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语义分析

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语义分析是Sway编译器中的关键阶段，它接收已解析的语法树，并执行类型检查、符号解析和各种有效性检查，以确保程序在语义上是正确的。本页将解释Sway编译器在解析代码后、将其转换为中间表示（IR）之前，如何分析代码的含义。有关IR生成的信息，请参阅IR生成。

语义分析概述

Sway中的语义分析负责：

  1. 将声明收集并组织到命名空间层级结构中
  2. 检查表达式和语句的类型正确性
  3. 将符号引用解析为其声明
  4. 验证特性实现
  5. 执行控制流分析
  6. 检测死代码和不可达语句

语义分析阶段围绕两个主要遍次构建：

  1. 符号收集 - 收集声明并构建符号表
  2. 类型检查 - 验证类型正确性并推断类型

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语义分析的关键组件

Sway中的语义分析围绕几个关键组件展开，它们协同工作以验证程序：

TypeCheckContext

语义分析的核心是TypeCheckContext结构体，它在类型检查期间维护状态。它封装了：

  • 命名空间：用于符号解析的当前命名空间上下文
  • 引擎：对类型引擎和声明引擎的引用
  • 类型注解：用于推断的预期类型
  • 自身类型：在检查特性或实现块时，self的类型
  • ABI模式：我们是否正在检查ABI实现

TypeCheckContext提供了以下方法：

  • 进入和退出词法作用域
  • 解析类型和符号
  • 管理类型注解和统一
  • 处理特性实现

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命名空间系统

命名空间系统组织声明并管理符号解析：

  • 命名空间（Namespace）：管理包和模块的顶层容器
  • 模块（Module）：表示一个带有自身作用域和子模块的Sway模块
  • 词法作用域（LexicalScope）：表示一个词法作用域，其中定义了符号
  • 特性映射（TraitMap）：将类型映射到其特性实现

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类型系统集成

语义分析与类型系统密切互动：

  • TypeEngine：创建和管理类型信息
  • TypeId：类型的唯一标识符
  • TypeInfo：实际的类型信息（枚举、结构体、原始类型等）
  • 统一（Unification）：确定类型是否兼容的过程

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符号收集

符号收集是语义分析的第一遍，它在命名空间层级结构中收集和组织声明。

在符号收集过程中：

  1. 每个AST节点都被访问，其声明被收集
  2. 对于函数、结构体、枚举等，它们的名称被添加到符号表中
  3. 为块和声明创建新的词法作用域
  4. 处理use语句以从其他模块导入符号

这在TyAstNode::collect方法中实现，该方法根据节点类型分派给特定的收集器。

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类型检查

类型检查遍次验证类型正确性并执行类型推断。

类型检查在TyAstNode::type_check方法中实现，该方法：

  1. 根据节点类型分派给特定的检查器
  2. 对于表达式，推断并检查类型
  3. 对于声明，验证其内部一致性
  4. 执行统一以确保类型兼容性
  5. 当类型不匹配时报告错误

类型检查器递归检查表达式及其子表达式，使用类型注解来指导推断。

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表达式类型检查

类型检查表达式是语义分析中最复杂的方面之一。对于每种表达式类型：

  1. 变量：在命名空间中查找变量并获取其类型
  2. 函数调用：解析函数，检查参数类型，推断泛型参数
  3. 方法调用：查找合适的方法实现，检查接收者和参数
  4. 结构体实例化：验证字段类型与结构体声明匹配
  5. 控制流：检查条件是否为布尔类型，确保分支具有兼容的类型

TyExpression::type_check方法处理此过程并返回一个类型化表达式。

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声明类型检查

声明类型检查确保声明的内部一致性：

  1. 函数：检查参数类型、返回类型和函数体
  2. 结构体/枚举：验证字段类型和变体
  3. 特性声明：检查特性方法和关联类型
  4. 实现：验证所有特性要求均已满足

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类型解析和统一

语义分析的一个关键方面是类型解析和统一：

类型解析包括：

  1. 将类型标识符转换为实际类型
  2. 解析泛型类型参数
  3. 应用类型约束
  4. 处理类型别名和关联类型

类型统一是确定两种类型是否兼容，如果兼容，哪种类型更具体的过程。

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特性解析和实现

特性解析和实现检查是语义分析的复杂部分：

特性实现过程：

  1. 解析特性声明和实现类型
  2. 检查所有必需的方法、关联类型和常量是否已实现
  3. 验证签名和实现是否符合要求
  4. 在TraitMap中注册实现以进行方法解析

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附加语义检查

除了类型检查，Sway还执行几项高级语义分析：

死代码分析

死代码分析识别永远不会被执行的代码：

  1. 构建控制流图
  2. 查找从入口点无法到达的节点
  3. 报告不可达代码的警告

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返回路径分析

返回路径分析确保函数在所有代码路径上都返回值：

  1. 分析所有可能的执行路径
  2. 验证每条路径要么返回值，要么永不终止
  3. 报告可能不返回值的路径的错误

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错误处理和恢复

语义分析包括强大的错误处理：

  1. 针对不同语义错误的特定错误类型
  2. 错误恢复以在错误发生时继续分析
  3. 提供有用的、带有上下文和建议的错误消息
  4. 在停止编译之前收集多个错误

当检测到类型错误时，编译器：

  1. 创建一个包含预期类型和实际类型信息的错误
  2. 包含相关的源代码位置
  3. 添加解释问题的帮助消息
  4. 在可能的情况下继续分析以查找更多错误

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结论

Sway中的语义分析是一个复杂的处理过程，它确保程序在代码生成之前格式正确且类型正确。通过结合符号解析、类型检查和高级语义分析，Sway编译器可以在编译期间捕获各种错误，并提供有用的消息来指导开发人员解决问题。

该系统设计为可扩展的，允许添加新的语言特性和语义检查，同时保持现有分析的健壮性。