„Kelionių laiku“ analizė C++: realūs neapibrėžto elgesio pavyzdžiai, turintys įtakos senesniam kodui

Suprasti neapibrėžto elgesio poveikį C++

Neapibrėžtas elgesys C++ dažnai paveikia kodą, kuris atliekamas įvykus neapibrėžtam elgesiui, ir gali sukelti nenuspėjamą programos vykdymą. Tačiau neapibrėžtas elgesys gali „keliauti laiku atgal“, tam tikrais atvejais paveikdamas kodą, kuris vykdomas prieš probleminę eilutę. Šiame darbe nagrinėjami tikri, nefiktyvūs tokio elgesio atvejai, parodydami, kaip neapibrėžtas gamybinio lygio kompiliatorių elgesys gali sukelti netikėtų rezultatų.

Išnagrinėsime tam tikrus scenarijus, kai kodas rodo nenormalų elgesį prieš paleidžiant į neapibrėžtą elgesį, sukeldami abejonių, kad šis poveikis apima tik vėlesnį kodą. Šiose iliustracijose daugiausia dėmesio bus skiriama pastebimoms pasekmėms, įskaitant netikslias ar neesančias išvestis, ir suteikiamas žvilgsnis į neapibrėžto elgesio C++ programoje subtilybes.

Išsamus C++ neapibrėžto elgesio tyrimas

Padalijus funkciją foo3(unsigned y, unsigned z) nuliu pirmajame scenarijuje, norime iliustruoti neapibrėžtą elgesį. bar() iškviečiama funkcija, kuri išspausdina "Bar call" prieš akimirksniu baigdama programą std::exit(0). Kita eilutė, a = y % z, skirtas atlikti modulio operaciją, kuri tuo atveju, jei z yra nulis, sukelia neapibrėžtą elgesį. Siekiant imituoti situaciją, kai neapibrėžtas elgesys foo3 daro įtaką kodo vykdymui, kuris, atrodo, buvo paleistas prieš įvykstant neapibrėžtam elgesiui, std::exit(0) vadinamas viduje bar(). Šis metodas parodo, kaip gali atsirasti anomalijų, jei programa staiga baigiasi nepasiekusi varginančios linijos.

Antrasis scenarijus naudoja šiek tiek kitokią strategiją, imituodamas neapibrėžtą elgesį viduje bar() metodas, naudojant nulinės rodyklės nuorodą. Norėdami suaktyvinti avariją, įtraukiame eilutę (volatile int*)0 = 0 čia. Tai parodo, kodėl labai svarbu jį naudoti volatile neleisti kompiliatoriui pašalinti esmines operacijas optimizuojant. Dar kartą panaudojus bar(), funkcija foo3(unsigned y, unsigned z) bando modulio operaciją a = y % z. Paskambinus foo3(10, 0), pagrindinė funkcija tikslingai sukelia nenusakomą elgesį. Šiame pavyzdyje pateikiamas konkretus „kelionės laiku“ pavyzdys, kurį sukelia neapibrėžtas elgesys, parodantis, kaip tai gali trukdyti suplanuotam programos vykdymo srautui ir paskatinti ją nutrūkti arba netikėtai elgtis.

#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;
}

Neapibrėžto elgesio ir kompiliatoriaus optimizavimo tyrimas

Kalbant apie neapibrėžtą elgesį C++, reikia atsižvelgti į kompiliatoriaus optimizavimą. Agresyvius optimizavimo metodus naudoja kompiliatoriai, tokie kaip GCC ir Clang, kad padidintų sugeneruoto kodo efektyvumą ir našumą. Net jei šie optimizavimai yra naudingi, jie gali duoti netikėtų rezultatų, ypač kai tai susiję su neapibrėžtu elgesiu. Pavyzdžiui, kompiliatoriai gali pertvarkyti, pašalinti arba sujungti instrukcijas, remdamiesi tuo, kad jie nesielgs neapibrėžtai. Tai gali sukelti keistus programos vykdymo modelius, kurie neturi prasmės. Toks optimizavimas gali turėti nenumatytų pasekmių – sukelti „kelionės laiku“ efektą, kai atrodo, kad neapibrėžtas elgesys paveikia kodą, kuris buvo atliktas prieš neapibrėžtą veiksmą.

Tai, kaip įvairūs kompiliatoriai ir jų versijos tvarko neapibrėžtą elgesį, yra viena žavinga ypatybė. Kompiliatorių optimizavimo taktika keičiasi jiems tobulėjant, todėl skiriasi neapibrėžto elgesio būdai. Pavyzdžiui, tai pačiai neapibrėžtai operacijai tam tikra Clang versija gali optimizuoti kodo fragmentą kitaip nei ankstesnė ar naujesnė versija, todėl pastebimas skirtingas elgesys. Norint visapusiškai suvokti šias subtilybes, reikia atidžiai išnagrinėti vidinį kompiliatoriaus darbą ir konkrečias situacijas, kuriose optimizavimas naudojamas. Todėl neapibrėžto elgesio tyrimas padeda sukurti saugesnį ir labiau nuspėjamą kodą, taip pat suprasti pagrindinius kompiliatoriaus projektavimo ir optimizavimo metodus.

Neapibrėžto elgesio tyrimo pabaiga

Neapibrėžto elgesio analizė C++ rodo, kaip netikėti ir stulbinantys programos rezultatai gali atsirasti optimizuojant kompiliatorių. Šios iliustracijos parodo, kaip neapibrėžtas elgesys, net prieš sugedusį kodo eilutę, gali turėti nenumatytų padarinių kodo vykdymui. Norint parašyti patikimą kodą ir efektyviai išnaudoti kompiliatoriaus optimizavimą, būtina suprasti šias subtilybes. Stebėdami šiuos veiksmus, kai keičiasi kompiliatoriai, kūrėjai gali išvengti problemų ir sukurti patikimesnę ir nuoseklesnę programinę įrangą.