摘要
本文深入探讨编译器中间表示（IR）中控制流的设计范式。主流的编译器IR（如LLVM IR）普遍采用基于基本块和跳转指令的设计，这源于其灵活性与贴近硬件本质。我们将分析这种设计的根本原因，并详细讨论另一种可能性：在中端IR中完全禁止显式跳转，仅使用结构化控制流原语（如if/else、while）。通过结合MLIR的SCF方言等实例，我们将剖析结构化IR的优势（如简化分析、利于变换）与劣势（如转换开销、表达力限制），并展示其在特定领域（如多面体优化、高阶合成）的巨大潜力。
目录
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1. 主流IR设计：跳转指令的统治地位 -
2. 为何是跳转？历史、硬件与灵活性 -
3. “无跳转”IR的愿景：纯结构化控制流 -
4. 案例分析：MLIR SCF方言 -
5. 结构化控制流IR的优势与代价 -
6. 应用场景与未来展望 -
7. 总结
1. 主流IR设计：跳转指令的统治地位
主流的、通用的编译器IR，如LLVM IR、GCC的GIMPLE，其控制流的核心是基本块和跳转指令。一个基本块是连续执行的指令序列，唯一入口在开头，唯一出口在结尾。
; LLVM IR 示例
define i32 @example(i32 %a, i32 %b) {
entry:
%cmp = icmp sgt i32 %a, %b
br i1 %cmp, label %if.then, label %if.end
if.then:
%mul = mul i32 %a, %b
br label %if.end
if.end:
%result = phi i32 [ %mul, %if.then ], [ %b, %entry ]
ret i32 %result
}
代码说明：经典的LLVM IR代码。br指令是条件跳转，根据%cmp的值选择跳转到%if.then或%if.end块。phi指令用于合并来自不同前驱块的值。
这种设计形成的控制流图（CFG）可以是任意有向图，允许存在不可规约流、多入口循环等复杂结构。
2. 为何是跳转？历史、硬件与灵活性
跳转指令成为IR主流，并非偶然，而是多重因素共同作用的结果。
核心在于：跳转是控制流的“汇编语言”。它提供了一个最小、最通用的原语，在此基础上可以构建和识别更高级别的模式（如循环）。优化算法（如全局值编号、死代码消除）通常在CFG上运作良好。
3. “无跳转”IR的愿景：纯结构化控制流
设想一种IR，其中显式的跳转指令被彻底禁止。控制流只能通过有限的、预定义的结构化原语来表达：
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• 顺序执行 -
• 条件执行： scf.if、scf.condition（多路分支） -
• 循环： scf.for、scf.while、scf.parallel
这种IR的CFG天然具有良构的、嵌套的层次结构，而非任意的图。
// MLIR 中使用 SCF (Structured Control Flow) 方言的示例
func.func @structured_example(%arg0: i32, %arg1: i32) -> i32 {
%result = scf.if %arg0 > %arg1 -> i32 {
// “then” 区域
%prod = arith.muli %arg0, %arg1 : i32
scf.yield %prod : i32
} else {
// “else” 区域
scf.yield %arg1 : i32
}
return %result : i32
}
代码说明：MLIR SCF操作。scf.if是一个单一操作，它封装了完整的条件分支逻辑。then和else区域是其隐含的子区域，而非独立的基本块。scf.yield用于从区域中产生值，而非跳转。
关键区别：在结构化IR中，像循环这样的结构是一个一级操作（scf.for），而非通过反向边识别出的CFG子图。这使循环作为独立实体被操纵和变换。
4. 案例分析：MLIR SCF方言
MLIR的SCF（Structured Control Flow）方言是“无跳转”IR的杰出实践。它展示了结构化控制流在复杂场景下的应用。
4.1 嵌套循环的清晰表示
func.func @nested_loop(%A: memref<100x100xf32>, %B: memref<100xf32>) {
%c0 = arith.constant 0 : index
%c100 = arith.constant 100 : index
%c1 = arith.constant 1 : index
scf.for %i = %c0 to %c100 step %c1 {
%sum_init = arith.constant 0.0 : f32
scf.for %j = %c0 to %c100 step %c1 {
%a_elem = memref.load %A[%i, %j] : memref<100x100xf32>
%sum = arith.addf %sum, %a_elem : f32
}
memref.store %sum, %B[%i] : memref<100xf32>
}
return
}
代码说明：嵌套的scf.for操作。循环边界、步长和迭代变量（%i, %j）都是操作本身的属性或参数，循环体是操作的区域。这种表示法使得*循环的嵌套关系在语法上显而易见。*
4.2 优势体现：循环变换
对于上述嵌套循环，若想进行分块（Tiling）优化，在结构化表示中，变换可以直接作用于scf.for操作：
// 分块变换后的伪代码表示（概念性）
scf.for %i_tile = %c0 to %c100 step %c32 { // 外层瓦片循环
scf.for %j_tile = %c0 to %c100 step %c32 {
scf.for %i = %i_tile to min(%i_tile+32, %c100) step %c1 { // 内层点循环
scf.for %j = %j_tile to min(%j_tile+32, %c100) step %c1 {
// 循环体
}
}
}
}
变换是在语法层面操作循环结构，而非分析并重构复杂的CFG子图。这大大简化了实现。
5. 结构化控制流IR的优势与代价
5.1 显著优势
5.2 不可避免的代价
核心权衡在于：是用早期复杂性（前端生成结构化IR的难度）换取中端优化的简便性，还是用中端复杂性（在CFG上运行复杂分析）来换取前端的简单性和终极的表达能力。 通用编译器（如Clang/LLVM）通常选择后者。
6. 应用场景与未来展望
结构化控制流IR并非要完全取代基于跳转的IR，而是在特定上下文中扮演更佳角色。
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1. MLIR的多层设计哲学：MLIR完美体现了这一点。SCF方言是“中端”的一种选择，适用于算法核心的循环优化。其下层的 cf（控制流）方言则提供了基本的跳转指令。优化可以在SCF层进行，然后lowering到cf层，最终到LLVM IR或机器码。
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2. 领域特定编译器（DSL）：对于科学计算、深度学习、信号处理等领域的DSL，其控制流模式往往是规整的嵌套循环。从DSL直接生成结构化IR是自然且高效的选择，可以无缝对接多面体优化器等高级工具。 -
3. 高阶合成（HLS）：HLS工具将高级行为描述转换为硬件电路。硬件描述（如Verilog的 always块）对时钟敏感的跳变更敏感。结构化IR提供的规整循环和明确的范围，更利于进行流水线调度、资源分配等硬件特有优化。
未来展望：混合或可切换表示法可能是发展方向。编译器可以在不同阶段采用最适合的表示：前端生成带跳转的CFG，早期优化后识别并提升到结构化表示以进行高级循环变换，随后再降级为CFG进行指令级优化和代码生成。MLIR的方言和转换机制为这种灵活的策略提供了基础设施。
7. 总结
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• 基于跳转的IR（如LLVM IR）是编译器的通用语言，因其表达力强、贴近硬件、生成简单而成为行业基石。它用中端的分析复杂性换取了前端的自由和后端的直接。 -
• 纯结构化控制流IR（如MLIR SCF）是一种有吸引力的替代方案，特别适用于控制流规整、循环嵌套密集的领域。它通过提升抽象层级，将控制流结构作为一等公民，从而简化了特定类别的分析与优化。 -
• “无跳转”并非万能。它面临表达力限制、转换开销等挑战，在处理通用、不规则代码时可能处于劣势。 -
• 实践中的智慧在于分层与选择。现代编译器框架（如MLIR）允许不同表示共存和相互转换。结构化控制流并非要消灭跳转，而是为编译器开发者提供了在合适的抽象层级进行工作的强大工具，使得那些在传统CFG上难以实现或维护的高级循环优化，变得清晰和可控。
最终，IR的设计是对编译器工程中根本性权衡的反映：在表达的通用性与优化的便利性之间，在抽象的层次与实现的复杂度之间，寻找最适应其目标领域的最佳平衡点。