Analysera "tidsresor" i C++: Exempel i verkliga världen på odefinierat beteende som påverkar äldre kod

Förstå effekten av odefinierat beteende i C++

Odefinierat beteende i C++ påverkar ofta kod som utförs efter att det odefinierade beteendet inträffar och kan orsaka oförutsägbar programkörning. Odefinierat beteende kan dock "färdas tillbaka i tiden", vilket påverkar kod som exekveras före den problematiska raden, i vissa fall. Denna artikel undersöker faktiska, icke-fiktiva fall av sådant beteende, och visar hur odefinierat beteende i kompilatorer av produktionsklass kan resultera i oväntade resultat.

Vi kommer att utforska vissa scenarier där koden uppvisar avvikande beteende innan den stöter på odefinierat beteende, vilket tvivlar på uppfattningen att denna effekt sträcker sig bara till senare kod. Dessa illustrationer kommer att koncentrera sig på märkbara konsekvenser, inklusive felaktiga eller frånvarande utdata, vilket ger en inblick i krångligheterna med odefinierat beteende i C++.

En omfattande titt på C++:s odefinierade beteende

Genom att dela funktionen foo3(unsigned y, unsigned z) med noll i det första skriptet vill vi illustrera odefinierat beteende. bar() anropas av funktionen, som skriver ut "Bar anropad" innan programmet omedelbart avslutas med std::exit(0). Nästa rad, a = y % z, är avsedd att utföra en moduloperation som, i händelse av att z är noll, ger odefinierat beteende. För att efterlikna en situation där det odefinierade beteendet i foo3 påverkar exekveringen av kod som verkar köras innan det odefinierade beteendet inträffar, std::exit(0) kallas inom bar(). Denna metod visar hur anomalier kan uppstå om programmet avslutas abrupt innan det når den besvärliga linjen.

Det andra skriptet antar en något annorlunda strategi och simulerar odefinierat beteende inuti bar() metod med hjälp av en nollpekaredereferens. För att utlösa en krasch inkluderar vi linjen (volatile int*)0 = 0 här. Detta visar varför det är viktigt att använda volatile för att stoppa kompilatorn från att eliminera viktiga operationer genom optimering. Efter att ha använt bar() en gång till, funktionen foo3(unsigned y, unsigned z) provar moduloperationen a = y % z. Genom att ringa foo3(10, 0), orsakar huvudfunktionen målmedvetet det odefinierbara beteendet. Det här exemplet ger ett konkret exempel på "tidsresor" som orsakas av odefinierat beteende, och visar hur det kan störa programmets planerade genomförandeflöde och leda till att det avslutas eller beter sig oväntat.

#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;
}

Undersöker odefinierat beteende och kompilatoroptimeringar

När man talar om odefinierat beteende i C++ måste kompilatoroptimeringar tas med i beräkningen. Aggressiva optimeringstekniker används av kompilatorer som GCC och Clang för att öka effektiviteten och prestandan hos genererad kod. Även om dessa optimeringar är fördelaktiga, kan de ge oväntade resultat, särskilt när odefinierat beteende är inblandat. Kompilatorer kan till exempel ordna om, ta bort eller kombinera instruktioner på grund av att de inte kommer att bete sig på ett odefinierat sätt. Detta kan leda till konstiga programexekveringsmönster som inte är vettiga. Sådana optimeringar kan ha den oavsiktliga konsekvensen att orsaka "tidsresor"-effekten, där odefinierat beteende verkar påverka kod som utfördes före den odefinierade åtgärden.

Sättet som olika kompilatorer och dess versioner hanterar odefinierat beteende är en fascinerande funktion. Kompilatorers optimeringstaktik förändras när de blir mer avancerade, vilket resulterar i skillnader i hur odefinierat beteende uppträder. För samma odefinierade operation, till exempel, kan en viss version av Clang optimera ett stycke kod annorlunda än en tidigare eller senare version, vilket leder till olika observerbara beteenden. Det krävs en noggrann undersökning av kompilatorns interna funktion och de speciella situationer där optimeringarna används för att helt förstå dessa finesser. Följaktligen hjälper undersökning av odefinierat beteende både att utveckla kod som är säkrare och mer förutsägbar samt att förstå de grundläggande principerna för kompilatordesign och optimeringstekniker.

Avslutande av undersökningen av obestämt beteende

Att analysera odefinierat beteende i C++ illustrerar hur oväntade och häpnadsväckande programresultat kan bli resultatet av kompilatoroptimeringar. Dessa illustrationer visar hur odefinierat beteende, även före den felaktiga kodraden, kan ha oförutsedda effekter på hur koden exekveras. Det är viktigt att förstå dessa finesser för att kunna skriva pålitlig kod och effektivt använda kompilatoroptimeringar. Att hålla reda på dessa beteenden när kompilatorer ändras gör det möjligt för utvecklare att hålla sig undan problem och producerar mer tillförlitlig och konsekvent programvara.