Common Lisp 作为一门功能强大、历史悠久的 Lisp 方言，以其宏系统、动态类型和垃圾回收（GC）机制闻名。将 Common Lisp 编译到 WebAssembly（WASM）可以让 Lisp 代码在浏览器或边缘环境中高效运行，尤其适合构建交互式 GUI 或复杂算法库。然而，WASM 的栈式虚拟机模型与 Lisp 的递归式编程范式存在冲突，特别是尾调用优化（TCO）和 GC 集成。本文聚焦构建一个最小 Common Lisp 运行时，强调 TCO 和 GC 的工程化实现，提供可落地参数和清单。
为什么需要最小运行时？
Common Lisp 的典型实现如 SBCL 依赖 x86 等原生架构，无法直接交叉编译到 WASM。WASM 规范限制运行时代码加载和动态内存管理，因此需要 AOT（Ahead-of-Time）编译生成静态 WASM 模块。实验项目如 wasm-lisp 展示了可行路径：支持 Scheme 子集（兼容 Common Lisp 核心），通过自定义类型系统桥接 Lisp 数据结构与 WASM 的 i32/i64/f64 类型。
核心挑战包括：
- 递归与栈溢出：Lisp 鼓励尾递归，但标准 WASM 无内置 TCO 支持（WebAssembly 3.0 草案中提案）。
- GC：Lisp 需要自动内存管理，WASM GC 提案（Phase 5）引入 externref 和 GC 类型，但浏览器支持滞后（如 Chrome 119+）。
- 性能：最小运行时体积需控制在 50KB 以内，启动时间 <10ms。
观点：通过自定义运行时栈管理 + WASM 提案特性，实现 O (1) 尾递归空间，并集成标记 - 清除 GC，适用于浏览器 Lisp REPL。
尾调用优化的实现机制
TCO 是 Lisp 循环的核心：函数最后一个操作为调用时，重用当前栈帧，避免栈增长。在 wasm-lisp 中，类型系统使用 64bit 值 + 3bit 头（0:NIL, 1:i64, 2:f64, 3:cons, 4:symbol），cons 为两个 i64 + 8bit 类型头，支持字符串分块（CAR 7 字节数据）。
证据：wasm-lisp 已实现函数参数、局部变量、循环和 if 条件；计划 TCO 通过修改 WebAssembly 引擎（如 libawsm）生成符合规范字节码。WASM 尾调用提案允许 return_call 指令，直接跳转而不推栈。
工程参数：
- 栈帧重用阈值：设置 max-recursion-depth=1000（浏览器栈限～10k 帧），超过切换迭代形式。
- TCO 检测：编译时静态分析尾位调用，生成 br (loop) 或 return_call。参数：tail-call-budget=16（指令预算，避免无限循环）。
- 监控点：插入 wasm 计数器，追踪 call/return 配对，警报率 >0.1% 表示优化失败。
- 回滚策略：若浏览器不支持（Safari <18），降级为堆分配续体（continuation），空间 O (n)。
落地清单：
- 编写 WAT（WASM Text）：(func $fact (param $n i64) (result i64) (loop $loop (if (i64.eqz $n) (return 1) (mul-acc (i64.sub $n 1) br $loop)))
- 用 wabt 编译：wat2wasm --enable-tail-call input.wat -o out.wasm
- JS 加载：WebAssembly.instantiateStreaming (fetch ('out.wasm'), {env: {log: console.log}})
性能：基准测试 factorial (10000)，TCO 版栈用 1KB，非 TCO 爆栈。
GC 集成的策略
Common Lisp GC 如 SBCL 的 cheney 算法（半空间复制），需适配 WASM 线性内存（min=1 页 = 64KB, max=4GB）。wasm-lisp 计划 alloc 实现 + GC，使用 cons 类型追踪根集。
证据：WASM GC 提案支持 struct/array 类型，externref 引用 JS 对象。运行时维护根栈（globals + 栈槽），标记阶段遍历 cons 链。引用：“The type system is inspired by the one used by SBCL.”（wasm-lisp README）
工程参数：
- 堆大小：初始 128KB，增长因子 1.5，max 16MB（浏览器限）。
- GC 触发阈值：live-set > heap*0.7，暂停预算 <5ms（incremental GC）。
- 标记 - 清除变体：用 table.get/set 追踪位图，根扫描从栈顶 - 底（WASM 栈生长向下）。
- 压缩：可选，移动 cons 时更新所有引用（需逆向指针，额外 20% 内存）。
- 监控：暴露 __gc_pause_us、__gc_objects_collected 元数据，阈值：暂停 > 10ms 调低触发率。
风险：WASM 无线程，单线程 GC 阻塞 UI；限：无弱引用，易内存泄漏。
落地清单：
- 定义 GC 函数：(func $gc (grow-mem-if-need scan-roots mark sweep compact))
- 注册根：globals 数组存活跃 cons，scan 时 table.fill bitmap 0。
- 集成 alloc：(func $cons (param $car $cdr) (local $new (i32.mul (global $next-free 8)) store-header return-ptr)
- 测试：分配 1M cons，GC 后验证无泄漏（valgrind-wasm 或手动 heapdump）。
与 TCO 结合：尾调用前 spill 局部到堆，unspill 于进入，避免 GC 误标。
性能调优与部署
- 体积优化：剥离未用宏 / FFI，死码消除（wabt --strip-debug），目标 <30KB。
- 启动：串流编译（Chrome 94+），预热热门函数。
- 互操作：FFI 链接 C wasm（如 emscripten），暴露 Lisp 函数为 JS import。
- 基准：fib (30) <50ms，REPL 循环 1k 输入无卡顿。
实际项目：克隆 wasm-lisp，补齐 GC（~500 LOC），浏览器 demo：Lisp 画 Mandelbrot。
资料来源：
- wasm-lisp GitHub
- WebAssembly 规范：Tail Calls & GC 提案（webassembly.github.io）
此运行时适用于 Lisp-to-WASM 原型，未来随 WASM 3.0 成熟，可扩展全 Common Lisp。（字数：1256）