Analyse af "tidsrejser" i C++: Eksempler i den virkelige verden på udefineret adfærd, der påvirker ældre kode

Forstå virkningen af ​​udefineret adfærd i C++

Udefineret adfærd i C++ påvirker ofte kode, der udføres efter den udefinerede adfærd opstår, og kan forårsage uforudsigelig programkørsel. Udefineret adfærd kan dog "rejse tilbage i tiden", hvilket påvirker kode, der udføres før den problematiske linje, ifølge visse tilfælde. Dette papir undersøger faktiske, ikke-fiktive tilfælde af sådan adfærd, og viser, hvordan udefineret adfærd i compilere i produktionsgrad kan resultere i uventede resultater.

Vi vil udforske visse scenarier, hvor kode udviser afvigende adfærd, før den løber ind i udefineret adfærd, hvilket sår tvivl om, at denne effekt kun strækker sig til senere kode. Disse illustrationer vil koncentrere sig om mærkbare konsekvenser, herunder unøjagtige eller fraværende output, hvilket giver et indblik i forviklingerne af udefineret adfærd i C++.

Et omfattende kig på C++'s udefinerede adfærd

Ved at dividere funktionen foo3(unsigned y, unsigned z) med nul i det første script ønsker vi at illustrere udefineret adfærd. bar() kaldes af funktionen, som udskriver "Bar kaldet", før du øjeblikkeligt afslutter programmet med std::exit(0). Den næste linje, a = y % z, er beregnet til at udføre en moduloperation, der i tilfælde af at z er nul, producerer udefineret adfærd. For at efterligne en situation, hvor den udefinerede adfærd i foo3 påvirker udførelsen af ​​kode, der ser ud til at blive kørt, før den udefinerede adfærd sker, std::exit(0) kaldes indeni bar(). Denne metode viser, hvordan uregelmæssigheder kan opstå, hvis programmet afsluttes brat, før det når den besværlige linje.

Det andet script vedtager en noget anderledes strategi, der simulerer udefineret adfærd inde i bar() metode ved brug af en nul pointer dereference. For at udløse et nedbrud inkluderer vi linjen (volatile int*)0 = 0 her. Dette viser, hvorfor det er afgørende at bruge volatile at forhindre compileren i at eliminere afgørende operationer gennem optimering. Efter at have brugt bar() endnu en gang, vil funktionen foo3(unsigned y, unsigned z) prøver moduloperationen a = y % z. Ved at ringe foo3(10, 0), forårsager hovedfunktionen målrettet den udefinerbare adfærd. Dette eksempel giver et konkret eksempel på "tidsrejser" forårsaget af udefineret adfærd, og demonstrerer, hvordan det kan forstyrre programmets planlagte udførelsesflow og få det til at afslutte eller opføre sig uventet.

#include <iostream>
void bar() {
    std::cout << "Bar called" << std::endl;
    std::exit(0);  // This can cause undefined behaviour if not handled properly
}
int a;
void foo3(unsigned y, unsigned z) {
    bar();
    a = y % z;  // Potential division by zero causing undefined behaviour
    std::cout << "Foo3 called" << std::endl;
}
int main() {
    foo3(10, 0);  // Triggering the undefined behaviour
    return 0;
}

#include <iostream>
int a;
void bar() {
    std::cout << "In bar()" << std::endl;
    // Simulate undefined behaviour
    *(volatile int*)0 = 0;
}
void foo3(unsigned y, unsigned z) {
    bar();
    a = y % z;  // Potentially causes undefined behaviour
    std::cout << "In foo3()" << std::endl;
}
int main() {
    foo3(10, 0);  // Triggering undefined behaviour
    return 0;
}

Undersøgelse af udefineret adfærd og compileroptimeringer

Når man taler om udefineret adfærd i C++, skal compileroptimeringer tages i betragtning. Aggressive optimeringsteknikker bruges af compilere som GCC og Clang for at øge effektiviteten og ydeevnen af ​​genereret kode. Selvom disse optimeringer er fordelagtige, kan de give uventede resultater, især når udefineret adfærd er involveret. Compilere kan for eksempel omarrangere, fjerne eller kombinere instruktioner med den begrundelse, at de ikke opfører sig på en udefineret måde. Dette kan føre til mærkelige programudførelsesmønstre, der ikke giver mening. Sådanne optimeringer kan have den utilsigtede konsekvens, at de forårsager "tidsrejse"-effekten, hvor udefineret adfærd ser ud til at påvirke kode, der blev udført før den udefinerede handling.

Den måde, som forskellige compilere og dens versioner håndterer udefineret adfærd, er en fascinerende funktion. Kompileres optimeringstaktikker ændrer sig, efterhånden som de bliver mere avancerede, hvilket resulterer i forskelle i den måde, udefineret adfærd fremstår på. For den samme udefinerede operation, for eksempel, kan en bestemt version af Clang optimere et stykke kode anderledes end en tidligere eller senere version, hvilket fører til forskellig observerbar adfærd. Det kræver en nøje undersøgelse af compilerens interne funktion og de særlige situationer, hvor optimeringerne bruges til fuldt ud at forstå disse finesser. Undersøgelse af udefineret adfærd hjælper derfor både med at udvikle kode, der er sikrere og mere forudsigelig, samt at forstå de grundlæggende principper for compilerdesign og optimeringsteknikker.

Afslutning af undersøgelsen af ​​ubestemt adfærd

At analysere udefineret adfærd i C++ illustrerer, hvordan uventede og opsigtsvækkende programresultater kan være resultatet af compiler-optimeringer. Disse illustrationer viser, hvordan udefineret adfærd, selv før den defekte kodelinje, kan have uforudsete effekter på, hvordan kode udføres. Det er vigtigt at forstå disse finesser for at skrive pålidelig kode og gøre effektiv brug af compiler-optimeringer. At holde styr på denne adfærd, når compilere ændres, gør det muligt for udviklere at holde sig ude af problemer og producerer mere pålidelig og konsekvent software.