[閒聊] 令人驚訝的未定義行為例子

[nh60211as (xXx_5354M3_31M0_xXx)]

原文： https://mohitmv.github.io/blog/Shocking-Undefined-Behaviour-In-Action/

看到一篇 C++ 未定義行為的簡單例子分享一下

簡單的有限迴圈變成無窮迴圈

1. #include <iostream>
2.
3. int main() {
4.   char buf[50] = "y";
5.   for (int j = 0; j < 9; ++j) {
6.     std::cout << (j * 0x20000001) << std::endl;
7.     if (buf[0] == 'x') break;
8.   }
9. }

編譯器： GCC 11.1.0
編譯選項： -Wall -Wextra -std=c++17 -pedantic-errors
https://wandbox.org/permlink/h1zB3mYSD3pCHiIV

使用以上編譯選項程式印出 9 次數字後就會正常結束
但是最佳化(-O2 或是 -O3)後執行會變成無窮迴圈
這是因為段程式碼有未定義行為(signed integer overflow)

由於編譯器在最佳化時可以假設 signed integer overflow 不會發生
編譯器會先將程式碼轉換為

1. for (int p = 0; p < 9 * 0x20000001; p += 0x20000001) {
2.   std::cout << p << std::endl;
3.   if (buf[0] == 'x') break;
4. }

接著把" p < 9 * 0x20000001 " 簡化為 true
因為 4,831,838,217 (9*0x20000001) 比 p 可能的最大值 INT_MAX 還大
所以結果永遠為 true

程式碼因此變成

1. for (int p = 0; true; p+=0x20000001) {
2.   std::cout << p << std::endl;
3.   if (buf[0] == 'x') break;
4. }

而形成無窮迴圈

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https://i.imgur.com/kCK9K0T.jpg

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→ Lipraxde: 原來 loop 優化會這樣做喔！(◎_◎;)
推 descent: 感謝分享
推 pinefruit: 有趣！感謝分享～
推 milkdragon: 推～～感謝分享
推 CaptainH: 一直很不理解這種"優化"道理何在
→ longlongint: 用常數先算好 把乘法拔掉而已
→ longlongint: 應該先講拔常數乘法 再講overflow 會比較順？
→ longlongint: 原po的寫法會讓人覺得編譯器在衝三小XD
→ nh60211as: 我也覺得怪怪的，可是如果直接把p < 9*0x20000001
→ nh60211as: 寫在 loop 條件裡編譯器會報 -Woverflow 警告，
→ nh60211as: 所以它最佳化的方法滿有它在銃三小的感覺
→ longlongint: 真的是衝三小耶
→ tinlans: 這是 -faggressive-loop-optimizations 在 cunroll 做的
→ tinlans: 事情，其實不用 -O3，用 -O1 編譯就看得見了，還會有警告
→ tinlans: ，有興趣的可以編譯時下 -fdump-tree-all-details 然後看
→ tinlans: 產生出來的 <file>.169t.cunroll 在做什麼，參考它前一步
→ tinlans: <file>.156t.copyprop3 的輸出做前後比對。
推 suhorng: @CaptainH 應該是典型的 induction variable elimination
→ suhorng: 跟其他最佳化互動造成的意外
→ suhorng: 畢竟程式原本沒有 undefined behavior 的話, 那換不換都
→ suhorng: 不應該造成意外的結果. 所以產生意外的互動只能怪程式
推 wulouise: 有UB就是程式有問題，所以會有什麼結果都不奇怪
推 OnlyRD: 所以都要 cpplint & cppcheck 過才能上，用cppchec
→ OnlyRD: k就抓出來了。
推 Killercat: 不知道這例子 把p宣告為volatile int有沒有幫助
推 LPH66: volatile 管的東西跟這個完全無關, 這並不是存取最佳化
→ LPH66: 而是計算上的最佳化, 加上一些因為 UB 而有的假設出現的
→ LPH66: 再提一次: UB = 編譯器可以方便行事, 假設不會有 UB