call / j 的相对位移。
  • 内部指针：data 内部 (pointer ...) 的占位 → 匿名 slot 偏移。
  • 数据地址：AddressExp（裸符号） → 目标 label 地址。
  • 外部符号：(external-label ...) → 外部地址。

示例

条件分支

10 > 3，走 is-greater 分支返回 1（取自 conditional.x86.asm）：

(define-code test-conditional
  (block entry
    (mov (reg rax) (imm 10))
    (mov (reg rcx) (imm 3))
    (cmp (reg rax) (reg rcx))
    (j (cc g) (label is-greater))
    (mov (reg rax) (imm 0))
    (ret))
  (block is-greater
    (mov (reg rax) (imm 1))
    (ret)))

j (cc g) 成立则跳到 is-greater，不成立则 fall-through 到 (mov (reg rax) (imm 0))。

跨指针链与 offset-of

chain 是 node-a → node-b → node-c 的指针链，读出末端 value = 77 （取自 pointer-chain.x86.asm）：

(define-struct node-c-t
  (value int64-t))

(define-struct node-b-t
  (next pointer-t)
  (value int64-t))

(define-struct node-a-t
  (next pointer-t)
  (value int64-t))

(define-data chain
  (struct node-a-t
    (next (pointer
            (struct node-b-t
              (next (pointer
                      (struct node-c-t
                        (value 77))))
              (value 0))))
    (value 0)))

(define-code read-chain
  (block entry
    (mov (reg rax) (address chain))
    (mov (reg rax) (reg-deref (reg rax) (offset-of node-a-t next)))
    (mov (reg rax) (reg-deref (reg rax)))
    (mov (reg rax) (reg-deref (reg rax)))
    (ret)))

每个 offset-of 只在单一 struct 内计算偏移；跨指针靠「offset-of 取出指针 → deref 解引用 → 再 offset-of」链式组合，没有任何手算的魔法数字。

元数据与 -8 slot

元数据 struct 有 arity（int64）+ name（string-t），函数经 -8 slot 读出名字首字节 't' = 116 （取自 meta-with-pointer.x86.asm）：

(define-struct func-meta-t
  (arity int64-t)
  (name string-t))

(define-metadata my-func
  (pointer
    (struct func-meta-t
      (arity 3)
      (name "triple"))))

(define-code my-func
  (block entry
    (mov (reg rax) (address my-func))
    (mov (reg rax) (reg-deref (reg rax) -8))    ;; 读 -8 slot → 元数据指针
    (mov (reg rax) (reg-deref (reg rax) 8))     ;; meta.name（string-t 指针字段）
    (mov (reg rax) (reg-deref (reg rax)))       ;; 解引用字符串首字节
    (and (reg rax) (imm 255))
    (ret)))

data-operand：函数体中的字面量

(define-code string-in-body
  (block entry
    ;; data-operand fallback：字符串 → 匿名字符串 + deref
    (mov (reg rax) "hello")
    ;; data-operand fallback：整数 → imm
    (mov (reg rcx) 42)
    (ret)))

等价于：

(define-data %anon-data-0 "hello")
(define-code string-in-body
  (block entry
    (mov (reg rax) (deref (address %anon-data-0)))
    (mov (reg rcx) (imm 42))
    (ret)))

留待后续

• 寄存器分配：var 的替换 pass——把虚拟变量分配到 reg 或栈槽（reg-deref）。
• GC 元数据：safepoint、liveness 等在元数据 struct 中的编码。
• string-t 的形态：opaque 世界里它等于 pointer-t + 字符串字面量便利；保留为糖，还是拆成 (pointer "...")。
• 原始类型符号性：按「整数符号性」类比，布局层只需大小，int8-t 与 uint8-t 的区分可考虑简化。
• size-of：与 offset-of 对称的编译期大小算子，目前尚未引入。
• label + offset 一步 rip-relative 寻址的 peephole：将 (mov r (address X)) 紧邻 (reg-deref r (offset-of …)) 合成一条 [rip + (X + const)]。
• data-operand 的 flat 模式支持：当前仅在 .exe 格式下支持，flat 格式需要不同策略（代码段后追加匿名数据）。
• (array ...) 的完整实现：当前类型系统已支持，layout emit 未实现。