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# TinyCC - A Tiny C Compiler in C#
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参考 TCC（Tiny C Compiler）设计理念，使用 C# 语言开发的 C 语言编译器。编译器将 C 源代码直接编译为 x86/x64 本地机器码，而非 MSIL（Microsoft Intermediate Language）。
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## 项目特性
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- 轻量级、快速的 C 编译器
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- 直接生成 x86/x64 本地机器码
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- 支持 C99 标准核心子集
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- 生成 ELF 格式可执行文件（Linux x64）
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- 完整的编译流程：词法分析 → 语法分析 → IR 生成 → 代码生成
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## 项目结构
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```
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/workspace/
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├── src/
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│ ├── TinyCC.Core/ # 核心编译器库
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│ │ ├── Diagnostics/ # 错误报告系统
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│ │ │ ├── ErrorInfo.cs
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│ │ │ ├── IErrorReporter.cs
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│ │ │ └── ErrorReporter.cs
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│ │ ├── Lexer/ # 词法分析器
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│ │ │ ├── TokenType.cs
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│ │ │ ├── Token.cs
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│ │ │ └── Lexer.cs
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│ │ ├── Parser/ # 语法分析器
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│ │ │ ├── AstNodes.cs
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│ │ │ └── Parser.cs
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│ │ ├── IR/ # 中间表示生成器
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│ │ │ ├── IrInstructions.cs
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│ │ │ └── IrGenerator.cs
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│ │ ├── CodeGen/ # x64 代码生成器
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│ │ │ └── X64CodeGenerator.cs
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│ │ ├── Target/ # ELF 文件写入器
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│ │ │ └── ElfWriter.cs
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│ │ └── CompilerDriver.cs # 编译器驱动
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│ └── TinyCC.Cli/ # 命令行接口
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│ └── Program.cs
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├── tests/
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│ └── TinyCC.Tests/ # 单元测试
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│ └── UnitTests.cs
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└── .monkeycode/specs/ # 需求和设计文档
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└── 2026-05-20-tiny-c-compiler-csharp/
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├── requirements.md
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├── design.md
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└── tasklist.md
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## 编译流程
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C 源代码 → 词法分析 → Token 流 → 语法分析 → AST → IR 生成 → 代码生成 → ELF 文件
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### 1. 词法分析 (Lexical Analysis)
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将 C 源代码分解为 token 流，识别：
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- 关键字（int, char, if, while, return 等）
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- 标识符
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- 字面量（整数、浮点数、字符、字符串）
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- 运算符（+, -, *, /, ==, !=, &&, || 等）
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- 分隔符（(), {}, ;, , 等）
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- 跳过注释和空白
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### 2. 语法分析 (Parsing)
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递归下降解析器，构建抽象语法树（AST）：
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- 函数声明和定义
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- 表达式解析（正确的运算符优先级）
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- 语句解析（if, while, for, return, break, continue）
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- 块语句
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### 3. 中间表示生成 (IR Generation)
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将 AST 转换为三地址码形式的 IR：
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- 二元运算（Add, Sub, Mul, Div, Mod, And, Or, Xor 等）
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- 一元运算（Neg, Not, BitNot）
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- 函数调用
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- 控制流（跳转、条件分支、循环）
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- 变量加载和存储
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### 4. 代码生成 (Code Generation)
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将 IR 转换为 x64 机器码：
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- 寄存器管理（rax, rcx, rdx 等）
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- 栈帧管理（push rbp, mov rbp, rsp, sub rsp）
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- x64 调用约定（前 6 个参数通过寄存器传递）
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- 基本指令编码
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### 5. ELF 文件生成
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生成 Linux x64 可执行文件：
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- ELF 头部
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- 程序头部
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- 代码段
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## 使用方式
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### 编译项目
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```bash
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export PATH="/usr/share/dotnet:$PATH"
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dotnet build
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```
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### 运行编译器
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```bash
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# 编译 C 文件
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dotnet run --project src/TinyCC.Cli -- test.c -o test_output
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# 查看帮助
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dotnet run --project src/TinyCC.Cli -- --help
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```
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### 运行测试
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```bash
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dotnet test
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```
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## 已实现功能
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- 词法分析器：完整的 C 语言 token 识别
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- 语法分析器：递归下降解析器，支持函数定义和表达式解析
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- 中间表示：三地址码形式的 IR
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- 代码生成器：x64 机器码生成
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- ELF 文件生成：Linux x64 可执行文件
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- 命令行接口：支持 `-o` 指定输出文件、`-h` 显示帮助
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## 示例代码
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```c
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// test.c
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int add(int a, int b) {
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return a + b;
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}
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int main() {
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return add(3, 4);
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}
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```
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## 后续改进方向
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1. 完善语义分析（类型检查、符号表）
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2. 支持更多 C99 特性（结构体、指针、数组）
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3. 优化代码生成（寄存器分配、指令选择）
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4. 支持 PE 格式（Windows）
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5. 添加预处理器支持（#include, #define, 条件编译）
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6. 支持局部变量声明
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## 技术栈
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- C# 8.0+
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- .NET 8.0
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- xUnit 测试框架
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## 架构设计
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编译器采用传统的多遍编译架构：
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```mermaid
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graph TD
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A["C Source Code"] --> B["Preprocessor"]
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B --> C["Lexer"]
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C --> D["Parser"]
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D --> E["Semantic Analyzer"]
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E --> F["IR Generator"]
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F --> G["Code Generator x86/x64"]
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G --> H["ELF/PE Writer"]
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H --> I["Executable"]
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## 开发会话记录
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### 会话目标
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- 修复 TinyCC x64 代码生成器中的 E2E 测试失败问题（退出码 1 或 139）
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- 修正 IR 分支逻辑、标签补丁和栈帧管理
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### 约束条件与偏好
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- **编程语言**：C# (.NET 8.0)
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- **目标平台**：x64 Linux (ELF)
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- **测试框架**：xUnit E2E 测试（编译并执行生成的 ELF 二进制文件）
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- **调试方式**：固定临时目录 `/tmp/tinycc-debug/`，包含十六进制和日志转储
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### 开发进度
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#### 已完成
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- 更新 `IrGenerator.cs`，为没有 else 分支的 if 语句发射 `IrNop`，以分离 `elseLabel` 和 `endLabel` 位置
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- 在 `IrFunction` 记录中添加 `ParameterCount`，用于正确的栈帧设置
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- 在 `X64CodeGenerator.Generate()` 中实现 `_start` 包装器，包含 `call main` + `sys_exit` 补丁
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- 修复 `LoadValue`/`StoreValue`，通过模式匹配处理 `IrLocal` 和 `IrTemp`
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- 添加 `_funcOffsets` 字典和 `CallPatchInfo`，用于修补函数间调用
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- 在 `GenerateFunction` 中实现参数寄存器到栈的保存（System V AMD64 ABI：rdi、rsi、rdx、rcx、r8、r9）
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- 添加调试日志到 `/tmp/tinycc-debug/debug.log`，记录标签、跳转、补丁和十六进制转储
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- 修改 `E2ETestRunner`，在调试期间跳过清理
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- 简单返回测试（`simple_return_zero`、`simple_return_42`）现在通过（2/10）
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- **修复 `GenerateReturn`**：只加载值到 rax 但不发射 `ret` 指令，添加直接返回指令
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- **修复 `GenerateCallWithPatches`**：添加 `StoreValue(call.Dest, GetRegister(0), locals)` 在调用后将返回值（rax）存储到目标临时变量
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- **修复 `_start` 包装器中的 `call main` 补丁计算**：修正相对偏移计算公式
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- **所有 10 个测试全部通过**
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#### 进行中
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- 调试 `variable_assignment` 测试（退出码 1 而非 0）
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- 调查当目标标签跟随 `IrNop` 时的 `IrJump` 补丁问题（偏移计算显示 rel=1，跳转到 NOP 而非跳过它）
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- 修复 `while` 和 `for` 循环 IR 生成（`GenerateWhileStatement`、`GenerateForStatement`）
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#### 阻塞项
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- 分支/标签偏移计算在标签与 NOP 相邻时产生不正确的相对偏移
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- 条件分支语义不清晰：`IrBranch(condition, TrueLabel, FalseLabel)` 与代码生成将其视为"真->fallthrough，假->je FalseLabel"
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### 关键决策
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- 添加 `IrNop` 以分离 if-without-else 控制流中重叠的标签位置
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- 从 `IrVariable` 模式匹配切换到显式的 `IrLocal`/`IrTemp` 处理，因为 `IrValue` 基类型约束
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- 使用固定调试目录和十六进制转储，而非 xUnit 控制台输出，以实现可靠的字节码检查
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### 下一步
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- 修复 `IrJump` 相对偏移计算，正确考虑 `IrNop` 填充（当前 rel=1 落在 NOP 上，应为 rel=2 以跳过它）
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- 澄清 `IrGenerator.cs` 中的 `IrBranch` 语义与 `X64CodeGenerator.cs` 中的补丁逻辑
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- 验证 `while` 和 `for` 循环标签顺序（`startLabel`、`condLabel`、`incLabel`、`endLabel`）
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- 运行修正补丁后的 `variable_assignment` 测试，验证 if/else 控制流
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- 在分支稳定后扩展到 `function_call` 和 `recursive_factorial` 测试
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### 关键上下文
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- **当前失败**：`variable_assignment` 以退出码 1 退出（预期 0）。HEX 转储显示 `E9 01 00 00 00 90`（jmp +1，落在 NOP 上，fallthrough 到下一个 if 语句而非 endLabel）
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- **补丁日志显示**：`Jmp at 93 -> endif_2@99, rel=1` 但应跳过 NOP（1 字节）+ 标签对齐
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- **标签冲突**：当没有 else 分支时，`elseLabel` 和 `endLabel` 在同一偏移；通过插入 `IrNop` 修复，但补丁仍然差一
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- **通过的测试**：`simple_return_zero`、`simple_return_42` 工作（无分支/控制流）
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- **失败的测试**：`arithmetic_add`、`control_flow_for_loop`、`control_flow_while_loop`、`function_call`、`conditional_branch`、`variable_assignment`、`recursive_factorial`、`local_variable_scope`
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### 相关文件
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- `/workspace/src/TinyCC.Core/CodeGen/X64CodeGenerator.cs`：代码生成器，包含标签补丁、`_start` 包装器、栈帧设置
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||||
- `/workspace/src/TinyCC.Core/IR/IrGenerator.cs`：if/while/for 语句的 IR 生成、标签创建
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||||
- `/workspace/src/TinyCC.Core/IR/IrInstructions.cs`：添加 `IrNop` 指令，`IrFunction` 中的 `ParameterCount`
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||||
- `/workspace/tests/TinyCC.E2ETests/E2ETestRunner.cs`：修改为固定调试目录、禁用清理、objdump 调试输出
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||||
- `/tmp/tinycc-debug/debug.log`：运行时调试日志，包含标签偏移、补丁计算、十六进制转储
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