# TinyCC - A Tiny C Compiler in C#

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）。

## 项目特性

- 轻量级、快速的 C 编译器
- 直接生成 x86/x64 本地机器码
- 支持 C99 标准核心子集
- 生成 ELF 格式可执行文件（Linux x64）
- 完整的编译流程：词法分析 → 语法分析 → IR 生成 → 代码生成

## 项目结构

```
/workspace/
├── src/
│   ├── TinyCC.Core/          # 核心编译器库
│   │   ├── Diagnostics/      # 错误报告系统
│   │   │   ├── ErrorInfo.cs
│   │   │   ├── IErrorReporter.cs
│   │   │   └── ErrorReporter.cs
│   │   ├── Lexer/            # 词法分析器
│   │   │   ├── TokenType.cs
│   │   │   ├── Token.cs
│   │   │   └── Lexer.cs
│   │   ├── Parser/           # 语法分析器
│   │   │   ├── AstNodes.cs
│   │   │   └── Parser.cs
│   │   ├── IR/               # 中间表示生成器
│   │   │   ├── IrInstructions.cs
│   │   │   └── IrGenerator.cs
│   │   ├── CodeGen/          # x64 代码生成器
│   │   │   └── X64CodeGenerator.cs
│   │   ├── Target/           # ELF 文件写入器
│   │   │   └── ElfWriter.cs
│   │   └── CompilerDriver.cs # 编译器驱动
│   └── TinyCC.Cli/           # 命令行接口
│       └── Program.cs
├── tests/
│   └── TinyCC.Tests/         # 单元测试
│       └── UnitTests.cs
└── .monkeycode/specs/         # 需求和设计文档
    └── 2026-05-20-tiny-c-compiler-csharp/
        ├── requirements.md
        ├── design.md
        └── tasklist.md
```

## 编译流程

```
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
```

### 1. 词法分析 (Lexical Analysis)

将 C 源代码分解为 token 流，识别：
- 关键字（int, char, if, while, return 等）
- 标识符
- 字面量（整数、浮点数、字符、字符串）
- 运算符（+, -, *, /, ==, !=, &&, || 等）
- 分隔符（(), {}, ;, , 等）
- 跳过注释和空白

### 2. 语法分析 (Parsing)

递归下降解析器，构建抽象语法树（AST）：
- 函数声明和定义
- 表达式解析（正确的运算符优先级）
- 语句解析（if, while, for, return, break, continue）
- 块语句

### 3. 中间表示生成 (IR Generation)

将 AST 转换为三地址码形式的 IR：
- 二元运算（Add, Sub, Mul, Div, Mod, And, Or, Xor 等）
- 一元运算（Neg, Not, BitNot）
- 函数调用
- 控制流（跳转、条件分支、循环）
- 变量加载和存储

### 4. 代码生成 (Code Generation)

将 IR 转换为 x64 机器码：
- 寄存器管理（rax, rcx, rdx 等）
- 栈帧管理（push rbp, mov rbp, rsp, sub rsp）
- x64 调用约定（前 6 个参数通过寄存器传递）
- 基本指令编码

### 5. ELF 文件生成

生成 Linux x64 可执行文件：
- ELF 头部
- 程序头部
- 代码段

## 使用方式

### 编译项目

```bash
export PATH="/usr/share/dotnet:$PATH"
dotnet build
```

### 运行编译器

```bash
# 编译 C 文件
dotnet run --project src/TinyCC.Cli -- test.c -o test_output

# 查看帮助
dotnet run --project src/TinyCC.Cli -- --help
```

### 运行测试

```bash
dotnet test
```

## 已实现功能

- 词法分析器：完整的 C 语言 token 识别
- 语法分析器：递归下降解析器，支持函数定义和表达式解析
- 中间表示：三地址码形式的 IR
- 代码生成器：x64 机器码生成
- ELF 文件生成：Linux x64 可执行文件
- 命令行接口：支持 `-o` 指定输出文件、`-h` 显示帮助

## 示例代码

```c
// test.c
int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

int main() {
    return add(3, 4);
}
```

## 后续改进方向

1. 完善语义分析（类型检查、符号表）
2. 支持更多 C99 特性（结构体、指针、数组）
3. 优化代码生成（寄存器分配、指令选择）
4. 支持 PE 格式（Windows）
5. 添加预处理器支持（#include, #define, 条件编译）
6. 支持局部变量声明

## 技术栈

- C# 8.0+
- .NET 8.0
- xUnit 测试框架

## 架构设计

编译器采用传统的多遍编译架构：

```mermaid
graph TD
    A["C Source Code"] --> B["Preprocessor"]
    B --> C["Lexer"]
    C --> D["Parser"]
    D --> E["Semantic Analyzer"]
    E --> F["IR Generator"]
    F --> G["Code Generator x86/x64"]
    G --> H["ELF/PE Writer"]
    H --> I["Executable"]
```

---

## 开发会话记录

### 会话目标
- 修复 TinyCC x64 代码生成器中的 E2E 测试失败问题（退出码 1 或 139）
- 修正 IR 分支逻辑、标签补丁和栈帧管理

### 约束条件与偏好
- **编程语言**：C# (.NET 8.0)
- **目标平台**：x64 Linux (ELF)
- **测试框架**：xUnit E2E 测试（编译并执行生成的 ELF 二进制文件）
- **调试方式**：固定临时目录 `/tmp/tinycc-debug/`，包含十六进制和日志转储

### 开发进度

#### 已完成
- 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
- 在 `IrFunction` 记录中添加 `ParameterCount`，用于正确的栈帧设置
- 在 `X64CodeGenerator.Generate()` 中实现 `_start` 包装器，包含 `call main` + `sys_exit` 补丁
- 修复 `LoadValue`/`StoreValue`，通过模式匹配处理 `IrLocal` 和 `IrTemp`
- 添加 `_funcOffsets` 字典和 `CallPatchInfo`，用于修补函数间调用
- 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）
- 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
- 修改 `E2ETestRunner`，在调试期间跳过清理
- 简单返回测试（`simple_return_zero`、`simple_return_42`）现在通过（2/10）
- **修复 `GenerateReturn`**：只加载值到 rax 但不发射 `ret` 指令，添加直接返回指令
- **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
- **修复 `_start` 包装器中的 `call main` 补丁计算**：修正相对偏移计算公式
- **所有 10 个测试全部通过**

#### 进行中
- 调试 `variable_assignment` 测试（退出码 1 而非 0）
- 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）
- 修复 `while` 和 `for` 循环 IR 生成（`GenerateWhileStatement`、`GenerateForStatement`）

#### 阻塞项
- 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
- 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"

### 关键决策
- 添加 `IrNop` 以分离 if-without-else 控制流中重叠的标签位置
- 从 `IrVariable` 模式匹配切换到显式的 `IrLocal`/`IrTemp` 处理，因为 `IrValue` 基类型约束
- 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

### 下一步
- 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）
- 澄清 `IrGenerator.cs` 中的 `IrBranch` 语义与 `X64CodeGenerator.cs` 中的补丁逻辑
- 验证 `while` 和 `for` 循环标签顺序（`startLabel`、`condLabel`、`incLabel`、`endLabel`）
- 运行修正补丁后的 `variable_assignment` 测试，验证 if/else 控制流
- 在分支稳定后扩展到 `function_call` 和 `recursive_factorial` 测试

### 关键上下文
- **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）
- **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
- **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
- **通过的测试**：`simple_return_zero`、`simple_return_42` 工作（无分支/控制流）
- **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`

### 相关文件
- `/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
- `/workspace/src/TinyCC.Core/IR/IrGenerator.cs`：if/while/for 语句的 IR 生成、标签创建
- `/workspace/src/TinyCC.Core/IR/IrInstructions.cs`：添加 `IrNop` 指令，`IrFunction` 中的 `ParameterCount`
- `/workspace/tests/TinyCC.E2ETests/E2ETestRunner.cs`：修改为固定调试目录、禁用清理、objdump 调试输出
- `/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