SystemSimulationApp/native/README.md

C 数值后端

MECMAS21 已支持静摩擦保持与脱离、高级低速区间和 Stribeck 过渡；内部摩擦状态随接受的事件更新并保存，BDF/RK45 共用该机制。LSTP00A、MECMAS21 弹性限位和 PNL0001/2/3 的本轮语义及 Amesim 实测范围见 功能验证报告。

后端 Python 校验 XML、检查连接、生成系统专用 C 并编译；独立 EXE 执行完整数值循环。原生运行不调用 Python。当前构建支持 Windows x64 和 Linux x86_64；Linux 使用静态链接的 SUNDIALS。

平台相关修改遵循 Windows 与 Linux 交付约定。缓存时间戳更新按 os.supports_follow_symlinks 检测运行平台能力，Windows 不支持该可选操作时对已校验的普通缓存目录使用常规 utime。缓存集成回归可在两平台使用真实工具链执行：python -m unittest tests.test_native_cache_storage tests.test_native_cache_platform -v；设置 SIMULATION_NATIVE_REQUIRE_TOOLCHAIN=1 时工具链缺失将失败而不会跳过。

启用网页后端

当前默认使用 native。也可在启动后端的 PowerShell 中显式设置：

$env:SIMULATION_NUMERIC_ENGINE = 'native'
$env:SIMULATION_NATIVE_CC = 'F:/Projects/mingw64/bin/gcc.exe'
$env:SUNDIALS_ROOT = 'F:/Anaconda/Library'
.venv-win/Scripts/python.exe -m uvicorn app.main:app --host 127.0.0.1 --port 8000

Linux 使用现有 Python 虚拟环境，并将 C 依赖独立放在 .venv/native/：

bash bat/setup-native-linux.sh
.venv/bin/python -m uvicorn app.main:app --host 127.0.0.1 --port 8000

脚本下载并校验固定版本 SUNDIALS 7.4.0，在本地构建静态库；不会安装系统包。构建器先读取 SUNDIALS_ROOT，未指定时查找当前 Python 环境的 native/sundials-7.4.0、/usr/local 和 /usr。Linux 安装需包含静态 .a 库；生成的 ELF 程序名为 model，不依赖 SUNDIALS 共享库或 Python。.venv/、app/data/ 和 test/ 均在 Git 忽略范围。

沿用 /api/system-xml/simulate 与 /api/system-xml/simulate-stream。native 遇到不支持的组件或方法时报告错误，不静默切换。旧 Python 后端已退役，显式选择 python 会报错。

bat/start-backend.bat、bat/start-backend.sh 及其 start-all 上层入口默认设置 native，保留明确指定的环境变量覆盖。直接通过 uvicorn 启动也使用相同的默认选择。启动日志显示所选内核；C 模式只检查工具链与 XML Schema，不再预热 SciPy 积分/代数求解器。工具链检查失败会记录启动诊断，编辑器仍可使用，提交仿真时会明确报错，不会自动调用 Python 数值后端。

通用诊断包含 stateCount、sampleCount。pressureFlow、stream 属于 Python 后端的可选诊断；C 后端不报告未计算的方程残差，网页仅在该值存在时显示它。

原生运行库已在本机 GCC 8.1 / SUNDIALS 7.4.0 验证。构建需要对应 C 头文件、导入库和 DLL，单纯安装 Python 包不能代替这些文件。构建器根据环境变量或当前 Python 基础环境查找 SUNDIALS，根据环境变量或 PATH 查找 GCC。

仿真结果分块存储

网页和 Python 原生运行入口将采样结果写入项目根目录的 simresults/run-<id>/，不依赖启动时的工作目录。每次运行保存 manifest.json、states.bin 与 outputs.bin；纯求解（--solve-only）不创建结果档案。此目录已加入 Git 忽略。

清单和返回诊断中的 directory 为相对项目根目录的 simresults/run-<id>，统一使用 /，directoryBase 为 project。读取时使用 result_storage.result_archive_path(id) 根据当前代码位置定位；旧清单中的绝对目录提示不参与定位。停止应用、移动或复制整个项目（保留 simresults）、重新启动后，结果随项目迁移。运行中传给原生进程的绝对路径由当前目录重新计算，不固定盘符或机器路径；不支持运行过程中移动项目目录。

• 容量：默认 1 GiB（1,073,741,824 字节），通过后端环境变量 SIMULATION_RESULT_STORAGE_MB 配置，单位 MiB，必须是正整数。例如 PowerShell 使用 $env:SIMULATION_RESULT_STORAGE_MB = '1024'，Linux 使用 export SIMULATION_RESULT_STORAGE_MB=1024。按文件逻辑字节计量，不包含文件系统分配单元的额外开销。
• 自动清理：写每个采样块前，为状态块及其未来输出块一起预留空间。总配额涵盖所有结果档案和元数据；空间不足时依次删除最早结束的非活动档案（异常退出且未结束的档案按创建时间排序）。跨进程锁保护配额分配和正在使用的档案。符号链接、目录联接及用户另外放入的文件不会被自动删除；这些内容仍计入目录用量。活动档案、孤儿但仍存活的工作进程被保留。旧结果属于可淘汰历史，需要长期保留的结果应导出另存。
• 空间仍不足：停止采样并报告 storage-quota，保留此前完整提交的块，不删除当前运行的数据，不悄悄丢样后继续报告成功。结果诊断 native.resultStorage 分别记录求解状态、状态/输出样本数、已存储到的时间及有效字节数；已存储时间可能早于求解器最终到达时间。
• 有限缓冲与背压：采样缓冲最多 1024 行，按状态和输出列数进一步限制到约 1 MiB（单行更大时至少容纳一行）。缓冲写满后复用；采用同步批量写入，磁盘慢时求解线程等待，没有无限增长的异步写入队列。求解结束后逐块计算和写入输出，再分块生成兼容 JSON，原生工作进程不分配完整历史状态或输出数组。
• 数值隔离：只替换结果记录缓冲，保留 RK45/CVODE 当前状态、稠密输出和事件定位数据。输出计算维持原先的结束后顺序，避免在求解过程中改变模型缓存。相同时间戳沿用原有“后值替换前值”规则，包括块边界。
• 取消与异常：正常取消、求解失败会补写最后一个不满的块。每块具有 CRC32 校验和提交标记；强制终止后可通过 result_storage.scan_blocks 扫描完整前缀，截断尾块和损坏块不计为有效样本。强制终止时尚未计算的输出不会被伪造，已有状态块仍保留。元数据通过临时文件替换发布；块完成执行 fflush，不逐块强制物理落盘，因此这不是断电零丢失承诺。

块格式为 SIMBLK01 + 四个小端 uint64（块序号、行数、列数、CRC32）+ 按列连续的小端 Float64 数据 + COMMIT01；每个块的第一列是时间。各文件的完整列顺序由清单的 metadata.stateColumns、metadata.outputColumns 指定；纯代数模型内部占位状态以 null 标记。公开状态和变量元数据仍保存在 metadata.stateKeys、metadata.variables。Windows/Linux 共用格式和 64 位文件偏移。

本阶段保留现有完整 JSON 传输和浏览器加载契约：后端返回结果和浏览器显示时仍可能加载完整数据。变量/时间范围查询和浏览器按需加载属于后续阶段；现有百万采样点保护仍保留。

回归入口（Windows 和 Linux 使用各自的 Python 环境）：

python -W error::ResourceWarning -m unittest tests.test_result_storage tests.test_native_sample_storage tests.test_native_result_transport tests.test_native_worker_control -v

独立生成与运行

.venv-win/Scripts/python.exe -m app.simulation.native_codegen tests/fixtures/native-skill-test.xml --output-dir test/native-v1/example-run --runs 3 --solve-only

输入支持 XML，或带普通算术表达式的工程 JSON。JSON 普通数字已经是 SI 值；算术表达式按编辑器所选单位换算，例如 3.14*10**2/4 mm2 转为 0.0000785 m2。较复杂的表达式应先在网页导出 XML。CLI 不执行任意 Python/JavaScript 表达式。

输出目录包含 input.xml、model-manifest.json、program/、预热和各次运行结果，以及 summary.json。program/ 包含 EXE、生成的模型 C/头文件、SUNDIALS DLL 和依赖声明，可以复制整目录独立运行：

test/native-v1/example-run/program/model.exe --method RK45 --start 0 --stop 10 --sample-step 0.02 --max-step 0.001 --rtol 1e-6 --output test/native-v1/standalone-result.json

EXE 不需要 Python、SciPy、XML 或原工程文件。DLL 需要与 EXE 一同保留。默认运行设置是 RK45、0–10 s、最大步长 0.001 s；按需要传入运行选项。

--solve-only 关闭轨迹采样，只输出最终状态与诊断。solveSeconds 是程序内部数值求解墙钟时间，包含求解必需的 RHS 和事件定位，排除模型初始化、求解结束后的结果投影与 JSON 写入；启用采样时包含积分期间分块写盘及等待配额的时间。processWallSeconds 另含进程启动与结果处理。预热一次后报告三次求解的中位数。

求解器外层终止行为

BDF 外层仅在 CVODE 返回负错误码、返回非法时间/状态或触发取消、实际超时及资源保护时结束。成功返回但时间暂时未变时保留求解器历史继续调用，不以重复次数判失败，也不人为推进时间或重启来跳过该段。持续不推进沿用当前整次求解的墙钟时限；默认 300 秒，Python 进程监控另有 5 秒退出宽限。用户取消后，进程仍不响应且被强制结束时返回取消状态，并明确没有完整结果文件，只保留最后一次进度报告。

独立结果的 solverControl（网页位于 diagnostics.native.solverControl）记录终止原因、操作、CVODE 返回码、同时间返回次数和最长连续次数，以及最后的内部时间与步长。CVODE 数值诊断仅用于 BDF。正常返回的 1 表示到达指定停止边界；非有限诊断数值写为 JSON null。取消/超时的原因不会被随后产生的 CVODE 回调错误覆盖。强制取消没有可信轨迹时，series/final 为空，未知求解统计不填零，statisticsComplete=false。

原八路 10.8 秒退出问题的对照复现、50 秒完成验证及异常分支测试见 封装修复验收报告。专项回归：python -m unittest tests.test_native_solver_control tests.test_native_worker_control -v。

雅可比分组差分与诊断

BDF 默认使用结构着色差分，无需环境变量或网页选项。修正八路的 132 个状态合并为 27 个扰动组，每次另算 1 次专用基准 RHS，共 28 次系统求值。普通积分 RHS、rtol=1e-8 和 Dense LU 沿用当前设置。用户已接受报告中的数值差异，正式网页与独立 C 程序采用同一默认策略。

旧 SIMULATION_NATIVE_JACOBIAN 选择器和 --jacobian dense|auto|verify 入口已删除。独立 C 程序仅保留无参数诊断标志 --verify-jacobian，它会逐次核对完整 canonical 雅可比矩阵，增加计算量，不用于速度测量。RK45 不构造雅可比。

无法证明结构、没有分组收益的模型继续使用必要的逐列差分；分组扰动失败时也保留 canonical 逐列恢复。这些是当前算法的兼容与恢复路径。当前启用及网页验证见 正式启用报告，机制、历史性能与误差见 试验报告。

能力与限制

• 已实现当前注册的 27 类组件：22 类 Amesim 公开组件（含空气、氦气两种介质定义）和 5 类实验组件。完整清单及验证说明见 组件覆盖记录。介质定义在编译期选择对应的 C 物性函数。
• 管路覆盖 PNL00R、PNL0001/2/3；阀覆盖 PNOR001、固定/信号开度 PNVO001 及面积/Cv/Kv 模式；连接件覆盖 PN3NODE2、P4NODE2、LMECHN1。支持串联阻力的压力求解、节点焓混合及温度参考、刚性质量合并、兼容管路容腔的等密度状态投影。
• MECMAS21 支持现有 Python 方程中的摩擦、风阻、柔性限位和 stoptype=1/2/3/4，含反弹系数与速度阈值；气腔和管路支持换热。LSTP00A 接受两种刚度模式及接触力符号模式，严格沿用当前组件方程。已有参数中尚未参与 Python 方程的物理效应不会在 C 端凭空补造，详见覆盖记录。
• 扩展编译器上限 1024 状态、16384 输出；无连续状态的信号系统使用隐藏常量状态驱动输出。气动网络必须有压力状态锚点；独立气腔之间不能无阻力直接相连。兼容固定管路容腔是已实现的合并例外。闭合未收敛或方程欠定时明确失败，不静默回退。
• 支持原生 RK45 与 CVODE BDF。CVODE 默认按可证明的结构启用着色差分，使用稠密线性求解；不支持分组的模型自动保留逐列差分。
• 网页和 Python CLI 默认 rtol=1e-8；生成的状态绝对误差限为质量 1e-14 kg、内能 1e-8 J、速度/位移 1e-12（各自 SI 单位）。独立 C 程序默认 rtol=1e-6，对照时应显式传入。CLI 可覆盖 rtol；本版不支持自定义 atol 或 first_step。不同积分器相同局部容差不保证全局曲线误差完全相同。
• 时间信号显式分段，塑性/反弹端挡用稠密插值定位并重启。试探 RHS 不修改已接受状态。柔性接触沿用现有分段力公式，不改变刚度或阻尼来提速。
• 每任务独立进程，支持进度、取消及超时。进程崩溃不会作为成功返回，受控失败保留最后接受状态。
• 编译缓存位于 app/data/native-builds/：models/<SHA>/ 保存完整模型，objects/<SHA>/ 保存可跨模型复用的模块目标文件。按当前模型使用的元件函数及其依赖选择模块，最多并行编译 4 个缺失单元。预处理后的实际 C 内容、工具链和编译选项组成对象键；完整模型键另含生成源码、组件合同及链接依赖。模型数值参数仍特化入 C，但仅重编受到影响的单元；时间、步长、rtol、采样选项仍是运行参数。
• 完整模型默认预算 256 MiB、对象预算 128 MiB，可分别设置非负整数环境变量 SIMULATION_NATIVE_MODEL_CACHE_MB、SIMULATION_NATIVE_OBJECT_CACHE_MB。按目录最近使用时间执行 LRU；活跃构建/运行及最后一个单独超额的条目保留并报告超额，因此是安全软上限。预算计算受管理文件的逻辑字节，不含旧版根级缓存、锁及文件系统元数据。
• 缓存读写带跨进程使用锁，命中时核验工件和身份，损坏缓存明确失败。对象复制到构建私有目录后再链接；模型使用锁一直保留到进程退出和结果读回。失败正常清理临时文件；进程被杀遗留的新格式构建目录在下一次清理时按锁状态回收。旧格式缓存保留，不自动迁移或删除，避免影响旧服务。
• Python 调用者若长期保留 NativeBuild，需在最后一次执行/打包后调用 build.close() 释放使用保护并触发清理；网页 runner 自动处理。返回的 buildDetails 区分完整命中、目标文件命中/编译次数、预处理、并行编译墙钟、编译任务耗时之和、链接和容量清理结果。

代码职责

后端启动后会异步执行原生环境自检，编辑器和 API 无需等待。首次检测失败后最多再重试 5 轮，共最多 6 次检测；每轮失败后等待 0.5 秒再开始下一轮，任一轮成功即停止。自检使用现有 SIMULATION_NATIVE_CC/PATH、SUNDIALS_ROOT 和默认探测方式，不写入机器专用编译器路径。它与正式构建共用编译选项和链接库，依次预处理、编译、链接并运行一个一状态 BDF 程序，核对已知解和成功标记；每轮都实际编译，不使用模型缓存。

GET /api/simulation/runtime-check 只读取本次启动自检的状态，返回当前阶段、轮次、结果和耗时，不触发新的检测。网页仿真控制台显示阶段变化；中间失败只提示未通过及正在重试，不展示报错详情，后端也不立即打印异常堆栈。全部检测失败后才显示最后一次的失败阶段、编译器、命令、工作目录、退出码及错误输出。进程未启动时退出码为 null；stdout/stderr 各保留最后 8000 字符。终态响应中的 attemptHistory 保留各轮结果、耗时和失败详情，便于追查首次故障；durationMs 是包括重试等待在内的总耗时，startedAt/finishedAt 使用 UTC 时间。

检测及重试期间每 0.5 秒查询，结束后停止定时查询；切回页面时读取一次结果以识别后端重启。提示明确描述“本次启动自检”，不代表持续的健康监测，也不改动仿真进度或阻断编辑器。检测通过仅表示本次工具链检查通过，不保证任意模型都能仿真成功。

Windows 使用 EXE 和与正式构建相同的 DLL 复制规则；Linux 使用现有静态库及链接分组规则。临时自检程序位于 app/data/native-runtime-checks/，正常完成、失败或取消后清理，避免 Linux /tmp 的 noexec 挂载产生误报。编译各阶段有 30 秒超时，运行有 10 秒超时；取消/超时会终止本次检测创建的进程树。既有 SIMULATIONAPP_WARMUP=off 仍可关闭检测，网页会明确提示已关闭。后台服务不会因普通自检失败而退出，也不会自动修改 PATH 或切换求解内核。

• app/simulation/native_codegen/input.py：CLI 输入适配。
• contracts.py：逐组件 C 实现版本白名单，新增模型或版本不会自动视为已支持。
• compiler.py / extended.py：能力检查、状态/输出布局、连接分组、常系数约束消元、C 生成。保留已验证的简单拓扑快速生成路径，两条路径均只运行 C 数值代码。
• build.py / modules.py / cache_storage.py：按需模块、两层编译缓存、完整性校验与有界 LRU；runner.py：隔离执行、使用保护与结果适配。
• native/components/modules/：物性、孔口、管路、机械和信号模块。kernels.c 仅供诊断的聚合入口，生产构建不再将聚合入口与模块重复编译。
• native/runtime/：RK45、CVODE 适配、事件定位、采样与 CLI。
• app/simulation/backends.py / results.py：共用执行入口与结果合同。

执行 .venv-win/Scripts/python.exe -m unittest tests.test_native_catalog tests.test_native_codegen tests.test_simulation_warmup 可验证全部注册合同、空气/氦气正反向流、换热/摩擦、节点和串联闭合、刚性与管路状态合并、反弹事件、纯信号系统、缓存、独立 EXE、取消及默认 C 的 XML 接口。新增组件库对照测试需要可用的 C 工具链。

Python 保留范围

• app/main.py、system_xml.py：HTTP、XML 校验与结果返回。
• registry.py、core/、components/、systems/network.py：参数、端口、介质常量、输出与方程结构声明；不执行模型数值公式。
• native_codegen/：生成系统 C、构建缓存、管理独立进程。
• config.py、sampling.py、results.py：配置、进度、采样合法性和结果合同。
• performance.py：Python 编排阶段计时，求解耗时读取 C 报告。

solvers/、systems/generic.py、旧示例、Python 物性/流量/机械公式和物性缓存已删除。数值回归读取 tests/baselines/native/native-python-reference.json 的 50 个网络、112 组冻结参考状态，不需要 Python 求解器。旧算法及历史对照资料可从 Git 历史找回。

测试安装：python -m pip install -r requirements-test.txt。完整数值测试需要 GCC 与 SUNDIALS；Windows x64 使用导入库/DLL，Linux x86_64 使用静态库。

AME 对齐后的工程输入

当前用户运行请使用 tests/data/test-mql-4-corrected.json 或 tests/data/test-mql-8-corrected.json。执行 XML 从当前 JSON 按需生成；原独立四路 XML 和 legacy 八路夹具已删除。历史八路 JSON/XML 在 tests/baselines/simulation/test_mql_8/sources/，其 AME 在 tests/data/AmesimModels/test_mql.ame，仅用于冻结基准核对，不能与当前 corrected 输入混用。路径、生成方式和测试入口见 测试文件说明。test-mql-4-amesim-reference.json 是曲线基准，不是工程输入。模型复核、P4 端口图形修正、默认 rtol=1e-8 的验收和速度记录见 本轮验证报告。

后续优化和网页计时默认使用修正后的八路工程；仅当八路无法运行且短期不能解决时退回四路。选择规则见 优化验证约定，当前效率、迭代触顶与网页分阶段记录见 八路评估报告。

结果传输与网页后处理

网页流式请求使用 C 的可选 --result-index 字节索引，Python 只解析小元数据，将原有 JSON 的 series 原样放入 NDJSON 结果事件；任务结果查询同样支持原样返回。独立 CLI 与默认同步调用仍返回普通 JSON/结果对象，JSON结构、积分和采样保持一致。前端结果保存改为打包 Float64 块的原子事务，CSV 由工作线程本地生成，兼容旧缓存及旧 HTTP CSV 接口。完整结果、取消与刷新回归及八路前后计时见 结果处理优化报告。

C结果的 series/final/finalState 现使用固定版本Ryu binary64编码及64 KiB批量写出；在精确回读前提下选择更短的普通/科学token，负零保留为 -0.0，非有限值或写出失败阻止索引发布。数字文本允许变化，索引元数据保持整数。嵌套Ryu头文件参与缓存哈希；源码和Boost许可随项目保留。本轮研究、逐位验证和八路网页前后计时见 C结果编码优化报告。