"Ceļojuma laikā" analīze programmā C++: reāli piemēri nenoteiktai uzvedībai, kas ietekmē vecāku kodu

Izpratne par nenoteiktas uzvedības ietekmi programmā C++

Nedefinēta darbība programmā C++ bieži ietekmē kodu, kas tiek izpildīts pēc nedefinētas darbības, un var izraisīt neparedzamu programmas izpildi. Tomēr nenoteikta darbība var "ceļot atpakaļ laikā", ietekmējot kodu, kas tiek izpildīts pirms problemātiskās rindas, noteiktos gadījumos. Šajā rakstā ir pētīti faktiskie, nefiktīvi šādas uzvedības gadījumi, parādot, kā nenoteikta rīcība ražošanas līmeņa kompilatoros var izraisīt negaidītus rezultātus.

Mēs izpētīsim noteiktus scenārijus, kuros kods uzrāda neparastu uzvedību pirms nenoteiktas darbības, radot šaubas par domu, ka šī ietekme attiecas tikai uz vēlāku kodu. Šajās ilustrācijās galvenā uzmanība tiks pievērsta pamanāmām sekām, tostarp neprecīzām vai neesošām izvadēm, piedāvājot ieskatu C++ nenoteiktas uzvedības sarežģītībā.

Plašs ieskats C++ nenoteiktajā uzvedībā

Sadalot funkciju foo3(unsigned y, unsigned z) ar nulli pirmajā skriptā, mēs vēlamies ilustrēt nedefinētu uzvedību. bar() tiek izsaukta funkcija, kas izdrukā "Bar sauc" pirms tūlītējas programmas pabeigšanas ar std::exit(0). Nākamā rinda, a = y % z, ir paredzēts, lai veiktu moduļa darbību, kas gadījumā, ja z ir nulle, rada nedefinētu uzvedību. Lai atdarinātu situāciju, kurā nenoteikta uzvedība foo3 ietekmē koda izpildi, kas, šķiet, tiek palaists pirms nenoteiktas darbības, std::exit(0) tiek saukts iekšā bar(). Šī metode parāda, kā var rasties anomālijas, ja programma pēkšņi beidzas, pirms tā sasniedz traucējošo līniju.

Otrais skripts izmanto nedaudz atšķirīgu stratēģiju, simulējot nedefinētu uzvedību bar() metodi, izmantojot nulles rādītāja atsauci. Lai izraisītu avāriju, mēs iekļaujam rindu (volatile int*)0 = 0 šeit. Tas parāda, kāpēc to ir ļoti svarīgi izmantot volatile lai neļautu kompilatoram novērst būtiskas darbības, izmantojot optimizāciju. Pēc atkārtotas bar() izmantošanas funkcija foo3(unsigned y, unsigned z) mēģina moduļa darbību a = y % z. Piezvanot foo3(10, 0), galvenā funkcija mērķtiecīgi izraisa nenosakāmu uzvedību. Šajā piemērā ir sniegts konkrēts "ceļošanas laikā" piemērs, ko izraisa nenoteikta uzvedība, parādot, kā tas var traucēt programmas plānotajai izpildes plūsmai un izraisīt tās pārtraukšanu vai negaidītu darbību.

#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;
}

Nedefinētas uzvedības un kompilatoru optimizāciju pārbaude

Runājot par nedefinētu uzvedību C++, ir jāņem vērā kompilatoru optimizācijas. Agresīvas optimizācijas metodes izmanto kompilatori, piemēram, GCC un Clang, lai palielinātu ģenerētā koda efektivitāti un veiktspēju. Pat ja šīs optimizācijas ir izdevīgas, tās var radīt negaidītus rezultātus, jo īpaši, ja ir iesaistīta nenoteikta rīcība. Piemēram, kompilatori var pārkārtot, noņemt vai apvienot norādījumus, pamatojoties uz to, ka tie nedarbosies nenoteiktā veidā. Tas var novest pie dīvainiem programmas izpildes modeļiem, kuriem nav jēgas. Šādai optimizācijai var būt neparedzētas sekas, kas izraisa "ceļošanas laikā" efektu, kurā nedefinēta darbība, šķiet, ietekmē kodu, kas tika veikts pirms nedefinētas darbības.

Veids, kā dažādi kompilatori un to versijas apstrādā nenoteiktu uzvedību, ir viena aizraujoša iezīme. Kompilatoru optimizācijas taktika mainās, kad tie kļūst arvien progresīvāki, kā rezultātā atšķiras veidi, kā parādās nedefinēta uzvedība. Piemēram, vienai un tai pašai nedefinētai darbībai konkrēta Clang versija var optimizēt koda fragmentu atšķirīgi no iepriekšējās vai jaunākās versijas, izraisot atšķirīgu novērojamo darbību. Lai pilnībā izprastu šīs smalkumus, ir rūpīgi jāizpēta kompilatora iekšējā darbība un konkrētās situācijas, kurās tiek izmantotas optimizācijas. Līdz ar to nedefinētas uzvedības izpēte palīdz gan izstrādāt drošāku un paredzamāku kodu, gan izprast kompilatoru projektēšanas un optimizācijas metožu pamatprincipus.

Nenoteiktas uzvedības ekspertīzes noslēgums

Nedefinētas uzvedības analīze programmā C++ parāda, kā kompilatora optimizācijas rezultātā var rasties negaidīti un pārsteidzoši programmas rezultāti. Šīs ilustrācijas parāda, kā nedefinēta rīcība pat pirms bojātās koda rindas var neparedzēti ietekmēt koda izpildi. Ir svarīgi izprast šīs smalkumus, lai rakstītu uzticamu kodu un efektīvi izmantotu kompilatoru optimizācijas. Sekojot līdzi šīm darbībām, kad kompilatori mainās, izstrādātāji var izvairīties no problēmām un radīt uzticamāku un konsekventāku programmatūru.