边界与验收：第八章真正承诺什么

第八章不是只让三个新示例“碰巧算出 42”。它必须在第七章的完整语言上增加共享可变位置，并让 parser、自由变量分析、解释器、结构化 IR 和汇编生成器继续描述同一种语言。

这一页把承诺写成可执行的验收清单。修改实现以后，可以按顺序检查，而不必依靠肉眼猜测某一层是否仍然一致。

表面语言

本章新增两个特殊形式：

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(set! name expr)
(begin first second)

应满足以下语义：

• set! 只修改已经存在的最近词法绑定，不创建新变量。
• set! 的目标只能是普通 identifier，不能是 (get r 0) 等一般表达式。
• 先确认目标绑定存在，再求值 RHS；RHS 成功后才写入。
• set! 返回写入的新 Value。
• begin 先完整求值第一项并丢弃其结果，再求值第二项。
• begin 返回第二项的 Value。
• 一个 begin 固定接收两个表达式；更长序列通过嵌套表达。
• 普通 identifier 规则仍是 letter+。set! 只在列表 head 位置作为固定特殊形式识别。

最小验收：

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cd code/08_state
make
./mini run examples/set.lang
./mini run examples/set_result.lang
./mini run examples/begin_order.lang

三条命令都应输出：

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42

名字、位置和值

本章的核心不变量是：

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Environment：name -> Location
Store：       Location -> Value

它带来这些可观察行为：

• 每次 let 都创建新 Location；同名内层绑定不会修改外层 Location。
• 每次函数调用都为参数创建新 Location。
• closure 保存自由变量的 Location，不保存创建时读出的 Value。
• 多个 closure 可以保存同一个 Location，并互相看到对方的写入。
• 从函数返回的 closure 仍能访问定义时的 Location。
• 两次调用工厂函数会创建两组独立 Location，不会意外共享状态。
• letrec 的函数体和外层 body 共享递归名字的 self Location。
• 对 letrec 名字执行 set! 后，旧 closure 中通过递归名字进行的调用也会读到新 Value。

对应示例：

可以直接运行：

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./mini run examples/set_shadow.lang
./mini run examples/parameter_set.lang
./mini run examples/captured_read_after_set.lang
./mini run examples/write_only_capture.lang
./mini run examples/two_closures_share.lang
./mini run examples/returned_counter.lang
./mini run examples/independent_counters.lang
./mini run examples/recursive_binding_set.lang
./mini run examples/self_param_shadow.lang

AST、parser 与自由变量分析

实现必须满足：

• ExprKind 显式包含 set 和 begin。
• SetExpr 保存目标名字与 RHS 子树。
• BeginExpr 保存有序的两个子树。
• parser 对缺少参数、多余参数和非 identifier 的赋值目标给出诊断。
• set! 的 target 是一次变量使用；若它没有在当前分析边界内绑定，就必须进入自由变量列表。
• 分析 set! 时还要继续遍历 RHS。
• 分析 begin 时按 first、second 顺序遍历两棵子树。
• 所有 AST 消费者继续使用显式 kind + switch，并完整覆盖 record 等既有节点。
• 自由变量仍然去重并保留首次出现顺序。

检查 AST：

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./mini ast examples/set.lang

应输出：

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Let(x, Int(1), Begin(Set(x, Int(41)), Add(Var(x), Int(1))))

再查看只写不读的捕获：

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./mini ir examples/write_only_capture.lang

输出中必须出现：

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f.0 = closure lambda0 [x0.cell]

若 capture 列表为空，说明自由变量分析漏掉了 set! target。

解释器

解释器要求：

• Location 是稳定句柄；标准快照使用 std::size_t。
• 一份显式 Store 保存所有运行时 Value。
• Environment 只保存名字到 Location 的对应关系。
• 普通变量读取经过 Store。
• let 在 initializer 成功后才分配 Location。
• set! 写回原 Location，并返回同一个新 Value。
• closure 只捕获 free_vars 选出的 Location。
• 调用 closure 时复用同一份 Store，并为参数分配新 Location。
• letrec 先分配 self Location，再创建 closure，最后把 closure 写回该 Location。
• 参数绑定最后加入调用环境，因此可以遮蔽同名 self；普通 lambda 中与参数同名的外层绑定不应进入 capture。
• 解释器与编译器采用相同的左到右求值和错误顺序。

使用 Location 索引而不是 shared_ptr<Value> 还有一个重要结果：closure 环境只保存索引，不拥有 Store。递归 closure 与 self cell 可以构成语言层面的对象环，却不会在 C++ 层形成 shared_ptr 强引用环。

结构化 IR

IR 必须建立在第七章的 Operand、OpKind、Op、IrFunction 和 IrProgram 上，而不是使用字符串列表。

新增操作的约定是：

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cell(dst, initial-value)
load(dst, cell)
store(cell, new-value)

完整要求：

• lowering Env 把源码名字映射到 cell Operand。
• let 生成 cell。
• 每次变量读取生成 load。
• set! 生成 store，并返回 RHS Operand。
• begin 只通过 op 顺序表达，不需要单独的 begin op。
• 每个 IrFunction 的第一条 op 把原始参数 Value 装入参数 cell。
• closure fields 保存 cell Operand，不提前 load。
• 普通 lambda 的 self_cell 为空。
• letrec 先生成 self cell；closure field 0 保存该 cell，普通自由变量从 field 1 开始。
• IrFunction::self_cell 对应 field 0，captures 与后续 fields 按位置一一对应。
• 函数 lowering 环境按 self、普通 captures、参数 cell 建立，让参数最后遮蔽同名绑定。
• call 的 op 顺序必须是 callee、closure_check、argument、call。
• branch 后必须立即是 then label；假值跳向 else，真值顺序进入 then。
• record、record?、size、get 和 closure 操作全部继续保留。
• 所有 IR 消费者用显式 OpKind + switch 覆盖全部操作。

查看关键 IR：

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./mini ir examples/set.lang
./mini ir examples/write_only_capture.lang
./mini ir examples/self_param_shadow.lang
./mini ir examples/short_branch.lang

汇编与对象协议

record、closure 和 cell 必须继续使用第六章建立的共同堆对象协议：

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pointer low tag = 4

header kind 1 = record
header kind 2 = closure
header kind 3 = cell

cell 的布局固定为：

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offset 0   header = (1 << 8) | 3 = 259
offset 8   current tagged Value
size       16 bytes

编译器要求：

• cell 通过 malloc(16) 分配，并写入 header 与初值。
• load 清除 cell Value 的 low tag 后读取 offset 8。
• store 清除 cell Value 的 low tag 后写入 offset 8。
• closure payload 中保存完整的 tagged cell Value。
• closure 的 offset 8 仍是 raw code pointer；capture 从 offset 16 开始。
• 调用前同时检查共同 heap tag 和 closure header kind。
• callee 检查在任何 argument 操作之前执行。
• %rdi 传完整 tagged closure Value，%rsi 传 tagged argument Value。
• 函数入口只在 scratch register 中清除 %rdi 的 tag，再读取 self cell 和普通 captures。
• 函数值仍不参与 eq?；解释器报错，生成代码进入状态 70 的错误出口。
• record? 对 closure 返回 0；size 和 get 收到 closure 时失败。
• record?、size 和 get 不会把内部 cell 误当成源语言 record。
• 汇编生成器只消费 IrProgram，不能绕过 IR 重新遍历 AST。
• 所有分配仍由 malloc 完成，本章不主动释放。

累积语言能力不能回退

第八章代码快照还必须保留前七章已经支持的能力：

• 整数、负整数、加法和 sub1。
• let、变量读取和词法遮蔽。
• eq?、truthy 规则和 if 的短路分支。
• 单参数 lambda、函数作为值、函数参数和函数返回值。
• letrec 直接递归以及捕获外层变量的递归 closure。
• 词法 closure、稳定顺序自由变量、嵌套 closure 和多捕获。
• 空 record、任意字段数的不可变 record。
• record?、size、非负字面量索引的安全 get。
• record 身份相等、record 保存 closure、closure 捕获 record。
• 非函数 callee、函数 eq?、错误 record 操作的既定诊断。

抽查：

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./mini run examples/negative_add.lang
./mini run examples/recursive_closure.lang
./mini run examples/nested_closure.lang
./mini run examples/empty_record_size.lang
./mini run examples/record_get_third.lang
./mini run examples/record_holds_closure.lang
./mini run examples/record_predicate_closure.lang

这些结果依次应为 42、15、42、0、30、42 和 0。

正常程序的编译验收

compile 只能写出 x86-64 System V ABI 的 AT&T 汇编，不能替用户调用 cc。

先生成汇编：

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./mini compile examples/counter.lang -o out.s

Linux、WSL 和 Intel Mac 手动链接：

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cc out.s -o out
./out
echo $?

Apple Silicon Mac 使用：

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cc -arch x86_64 out.s -o out
./out
echo $?

退出状态应是：

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42

至少还应对这些程序重复编译、链接和运行：

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set.lang
parameter_set.lang
write_only_capture.lang
two_closures_share.lang
independent_counters.lang
recursive_binding_set.lang
self_param_shadow.lang
record_get_third.lang
short_branch.lang

错误程序的验收

未绑定赋值目标在解释器和 lowering 阶段直接报错：

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./mini run examples/set_undefined_error.lang
./mini ir examples/set_undefined_error.lang

诊断应包含：

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undefined variable: missing

这些错误程序在解释器中应得到具体诊断：

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./mini run examples/call_integer_error.lang
./mini run examples/call_record_error.lang
./mini run examples/function_eq_error.lang
./mini run examples/record_get_bounds_error.lang
./mini run examples/record_get_closure_error.lang
./mini run examples/record_size_closure_error.lang

对应错误分别覆盖非函数 callee、函数相等、越界访问和对象 kind 混淆。

把后六个程序分别编译、链接并运行，生成程序都必须在非法解引用或间接调用之前进入统一错误出口，退出状态为：

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70

明确的非目标

本章有意不实现：

• record 字段修改或 set-field!；record 仍然不可变。
• 以任意表达式作为 set! 目标。
• 一等引用、取地址、解引用或把内部 cell 暴露给源语言。
• cell 的源语言 constructor、predicate、load 或 store 形式；这些只属于内部 IR。
• 单个语法节点包含任意数量表达式的 variadic begin。
• 多参数函数或新的调用语法。
• assigned-variable analysis、选择性装箱或未装箱局部变量优化。
• closure 逃逸分析、栈上 cell、栈上 closure 或对象标量替换。
• 尾调用优化。
• 垃圾回收或主动释放堆对象；这些留到第九章。
• 线程、原子操作、锁、调度器或并发内存模型。

统一为所有绑定创建 cell 会产生较多 malloc，但它让本章只解决一个核心困难：多个词法作用域怎样共享同一个可变位置。性能优化不能以破坏这条语义为代价。

完成标准不是“看到了 store 字样”，而是同一个 Location 能从解释器环境一路对应到 closure capture、结构化 IR、cell 对象和最终汇编，并且前七章的所有行为仍然成立。