10.1 为什么编译器使用 IR

前端理解“意义”，后端理解“机器”。夹在中间的是中间表示（IR）：一种为分析、变换和重定向而设计的程序形态，既不为人阅读，也不为某块硬件量身定做。

理论上你完全可以把 AST 直接翻成机器码，玩具编译器就是这么干的。但生产级编译器几乎都不这么做，原因是结构性的，不是风格问题。

N×M 问题

假设支持 $N$ 种语言、$M$ 种目标架构。每种语言直接对每种机器生成，需要 $N \times M$ 套后端；新增一颗 CPU 就要补 $N$ 个代码生成器。

共享 IR 把它压扁：每种语言降低一次到 IR（$N$ 个前端），每种机器消费一次 IR（$M$ 个后端），合计 $N + M$，而不是 $N \times M$。

优化收益更夸张：一个优化遍（pass）写在 IR 上，所有语言、所有目标都受益。

好的 IR 长什么样

可用的 IR 应当目标无关、显式、便于检查。它暴露运算、数据流和控制流，但不绑定某块 CPU 的寄存器或 ABI。

正是这种中立性，让常量折叠、死代码消除、公共子表达式消除写一次就服务所有人。一旦把 IR 绑死在某颗芯片上，抽象优势就垮了。

高、中、低三层 IR

真实编译器很少只用一种 IR，而是一摞，越往下越贴近机器：

• 高层 IR 保留偏语言的结构：数组下标、方法调用、边界检查，适合做与源相关的优化。

• 中层 IR 是经典指令列表形态（三地址码、SSA），大多数通用优化都在这层。

• 低层 IR 贴近目标：寄存器、内存寻址、类机器操作，指令选择与寄存器分配都在这层。

LLVM IR、GCC 的 GIMPLE/RTL、JVM/.NET 字节码都是这条谱线上的点。降低（lowering）就是往下走一层，用抽象换控制。

一个具体例子

看 total = price * qty + tax。高层 IR 仍贴近源；降低到三地址中层变成：

t1 = price * qty
total = t1 + tax

再降低，price、qty 成为寄存器或栈引用，两个运算成为目标的乘加指令。同一句话存在于三个高度，各自服务不同任务。

没有 IR 的代价

没有 IR，丢的不只是复用，更是一个稳定的“思考场所”。优化要问“这个值是常量吗”“这段代码可达吗”，在 AST 上别扭，在裸汇编上更难。显式 IR 给每个优化遍一套统一可读可改的词汇。