C++ での「タイムトラベル」の分析: 古いコードに影響を与える未定義の動作の実例

C++ における未定義の動作の影響を理解する

C++ の未定義の動作は、未定義の動作が発生した後に実行されるコードに頻繁に影響を及ぼし、予測できないプログラムの実行を引き起こす可能性があります。ただし、場合によっては、未定義の動作が「過去に遡って」、問題のある行より前に実行されるコードに影響を与える可能性があります。この論文では、そのような動作の実際の非架空のインスタンスを調査し、実稼働グレードのコンパイラでの未定義の動作がどのように予期しない結果を引き起こす可能性があるかを示します。

未定義の動作が実行される前にコードが異常な動作を示す特定のシナリオを調査し、この影響が後のコードにのみ及ぶという考えに疑問を投げかけます。これらの図は、不正確な出力や欠落した出力などの顕著な結果に焦点を当てており、C++ の未定義の動作の複雑さを垣間見ることができます。

C++ の未定義の動作の詳細な調査

機能を分けることで foo3(unsigned y, unsigned z) 最初のスクリプトでゼロを指定すると、未定義の動作が示されます。 bar() 関数によって呼び出され、プログラムを即座に終了する前に「バーが呼び出されました」と出力されます。 std::exit(0)。次の行では、 a = y % z、モジュラス演算を実行することを目的としています。 z ゼロの場合、未定義の動作が発生します。未定義の動作が発生する状況を模倣するため、 foo3 未定義の動作が発生する前に実行されると思われるコードの実行に影響を与えます。 std::exit(0) 内で呼び出されます bar()。この方法は、プログラムが問題のある行に到達する前に突然終了した場合にどのように異常が発生するかを示しています。

2 番目のスクリプトは、多少異なる戦略を採用し、内部の未定義の動作をシミュレートします。 bar() null ポインター逆参照を使用したメソッド。クラッシュを引き起こすために、次の行を含めます (volatile int*)0 = 0 ここ。これは、使用することが重要である理由を示しています。 volatile コンパイラーが最適化によって重要な操作を排除するのを停止します。 bar() をもう一度使用した後、関数は foo3(unsigned y, unsigned z) モジュラス演算を試みます a = y % z。電話することで foo3(10, 0)、 main 関数は意図的に定義できない動作を引き起こします。この例では、未定義の動作によって引き起こされる「タイムトラベル」の具体例を示し、それがプログラムの計画された実行フローをどのように妨害し、プログラムの終了や予期しない動作につながる可能性があるかを示します。

#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;
}

未定義の動作とコンパイラの最適化の調査

C++ の未定義の動作について話すときは、コンパイラの最適化を考慮する必要があります。積極的な最適化手法は、生成されたコードの効率とパフォーマンスを向上させるために、GCC や Clang などのコンパイラーによって使用されます。これらの最適化は有利ではありますが、特に未定義の動作が関係する場合には、予期しない結果が生じる可能性があります。たとえば、コンパイラは、命令が未定義の方法で動作しないという理由で、命令を再配置、削除、または結合する場合があります。これにより、意味をなさない奇妙なプログラム実行パターンが発生する可能性があります。このような最適化は、未定義の動作が未定義のアクションの前に実行されたコードに影響を与えるように見える「タイムトラベル」効果を引き起こすという意図しない結果を招く可能性があります。

さまざまなコンパイラとそのバージョンが未定義の動作を処理する方法は、魅力的な機能の 1 つです。コンパイラの最適化戦術は高度になるにつれて変化し、その結果、未定義の動作の現れ方に違いが生じます。たとえば、同じ未定義の操作でも、Clang の特定のバージョンでは、以前のバージョンまたは新しいバージョンとは異なる方法でコードの一部が最適化され、観察可能な動作が異なる場合があります。これらの微妙な点を完全に把握するには、コンパイラーの内部動作と、最適化が使用される特定の状況を詳しく調べる必要があります。したがって、未定義の動作を調査することは、より安全で予測可能なコードの開発と、コンパイラの設計と最適化手法の基本原則の理解の両方に役立ちます。

不確定な行動の調査の結論

C++ での未定義の動作を分析すると、コンパイラの最適化によって予期せぬ驚くべきプログラム結果がどのように生じる可能性があるかがわかります。これらの図は、コードの欠陥行以前であっても、未定義の動作がコードの実行方法に予期せぬ影響を与える可能性があることを示しています。信頼できるコードを作成し、コンパイラの最適化を効率的に使用するには、これらの微妙な点を理解することが不可欠です。コンパイラーが変更されたときにこれらの動作を追跡することにより、開発者はトラブルを回避し、より信頼性が高く一貫性のあるソフトウェアを作成することができます。