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# Ferro 언어 명세 v0.1
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DOS용 시스템 프로그래밍 언어. C만큼 빠르고, 메모리 안전성을 함수 단위 지역 검사만으로 보장한다.
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파일 확장자 `.fe`, 컴파일러 이름 `fec`, 심볼 파일 `.fei`.
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이 문서는 언어 명세 + 컴파일러 구현 지시서를 겸한다. 구현 중 애매한 부분은 §1 철학과 §5 소유권 규칙을 기준으로 결정한다.
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## 1. 설계 철학
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1. **안전은 기본, 위험은 명시.** 기본 코드는 메모리 안전(널 역참조, 버퍼 오버런, use-after-free, 이중 해제 불가). 위험한 연산은 `unsafe {}` 블록 안에서만.
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2. **전역 분석 금지.** 모든 검사(타입, 소유권, 참조)는 함수 하나만 보고 완결되어야 한다. 이 제약이 라이프타임 표기를 없애고, 640KB 머신에서 셀프호스팅을 가능하게 한다.
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3. **숨은 비용 없음.** 힙 할당, 복사, 소멸자 호출, 형변환이 전부 소스에 보인다. GC 없음, 예외 없음, 암묵 변환 없음.
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4. **읽히는 문법.** `이름: 타입` 순서, 좌→우 파싱, LL(1) 재귀하강으로 처리 가능.
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5. **작게 시작.** 기능을 넣기 전에 뺄 이유를 먼저 찾는다. 뺀 것과 그 대체 수단은 §13에 기록한다.
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6. **기존 도구체인 재사용.** 링커, `.OBJ`/`.LIB`/`.EXE` 포맷, DPMI 익스텐더를 새로 만들지 않는다.
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## 2. 타깃
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| | `bits16` | `bits32` |
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|---|---|---|
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| CPU/모드 | 8086 리얼모드 | 386 보호모드 플랫 (DPMI) |
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| `usize`/`isize` | 16비트 | 32비트 |
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| 포인터 크기 | near 2B / far 4B | 4B (far 없음) |
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| 메모리 모델 | small, large | flat |
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| 시스템 호출 | INT 21h 직접 | DPMI 서비스 + 실모드 콜백 |
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- CLI: `fec main.fe --target=bits16|bits32 [--model=small|large]`
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- 소스 분기: `comptime if @bits == 16 { ... } else { ... }`
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- `bits32`에서 `far` 키워드를 쓰면 컴파일 에러.
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- 표준 라이브러리는 코어 공용, `sys` 유닛만 타깃별 구현.
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## 3. 어휘 구조
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- 식별자: `[A-Za-z_][A-Za-z0-9_]*`. 대소문자 구분.
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- 주석: `//` 줄 끝까지, `/* */` **중첩 허용**.
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- 정수 리터럴: `123`, `0xFF`, `0b1010`, `0o17`, 자릿수 구분 `1_000_000`.
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- 문자 리터럴: `'a'`, `'\n'`, `'\x41'` → 타입 `char`.
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- 문자열 리터럴: `"abc"` → 타입 `str`. NUL 종료 아님. 이스케이프는 문자 리터럴과 동일. 인접 리터럴 자동 연결 없음.
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- 불린: `true`, `false`. 옵셔널 널: `null`.
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- 세미콜론 필수. 블록 중괄호 필수(단문 `if`도 `{}` 필요).
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**예약어:**
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```
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unit import pub fn struct enum error const static var let mut
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if else while for in match return break continue defer
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unsafe comptime asm try catch as extern interrupt far
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true false null self Self type
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```
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## 4. 타입 시스템
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### 4.1 기본 타입
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- 정수: `i8 i16 i32 u8 u16 u32 usize isize`
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- `bool` (1바이트, 정수와 상호 변환 없음)
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- `char` (u8과 크기 같지만 별개 타입)
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- `void` (반환 타입으로만)
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- `type` (comptime 파라미터에서만, §9)
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**정수 규칙:**
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- 서로 다른 정수 타입 간 암묵 변환 없음. `as`로 명시.
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- `as`는 절단/부호확장을 수행하며 값 손실을 검사하지 않는다.
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- `+ - * / %`는 검사 빌드에서 오버플로 시 트랩. `+% -% *%`는 랩어라운드(항상 무검사).
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- `/`, `%`의 0 나눗셈은 항상 트랩(검사 빌드 여부 무관, CPU가 트랩함).
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- 시프트 `<< >>`: 우변은 `u8`. 시프트 양이 비트폭 이상이면 검사 빌드에서 트랩.
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- 비트 연산 `& | ^ ~`는 같은 타입끼리만.
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### 4.2 복합 타입
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| 문법 | 의미 | 표현 |
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|---|---|---|
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| `[N]T` | 배열, 값 타입, N은 컴파일타임 상수 | `N * sizeof(T)` |
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| `[]T` | 슬라이스 (참조성, §5 R4 적용) | `(ptr, len)` |
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| `str` | `[]u8` 불변 별칭 | `(ptr, len)` |
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| `^T` | 소유 포인터 (힙, 단일 소유자) | 포인터 |
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| `&T` | 공유 참조 | 포인터 |
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| `&mut T` | 배타 참조 | 포인터 |
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| `*T` | raw 포인터 (`unsafe`에서만 역참조) | 포인터 |
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| `far ^T`, `far *T`, `far &T` | far 포인터 (`bits16` 전용) | 4바이트 |
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| `?T` | 옵셔널 | 널 표현 가능 타입은 크기 동일, 아니면 `(bool, T)` |
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| `E!T` / `!T` | 에러 유니온 (`!T`는 기본 에러 집합) | `(u16 err, T val)` |
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| `fn(A, B) -> R` | 함수 포인터 | 포인터 |
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- **배열은 포인터로 붕괴하지 않는다.** 함수에 넘기려면 `arr[..]`로 슬라이스를 만들거나 `&arr` / `^[N]T`를 쓴다.
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- 슬라이싱: `arr[..]`, `arr[a..b]`(반개구간, 경계 검사), `arr[a..]`, `slice[a..b]`.
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- 소유 슬라이스가 필요하면 `^[]T`(길이 있는 힙 버퍼)를 쓴다. `mem.alloc_slice(T, n)`가 반환.
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### 4.3 구조체
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```fe
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pub struct Point {
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x: i32,
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y: i32,
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pub fn new(x: i32, y: i32) -> Point { return Point{ x: x, y: y }; }
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pub fn len2(self: &Self) -> i32 { return self.x*self.x + self.y*self.y; }
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pub fn shift(self: &mut Self, dx: i32) { self.x += dx; }
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}
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```
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- 리터럴: `Point{ x: 1, y: 2 }`. 모든 필드 명시 필수(기본값 없음).
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- 메서드는 struct 블록 안에 정의. 첫 파라미터가 `self: Self | &Self | &mut Self`면 메서드.
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- `x.f(y)`는 `Point.f(x, y)`의 설탕. 자동 참조 취함(`x.shift(1)`은 `Point.shift(&mut x, 1)`).
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- `Self`는 자기 타입의 별칭.
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- 필드 레이아웃은 선언 순서. 정렬은 타깃 규칙(`bits16`은 1바이트 정렬, `bits32`는 자연 정렬). `packed struct`로 정렬 강제 해제.
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- 소멸자: `fn drop(self: &mut Self)`를 정의하면 스코프 종료 시 자동 호출(§5 R3).
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### 4.4 열거형 (태그드 유니온)
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```fe
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pub enum Shape {
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Empty,
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Circle(i32),
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Rect{ w: i32, h: i32 },
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}
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```
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- 표현: `struct { u8 tag; union {...} payload; }`. 배리언트 256개 초과 시 `u16` 태그.
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- 페이로드 없는 배리언트만 있는 열거형은 정수처럼 취급되며 `as u8` 가능.
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- 생성: `Shape.Circle(5)`, `Shape.Rect{ w: 3, h: 4 }`, `Shape.Empty`.
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- 해체는 `match` 또는 `if let`으로만. 직접 필드 접근 불가.
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### 4.5 옵셔널
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```fe
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var p: ?^Node = null;
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if let Some(node) = p { node.value = 1; } // node: &mut Node (p가 mut일 때)
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let v = p.?; // null이면 트랩
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let v = p orelse default_node; // null이면 우변
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```
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- `?T`에서 T가 `^T`, `&T`, `*T`, `fn`이면 널 포인터를 널 표현으로 사용(크기 증가 없음).
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- 검사 없이 역참조 불가. `p.^`는 컴파일 에러, `p.?.^`가 필요.
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### 4.6 에러
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```fe
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pub error IoError {
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NotFound = 1,
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Denied = 2,
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Eof = 3,
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}
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fn read_all(path: str) -> IoError!^[]u8 {
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let f = try io.open(path); // 에러면 즉시 반환
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defer f.close();
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let n = f.size() catch |e| { return e; };
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...
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}
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```
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- `error` 선언은 `u16` 코드 집합. 코드 0은 "성공" 예약, 사용 불가.
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- `E!T` 함수만 `try`/`catch` 사용 가능.
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- `try e`: 에러면 현재 함수에서 즉시 반환(현재 함수도 에러 유니온을 반환해야 함).
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- `e catch |x| { ... }`: 블록은 값을 만들거나 `return`/`break`로 탈출.
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- `e catch default_value`: 짧은 형태.
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- 서로 다른 error 타입 간 자동 변환 없음. `!T`(기본 에러 집합 `core.Error`)로 통일하거나 명시 매핑.
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- 에러는 값이다. 언와인딩, 스택 추적, 소멸자 이외의 자동 정리 없음.
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### 4.7 타입 동등성
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이름 기반(nominal). 필드가 같아도 다른 이름이면 다른 타입. 별칭은 `const Alias = Type;`으로 만들며 완전 동일 취급.
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## 5. 소유권과 참조 — 핵심 규칙
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이 절이 언어의 핵심이다. 모든 규칙은 **함수 하나만 보고** 검사된다.
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**R1 (단일 소유자).** 모든 값의 소유자는 정확히 하나. 변수 대입, 함수 인자 전달, 반환은 **이동(move)**이다. 이동된 변수는 이후 사용 시 컴파일 에러.
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**R2 (Copy 타입).** 다음은 이동 대신 복사된다: 정수, `bool`, `char`, raw 포인터 `*T`, 참조 `&T`, 함수 포인터, 그리고 모든 필드가 Copy이면서 `drop`이 없는 struct/enum/배열. `^T`와 `&mut T`는 Copy가 아니다.
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**R3 (소멸자, RAII).** `^T`는 소유자 스코프 종료 또는 재대입 시 `drop` 호출 후 해제. struct에 `fn drop(self: &mut Self)`가 있으면 그 값의 스코프 종료 시 자동 호출되며, 이어서 필드들의 drop이 선언 역순으로 호출된다. `drop`을 직접 호출하는 것은 컴파일 에러(`mem.destroy(x)` 사용).
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**R4 (참조는 2급 값).** `&T`, `&mut T`, `[]T`는 다음 위치에만 존재할 수 있다:
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- 함수 파라미터
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- 지역 변수 (`let`/`var`)
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- 표현식 안의 임시값
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다음은 **컴파일 에러**다:
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- struct/enum 필드의 타입
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- 배열/슬라이스의 원소 타입
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- 함수 반환 타입 (예외: R8)
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- `^T`, `*T`의 대상 타입
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- 전역 변수의 타입
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이 한 줄이 라이프타임 표기 전체를 불필요하게 만든다.
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**R5 (참조 수명).** 지역 참조 변수는 대상보다 오래 살 수 없다. R4 덕분에 대상은 항상 같은 함수의 지역 변수, 파라미터, 또는 전역이므로 스코프 중첩 확인만으로 검사된다.
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**R6 (배타성).** `&mut x`가 살아있는 동안 `x`에 대한 다른 참조 생성, 직접 읽기/쓰기, 이동이 금지된다. `&x`(공유)는 여러 개 동시 가능하지만 그동안 `x`에 쓰기/이동 금지. 참조의 생존 구간은 **참조 변수의 스코프 끝까지**(NLL 아님). 임시 참조(`f(&x)`)는 그 문장 끝까지.
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**R7 (참조 무효화).** 참조 대상이 이동되거나 재대입되면 그 참조는 이후 사용 시 에러.
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**R8 (반환값 예외).** 메서드는 `-> &T` / `-> &mut T`를 반환할 수 있다. 단, 첫 파라미터가 `&Self`/`&mut Self`이고 반환 참조는 그 self에서 파생된 것이어야 하며(컴파일러가 확인), **호출 결과는 그 문장 안에서만 사용 가능**하고 지역 변수에 바인딩할 수 없다.
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```fe
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list.at(0).x = 5; // OK
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let r = list.at(0); // 에러: 반환 참조를 바인딩 불가
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```
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장수하는 접근이 필요하면 인덱스(`usize`)나 핸들을 쓴다.
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**R9 (unsafe).** `unsafe {}` 안에서만 허용: raw 포인터 역참조, `*T` ↔ `^T`/`&T` 변환, `@ptr_cast`, `@seg_ptr`, `@volatile_*`, `@port_*`, `asm`, `*_unchecked` 함수, 전역 `var` 접근. R1~R8은 `unsafe` 안에서도 유지되며, raw 포인터를 경유해야만 우회된다.
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**R10 (전역).** `static`은 불변이며 컴파일타임 상수 초기화만 가능. `var` 전역은 허용되나 접근이 `unsafe`. 전역에 `^T`나 `drop` 있는 타입 금지.
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**R11 (그래프 구조).** 참조 순환이 필요한 자료구조는 아레나 + 인덱스 핸들로 표현한다. 표준 라이브러리 `mem.Arena`와 `u16`/`u32` 인덱스를 쓴다.
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## 6. 문법
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### 6.1 EBNF
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```
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unit := 'unit' ident ';' import* decl*
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import := 'import' ident ';'
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decl := ['pub'] (fn_decl | struct_decl | enum_decl | error_decl
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| const_decl | global_decl)
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fn_decl := ['extern' string] ['interrupt'] 'fn' ident
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|
'(' [param (',' param)*] ')' ['->' type] (block | ';')
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param := ['comptime'] ident ':' type
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struct_decl := ['packed'] 'struct' ident '{' field* fn_decl* '}'
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field := ident ':' type ','
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enum_decl := 'enum' ident '{' variant (',' variant)* [','] '}'
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variant := ident | ident '(' type ')' | ident '{' field* '}'
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error_decl := 'error' ident '{' (ident '=' int ',')* '}'
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const_decl := 'const' ident [':' type] '=' expr ';'
|
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global_decl := ('static' | 'var') ident ':' type '=' expr ';'
|
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block := '{' stmt* '}'
|
|
stmt := 'let' ['mut'] ident [':' type] '=' expr ';'
|
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| 'var' ident ':' type ['=' expr] ';'
|
|
| 'const' ident [':' type] '=' expr ';'
|
|
| lvalue ('=' | '+=' | '-=' | '*=' | '/=' | '%='
|
|
| '&=' | '|=' | '^=' | '<<=' | '>>=') expr ';'
|
|
| if_stmt | while_stmt | for_stmt | match_stmt
|
|
| 'return' [expr] ';' | 'break' ';' | 'continue' ';'
|
|
| 'defer' block
|
|
| 'unsafe' block
|
|
| 'comptime' 'if' expr block ['else' (block | 'if' ...)]
|
|
| 'asm' '{' asm_body '}'
|
|
| expr ';'
|
|
|
|
if_stmt := 'if' (expr | 'let' pattern '=' expr) block
|
|
['else' (block | if_stmt)]
|
|
while_stmt := 'while' expr block
|
|
for_stmt := 'for' ident [',' ident] 'in' expr block
|
|
match_stmt := 'match' expr '{' arm+ '}'
|
|
arm := pattern '=>' (expr ';' | block)
|
|
pattern := ident // 배리언트, 페이로드 없음
|
|
| ident '(' ident ')' // 튜플형 배리언트 바인딩
|
|
| ident '{' ident (',' ident)* '}' // 필드형 배리언트 바인딩
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|
| 'Some' '(' ident ')' | 'None'
|
|
| int_literal | '_'
|
|
|
|
type := ident ['.' ident]
|
|
| '?' type | '!' type | ident '!' type
|
|
| '^' type | '&' ['mut'] type | '*' type
|
|
| 'far' ('^' | '*' | '&' ['mut']) type
|
|
| '[' expr ']' type | '[' ']' type
|
|
| 'fn' '(' [type (',' type)*] ')' ['->' type]
|
|
| ident '(' type (',' type)* ')' // 제네릭 인스턴스
|
|
```
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|
|
|
### 6.2 표현식 우선순위 (낮음 → 높음)
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|
```
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1 orelse, catch
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2 ||
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|
3 &&
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|
4 == != < <= > >=
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|
5 | ^
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6 &
|
|
7 << >>
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|
8 + - +% -%
|
|
9 * / % *%
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|
10 단항: - ! ~ & &mut ^(주소아님) try
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|
11 후위: .field .? .^ [i] [a..b] (args) as T
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|
12 기본: literal, ident, '(' expr ')', struct_literal, @builtin(...)
|
|
```
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|
|
|
- `&&`, `||`는 단축 평가.
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|
- `as`는 후위 우선순위(단항보다 강함): `-x as i32`는 `-(x as i32)`.
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|
- 비교 연산 체이닝 금지(`a < b < c`는 에러).
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|
|
|
### 6.3 빌트인
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|
```
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|
@size_of(T) -> usize @align_of(T) -> usize
|
|
@bits -> comptime int @target -> comptime str
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|
@ptr_cast(T, p) -> *T (unsafe)
|
|
@seg_ptr(seg: u16, off: u16) -> far *T (unsafe, bits16)
|
|
@port_in8(p) @port_in16(p) @port_out8(p,v) @port_out16(p,v) (unsafe)
|
|
@volatile_load(p) @volatile_store(p, v) (unsafe)
|
|
@trap() -> never @unreachable() -> never (unsafe)
|
|
@line() @file() // 진단용
|
|
|
|
@print(fmt, ...) // stdout
|
|
@fprint(w, fmt, ...) // 임의 Writer
|
|
@sprint(buf: []u8, fmt, ...) -> usize // 버퍼에 기록, 쓴 바이트 수 반환
|
|
```
|
|
|
|
### 6.3.1 포매팅 빌트인
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|
|
|
가변 인자를 언어에 도입하지 않는다. `@print` 계열은 **컴파일 단계에서 여러 호출로 전개되는 빌트인**이다.
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|
|
|
```fe
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|
@print("x={} y={x} name={s}\n", a, b, s);
|
|
```
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|
→ lower 단계에서 다음으로 전개:
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|
```
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|
fmt.write_str(out, "x="); fmt.write_int_i32(out, a);
|
|
fmt.write_str(out, " y="); fmt.write_hex_u16(out, b);
|
|
fmt.write_str(out, " name="); fmt.write_str(out, s);
|
|
fmt.write_str(out, "\n");
|
|
```
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|
|
|
규칙:
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|
- 포맷 문자열은 **컴파일타임 문자열 리터럴 또는 `const`만**. 런타임 값이면 에러.
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|
- verb: `{}` 기본(정수/bool/char/str 자동), `{x}` 16진, `{c}` 문자, `{s}` 문자열/슬라이스, `{b}` 불린. `{{`는 `{` 이스케이프.
|
|
- `{}` 개수와 인자 개수 불일치 → 컴파일 에러.
|
|
- 인자 타입에 대응하는 `fmt.write_*` 함수가 없으면 컴파일 에러(메시지에 타입명 표시).
|
|
- 자릿수/폭/정렬 지정자는 v0.1에 없음. 필요하면 `fmt.write_int_pad`를 직접 호출.
|
|
- `@fprint`의 첫 인자는 `&mut io.Writer`(§10의 함수 포인터 struct).
|
|
- 전개 결과의 모든 호출은 `!void`를 반환하므로 `@print`도 `!void`. 무시하려면 `_ = @print(...)`.
|
|
|
|
### 6.4 예제
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|
|
|
```fe
|
|
unit vga;
|
|
import sys;
|
|
|
|
const WIDTH: u16 = 320;
|
|
const HEIGHT: u16 = 200;
|
|
|
|
pub fn set_mode13() {
|
|
unsafe { asm { mov ax, 0x0013; int 0x10; } }
|
|
}
|
|
|
|
pub fn put_pixel(x: u16, y: u16, c: u8) {
|
|
if x >= WIDTH or y >= HEIGHT { return; }
|
|
unsafe {
|
|
let vram: far *u8 = @seg_ptr(0xA000, 0);
|
|
@volatile_store(vram + (y * WIDTH + x) as usize, c);
|
|
}
|
|
}
|
|
```
|
|
|
|
```fe
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unit main;
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import io;
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import list;
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import fmt;
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fn count_lines(path: str) -> !usize {
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let f = try io.open(path, io.Read);
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defer f.close();
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var buf: [256]u8 = undefined;
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var n: usize = 0;
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while true {
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let got = try f.read(buf[..]);
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if got == 0 { break; }
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for c in buf[0..got] {
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if c.^ == '\n' { n += 1; }
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}
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}
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return n;
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}
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pub fn main() -> !void {
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let n = count_lines("data.txt") catch |e| {
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fmt.print_str("failed: ");
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fmt.print_int(e as u16);
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return e;
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};
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fmt.print_int(n);
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}
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```
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## 7. 의미론 세부
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### 7.1 변수와 초기화
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- `let`은 불변, `let mut`은 가변, `var`는 타입 명시 필수인 가변 선언.
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- 모든 변수는 사용 전 초기화 필수(정적 검사). 명시적 미초기화는 `= undefined`(unsafe 아님, 단 읽기 전 쓰기 필수는 여전히 검사).
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- 섀도잉 허용(같은 스코프에서 `let` 재선언).
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### 7.2 제어 흐름
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- `for x in slice`: `x`는 `&T`(가변 슬라이스면 `&mut T`). 값 접근은 `x.^`.
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- `for i, x in slice`: `i: usize`.
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- `for i in a..b`: 정수 범위.
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- 이 루프 형태들은 경계 검사를 생략한다(컴파일러가 안전을 보장).
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- `while`은 `bool` 조건만.
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- `match`는 **완전성 검사**. 모든 배리언트를 다루거나 `_` 필요.
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- `break`/`continue`는 가장 안쪽 루프에만 적용(레이블 없음).
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- `defer block`은 스코프 종료 시 역순 실행. 소멸자와 함께 선언 역순으로 병합 실행. `return`/`break`/에러 전파 경로에서도 실행.
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### 7.3 함수 호출 규약
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- 기본: `bits32`는 cdecl, `bits16`은 타깃 C 컴파일러 기본.
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- `extern "c" fn name(...) -> T;` — 본문 없이 선언, C 심볼과 링크. 이름 맹글링 없음. 인자/반환에 `^T`, 슬라이스, 에러 유니온 사용 불가(`*T`, `usize`만).
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- `interrupt fn name()` — 모든 레지스터 보존 + `iret`. 파라미터/반환 없음. 주소는 `@as_far_fn(name)`으로 획득.
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- 큰 struct(> 4바이트)는 숨은 포인터로 반환(C ABI 따름).
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### 7.4 검사와 트랩
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트랩 발생 조건: 배열/슬라이스 경계 초과, 정수 오버플로, 0 나눗셈, `?T`의 `.?` 실패, `@trap()`.
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동작: `core.panic(msg: str, file: str, line: u32)` 호출 → 메시지 출력 → `sys.exit(3)`. 사용자가 `core.set_panic_handler`로 교체 가능.
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`--no-checks` 빌드에서 제거되는 것: 경계 검사, 오버플로 검사, `.?` 검사.
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**절대 제거되지 않는 것:** 소유권/참조 검사, 옵셔널 타입 검사, `match` 완전성 — 전부 컴파일타임이므로.
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### 7.5 comptime
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- `const` 선언의 초기값은 컴파일타임 평가(정수 연산, `@size_of`, `@bits`, 다른 const).
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- `comptime if`는 평가되지 않는 분기를 **파싱은 하되 타입 검사/코드 생성하지 않는다**(타깃별 분기용).
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- 함수의 `comptime` 파라미터는 §9 제네릭.
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- 재귀 평가 깊이 제한 256, 초과 시 에러.
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## 8. 유닛과 빌드
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- 파일 하나 = 유닛 하나. 첫 줄은 `unit <이름>;`이며 파일명과 일치해야 함.
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- `import bar;` → 같은 검색 경로의 `bar.fe`. 접근은 `bar.name`.
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- `pub` 붙은 선언만 외부 노출. 구조체 필드도 개별 `pub` 필요.
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- 순환 import 금지(에러).
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- 유닛 컴파일 시 `.fei` 생성: pub 선언 시그니처, 타입 레이아웃, 제네릭 본문 토큰. 소스 해시가 같으면 재컴파일 생략.
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- 검색 경로: `-I <dir>`, 기본은 현재 디렉터리 + `<fec>/std`.
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```
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fec main.fe --target=bits32 -o game.exe
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fec main.fe --target=bits16 --model=large --no-checks -o game.exe
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fec main.fe --emit-c -o out/ # 트랜스파일 결과만
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fec --dump-ast main.fe
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```
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## 9. 제네릭
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`comptime` 파라미터 기반 모노모피제이션.
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```fe
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pub struct List(T) {
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items: ^[]T,
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len: usize,
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pub fn new() -> List(T) { ... }
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pub fn push(self: &mut Self, v: T) -> !void { ... }
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pub fn at(self: &Self, i: usize) -> &T { ... } // R8 적용
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pub fn drop(self: &mut Self) { ... }
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}
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fn max(comptime T: type, a: T, b: T) -> T {
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if a > b { return a; }
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return b;
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}
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let m = max(i32, 3, 7);
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var xs: List(u8) = List(u8).new();
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```
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- 인스턴스화 시 타입 인자를 대입해 본문을 재검사하고 코드를 생성한다. 인스턴스 캐시 키는 `(선언, 타입 인자 목록)`.
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- 제약(trait bound) 없음. 본문에서 쓰는 연산이 그 타입에 없으면 **인스턴스화 시점에** 에러(에러 메시지에 인스턴스화 위치를 표시할 것).
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- `.fei`에 제네릭 본문을 토큰 스트림으로 저장, 사용처에서 재파싱.
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- 재귀적 인스턴스화 깊이 제한 32.
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## 10. 표준 라이브러리 (최소 집합)
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- **core**: `panic`, `set_panic_handler`, `Error`(기본 에러 집합), `assert`.
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- **mem**: `create(T) -> !^T`, `destroy(p)`, `alloc_slice(T, n) -> !^[]T`, `copy(dst, src)`, `set(dst, v)`, `Arena{ init, alloc, reset, drop }`.
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|
- **str**: `eq`, `find`, `starts_with`, `split_at`, `parse_int`, `trim`, `to_cstr(buf, s)`, `from_cstr(p)`.
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|
- **list**: `List(T)`.
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- **map**: `Map(K, V)` (오픈 어드레싱, `K`는 정수/str).
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- **fmt**: `@print` 계열이 전개해 호출하는 저수준 함수 모음.
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`write_str(w, s)`, `write_int_i8/i16/i32/u8/u16/u32(w, v)`, `write_hex_u8/u16/u32(w, v)`,
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|
`write_char(w, c)`, `write_bool(w, b)`, `write_int_pad(w, v, width, pad)`.
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전부 `fn(w: &mut io.Writer, ...) -> !void` 시그니처. 사용자가 직접 호출해도 된다.
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- **io**:
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- `File{ open, create, read, write, seek, size, close(=drop) }`, `stdin`, `stdout`, `stderr`.
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- `Writer` — 함수 포인터 struct (인터페이스 도입 전까지의 동적 디스패치 수단):
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```fe
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pub struct Writer {
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ctx: *void,
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write_fn: fn(*void, []u8) -> !usize,
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|
}
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```
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`File.writer(&mut self) -> Writer`, `buf_writer(buf: &mut []u8) -> Writer`, `null_writer()` 제공.
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- `Reader` — 같은 형태, `read_fn: fn(*void, []u8) -> !usize`.
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|
- `Writer`/`Reader`는 `*void`를 담으므로 필드 저장이 가능(2급 참조 아님). 대신 대상보다 오래 살면
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dangling이므로 **`Writer`를 만든 지역 스코프 밖으로 내보내지 않는 것**이 사용자 책임이며,
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`writer()` 메서드는 R8(참조 반환) 대상이 아니라 값 반환이라 컴파일러가 막지 않는다.
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v0.2에서 `dyn Writer`로 대체되면 이 구멍이 닫힌다.
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- **sys**: `exit`, `args`, `env`, `ticks`, `int21(regs)`, `dpmi_*`(bits32), `port_in/out`, `far_copy`(bits16).
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`io.File`은 `drop`에서 핸들을 닫는다. 이중 닫기는 소유권 규칙이 막는다.
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## 11. 컴파일러 구현
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### 11.1 부트스트랩 전략
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1. **컴파일러 A** — C89로 작성. Ferro → C 트랜스파일러. 호스트는 현대 PC 또는 DOS. 출력 C는 DJGPP(gcc, bits32) / Open Watcom(bits16, bits32) / Borland C(bits16)로 컴파일.
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2. **컴파일러 B** — Ferro로 A와 동일 구조를 재작성. A로 빌드.
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3. **셀프호스팅** — B로 B를 빌드. 그 결과로 다시 B를 빌드해 출력이 바이트 동일(fixpoint)하면 완료. A 폐기.
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4. **네이티브 백엔드** — B에 386 코드 생성기 추가, 이후 8086 코드 생성기.
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A는 버릴 코드다. 최적화하지 말고 B를 컴파일할 수 있는 최소 언어 부분집합만 지원한다.
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### 11.2 파이프라인
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```
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소스 → lexer → parser(AST) → resolve(이름/import) → check(타입)
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→ own(소유권·참조) → lower(소멸자/defer/try/for 전개 → LIR)
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→ emit_c(C 소스) [또는 emit_x86]
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```
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각 단계는 실패해도 가능한 한 진행해 에러를 모아 보고한다(문장 단위 복구).
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### 11.3 디렉터리
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```
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fec/
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src/
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lexer.c/h 토큰화. 위치(파일, 줄, 열) 보존.
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ast.c/h 노드 정의, 아레나 할당자.
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parser.c/h LL(1) 재귀하강. 에러 복구는 다음 ';' 또는 '}'까지 스킵.
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types.c/h 타입 인터닝(포인터 비교로 동등성), 레이아웃 계산(타깃별).
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resolve.c/h 스코프 체인, 심볼 테이블, import, .fei 읽기/쓰기.
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check.c/h 타입 검사, 리터럴 타입 결정, match 완전성, R4 위치 검사.
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own.c/h §11.5 알고리즘.
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lower.c/h AST → LIR. 소멸자/defer 삽입, try/catch/for/메서드 호출 전개.
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emit_c.c/h LIR → C. §11.4 규칙.
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generic.c/h 인스턴스 캐시, 토큰 재파싱.
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driver.c CLI, 유닛 의존 순서, .fei 캐시, 외부 C 컴파일러 호출.
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rt/ 런타임 (C): trap, 힙, 슬라이스 헬퍼, DPMI/INT21 shim
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std/ 표준 라이브러리 (.fe)
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tests/ §12
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```
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### 11.4 C 방출 규칙
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| Ferro | C |
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|---|---|
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| `i16`, `u32` 등 | `int16_t`, `uint32_t` (`<stdint.h>` 없으면 자체 typedef) |
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| `usize` | `uint16_t`(bits16) / `uint32_t`(bits32) |
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| `bool` | `unsigned char` |
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| `^T`, `*T` | `T*` |
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| `&T` | `const T*` |
|
|
| `&mut T` | `T*` |
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| `far X` | `__far X` (Watcom/Borland), bits32는 무시 |
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|
| `[N]T` | `struct { T a[N]; }` (값 의미론 유지, 붕괴 방지) |
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| `[]T` | `typedef struct { T* p; fe_usize n; } fe_slice_T;` |
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|
| `?T` (포인터류) | 원래 포인터, null 사용 |
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|
| `?T` (그 외) | `struct { unsigned char has; T v; }` |
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|
| `E!T` | `struct { uint16_t e; T v; }`, `!void`는 `uint16_t` |
|
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| struct | `struct fe_<unit>_<Name>` |
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| enum | `struct { uint8_t tag; union { ... } u; }` |
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|
| 함수 | `fe_<unit>_<name>`, 메서드는 `fe_<unit>_<Type>_<name>` |
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|
| 제네릭 인스턴스 | `fe_<unit>_<Name>__<타입인자맹글>` |
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세부:
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- **오버플로 검사**: `fe_add_i16(a, b, LINE)` 인라인 함수. `--no-checks`면 매크로가 `((a)+(b))`로 축약.
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- **경계 검사**: `fe_idx_T(s, i, LINE)` → `(i < s.n ? s.p[i] : (fe_trap_bounds(LINE), s.p[0]))`. `for` 루프는 직접 인덱스.
|
|
- **`try`**: `{ Ttmp t = expr; if (t.e) return (RetT){ t.e }; }` 후 `t.v` 사용. defer/소멸자가 있으면 return 전에 정리 코드 삽입.
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|
- **`catch`**: `t.e`가 참일 때 블록 실행, 바인딩 변수는 `t.e`.
|
|
- **`defer`/소멸자**: lower 단계에서 스코프 종료 지점(정상 흐름, `return`, `break`, `continue`, `try` 전파)마다 역순 호출을 명시적으로 삽입. C의 goto 라벨을 써도 되고 복제해도 된다(A는 복제, B는 goto 권장).
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|
- **조건부 이동**: 이동 여부가 분기에 따라 다르면 `unsigned char fe_live_<var> = 1;` 플래그 삽입, drop 전에 검사.
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- **`match`**: `switch (x.tag)`. 페이로드 바인딩은 지역 변수로 복사 또는 포인터.
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|
- **`asm`**: Intel 문법으로 고정 저장. Watcom/Borland는 그대로, gcc는 `__asm__(".intel_syntax noprefix\n" ...)`로 감싼다.
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- **`@print` 계열**: emit 단계에는 도달하지 않는다. lower 단계에서 이미 `fmt.write_*` 호출 나열로 전개되므로 emit_c는 일반 함수 호출로만 본다. 포맷 문자열 조각은 각각 static const 문자열 리터럴로 방출하고 동일 문자열은 중복 제거.
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- **방출 순서**: typedef 전방선언 → struct 정의(의존 위상 정렬) → 전역 → 함수 프로토타입 → 함수 본문.
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- 유닛 하나당 `.c` 하나, `.fei`에서 필요한 부분은 `.h`로 생성.
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### 11.5 own.c 알고리즘
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함수 단위. 각 지역 변수/파라미터에 상태:
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```
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Uninit | Owned | Moved | MaybeMoved | Shared(n) | Exclusive
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```
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1. AST를 문장 순서로 순회하며 상태 전이.
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2. 표현식 평가 시 lvalue 사용을 분류: 읽기 / 이동 / `&` 대여 / `&mut` 대여 / 쓰기.
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3. 이동: `Owned → Moved`. `Moved`/`MaybeMoved` 사용 시 에러(최초 이동 위치를 에러에 표시).
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|
4. `&x`: `Owned → Shared(n+1)`. `&mut x`: `Owned → Exclusive`. 해제는 참조 변수의 스코프 끝(임시 참조는 문장 끝).
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5. `Shared`/`Exclusive` 상태에서 쓰기/이동/재대여 시 에러(R6).
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6. **분기 합류**: `if`/`match`의 각 브랜치를 독립 상태로 계산 후 병합. `Owned` + `Moved` → `MaybeMoved`(사용 에러, drop은 런타임 플래그).
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7. **루프**: 본문을 2회 순회. 1회차 종료 상태를 진입 상태와 병합해 2회차 실행, 상태가 수렴하지 않으면(예: 첫 반복에서 이동) 에러.
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8. R4 위반(참조를 필드/반환/힙에 저장)은 own이 아니라 check 단계에서 **타입만 보고** 거부한다.
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9. R8(메서드 참조 반환)은 호출 결과를 바인딩하려는 시도를 check에서 거부.
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에러 메시지 형식: `file:line:col: error: <설명>` + 관련 위치 `file:line:col: note: <최초 이동/대여 위치>`.
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### 11.6 마일스톤
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| # | 내용 | 완료 기준 |
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|---|---|---|
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| M1 | lexer, parser, AST 덤프 | `--dump-ast`가 std 소스 전체를 파싱 |
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| M2 | 타입 검사 + C 방출: 정수, 함수, if, while | bits32 hello world 실행 |
|
|
| M3 | struct, enum, match, 배열, 슬라이스, 경계 검사, str | 문자열 처리 예제 통과 |
|
|
| M4 | **`@print`/`@fprint`/`@sprint` 빌트인** (§6.3.1), `io.Writer` 함수 포인터 struct | 포맷 출력 동작, 인자 개수·타입 불일치가 컴파일 에러 |
|
|
| M5 | `^T`, drop, defer, 이동 검사 | 누수/이중해제 테스트 통과 |
|
|
| M6 | `&`, `&mut`, 배타성 검사 (own.c 전체) | R1~R8 실패 테스트 통과 |
|
|
| M7 | `?T`, `E!T`, try/catch | io 유닛 동작 |
|
|
| M8 | 유닛/import/.fei, 분리 컴파일, std 초안 | 다중 유닛 프로그램 빌드 |
|
|
| M9 | **제네릭** (모노모피제이션) | `List(T)`, `Map(K,V)`를 Ferro로 재작성 |
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|
| M10 | bits16 타깃: far, `@seg_ptr`, 메모리 모델, asm, interrupt fn | DOSBox에서 VGA 데모 실행 |
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|
| M11 | 컴파일러 B를 Ferro로 작성, A로 빌드 | B가 M1~M10 테스트 통과 |
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|
| M12 | 셀프호스팅 fixpoint | B(B(B)) == B(B) 바이트 동일, A 폐기 |
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|
| M13 | 386 네이티브 백엔드 | gcc 없이 빌드, 컴파일 속도 10배 |
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|
| M14 | 8086 네이티브 백엔드 | Watcom 없이 bits16 빌드 |
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배치 근거:
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- **M4(포매팅)를 앞에 두는 이유**: 구현이 작고(check + lower 합쳐 300줄 안팎) 언어 표면에 새 개념을 추가하지 않는다. 이후 모든 마일스톤의 디버깅과 M11의 컴파일러 B 에러 출력이 여기에 의존한다.
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|
- **M9(제네릭)가 M10보다 앞인 이유**: 제네릭 없이 표준 라이브러리를 쓰는 기간을 최소화한다.
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|
- **인터페이스(`dyn`)는 마일스톤에 없다**: 부트스트랩 경로에 불필요하고(컴파일러 B는 인터페이스 없이 작성 가능), 타입 시스템 전반에 영향을 준다. §13의 v0.2 1순위로 미룬다. 그때까지 `io.Writer`/`io.Reader` 함수 포인터 struct로 대체한다.
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|
## 12. 테스트
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```
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tests/
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pass/*.fe + *.expected 컴파일→실행→stdout 비교
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fail/*.fe 첫 줄 "// ERROR:<line>:<메시지 일부>"
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run16/*.fe bits16 빌드 후 DOSBox 실행, 출력 파일 비교
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boot/ A/B 출력 비교, fixpoint 검증
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|
```
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- `fail/`은 규칙별 최소 3개: R1(이동 후 사용), R3(직접 drop 호출), R4(필드에 참조), R5(스코프 초과), R6(배타성 위반), R7(무효화), R8(참조 반환 바인딩), R9(unsafe 밖 raw 역참조), match 완전성, 암묵 변환, 타입 불일치.
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|
- 포매팅(§6.3.1) 전용 `fail/` 케이스: `{}` 개수 > 인자 개수, 인자 개수 > `{}` 개수, 미지원 verb(`{q}`), 런타임 값 포맷 문자열, 대응 `write_*` 없는 타입(예: struct), 닫히지 않은 `{`.
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|
- 포매팅 `pass/` 케이스: 각 verb 1개 이상, `{{` 이스케이프, 인자 0개, `@sprint` 반환 길이 검증, `@fprint`를 `io.buf_writer`로 호출.
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|
- 각 마일스톤은 해당 기능의 pass/fail 테스트와 함께 완료한다.
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|
- 회귀 실행: `make test` — 전 타깃 전 테스트.
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## 13. 의도적으로 제외한 기능
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**등급 정의**
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- `영구` — §1 철학과 정면 충돌. v2.0에서도 넣지 않는다.
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- `구조적 불가` — 넣으면 R4를 풀어야 하고 전역 분석이 생겨 셀프호스팅 목표가 깨진다. 이 언어의 정의상 불가.
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- `v0.2` — 넣을 예정. 순서 문제일 뿐 원칙 위반 아님.
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|
- `편의` — 원칙 위반 없음, 구현도 쉬움. 여유 생기면 아무 때나.
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| 기능 | 등급 | 제외 이유 | 대체 수단 |
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|---|---|---|---|
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| 트레잇/인터페이스 (`dyn`) | **v0.2 (1순위)** | 부트스트랩에 불필요, 타입 시스템 전반에 영향 | 함수 포인터 struct (`io.Writer`, §10) |
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| 클로저 | v0.2 | 캡처 = 참조 저장 = R4 위반 소지 | 콜백에 `ctx: *void` 전달 |
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| 연산자 오버로딩 | v0.2 (인터페이스 이후) | 숨은 비용. 넣더라도 특정 인터페이스 구현으로만 제한 | 메서드 |
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| 튜플 / 다중 반환 | 편의 | 이름 없는 필드는 가독성 손해 | struct |
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| 레이블 있는 break | 편의 | — | 플래그 변수 |
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| 슬라이스 패턴 매칭 | 편의 | — | 인덱스 비교 |
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| `inline fn` | 편의 | — | C 방출 시 `static inline` |
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| 라이프타임 표기 (`'a`) | **구조적 불가** | 전역 분석 필요, R4를 풀어야 함 | R4 (2급 참조), 인덱스 핸들 |
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| 스레드 | 구조적 불가 | DOS에 없음 | — |
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| 매크로 / 전처리기 | **영구** | 도구 지원과 컴파일 속도 파괴 | `const`, `comptime if`, 제네릭, `@print` |
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| 예외 | 영구 | 언와인딩 기반 시설 없음, 숨은 비용 | 에러 유니온 |
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| GC | 영구 | 결정적 비용 원칙 위반 | 소유권 + RAII + 아레나 |
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| 암묵 형변환 | 영구 | 버그 원인 1위 | `as` |
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| 상속 | 영구 | 숨은 vtable, 취약한 기반 클래스 | 합성 |
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### 13.1 인터페이스 설계 스케치 (v0.2 예정)
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지금 구현하지 않되, 나중에 `io.Writer` 함수 포인터 struct를 무리 없이 대체할 수 있도록 방향만 고정해 둔다.
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```fe
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pub interface Writer {
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fn write(self: &mut Self, buf: []u8) -> !usize;
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}
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impl Writer for File { ... }
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fn dump(w: &mut dyn Writer, data: []u8) -> !void { ... }
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dump(&mut file, buf); // &mut File → &mut dyn Writer 자동 변환
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```
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- `dyn I`의 표현은 `(ctx, vtable)` 팻 포인터. vtable은 `(인터페이스, 구현 타입)` 쌍마다 `static const` 하나.
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- **동적 디스패치 전용.** 제네릭 타입 제약(trait bound)으로는 쓸 수 없다 — 그걸 허용하면 전역 분석이 생긴다.
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- `&dyn I`는 참조이므로 R4가 적용된다(필드 저장 불가). 필드에 담으려면 `^dyn I`(힙 박싱).
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- `^dyn I`의 drop은 vtable 경유. 이 때문에 `?^dyn I`, drop 전개, 제네릭 인자로서의 `dyn` 등 타입 시스템 여러 곳에 케이스가 추가되므로 독립 마일스톤으로 다룬다.
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- 도입 시 `io.Writer`/`io.Reader`는 `dyn`으로 교체하고, 함수 포인터 struct 버전은 제거한다(`*void`가 만드는 dangling 구멍이 닫힌다).
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위 표에 없는 항목(링크타임 최적화, 디버그 정보 포맷, 언어 서버 등)은 도구 영역이며 v0.2 이후 별도 검토.
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