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未定義行為
鎖定
- 中文名
- 未定義行為
- 外文名
- undefined behavior
目錄
- 1 簡介
- 2 作用
- 3 C和C++的未定義行為的一些例子
未定義行為簡介
一些編程語言中，某些情況下存在未定義行為，以C和C++最為著名。在這些語言的標準中，規定某些操作的語義是未定義的，典型的例子就是程序錯誤的情況，比如越界訪問數組元素。標準允許語言的具體實現做這樣的假設：只要是匹配標準的程序代碼，就不會出現任何類似的行為。具體到 C/C++ 中，編譯器可以選擇性地給出相應的診斷信息，但沒有對此的強制要求：針對未定義行為，語言實現作出任何反應都是正確的，類似於數字邏輯中的無關項。雖然編譯器實現可能會針對未定義行為給出診斷信息，但保證編寫的代碼中不引發未定義行為是程序員自己的責任。這種假設的成立，通常可以讓編譯器對代碼作出更多優化，同時也便於做更多的編譯期檢查和靜態程序分析。
有時候也可能存在對於未定義行為本身的限制性要求。例如，在CPU的指令集説明中可能將某些形式的指令定為未定義，但如果該CPU支持內存保護，説明中很可能會還會包含一條兜底的規則，要求任何用户態的指令都不會讓操作系統的安全性受損；這樣一來，在執行未定義行為的指令時，就允許CPU破壞用户寄存器，但不允許發生諸如切換到監控模式的操作。
和未指定行為（unspecified behavior）不同，未定義行為強調基於不可移植或錯誤的程序構造，或使用錯誤的數據。一個匹配標準的實現可以在假定未定義行為永遠不發生（除了顯式使用不嚴格遵守標準的擴展）的基礎上進行優化，可能導致原本存在未定義行為（例如有符號數溢出）的程序經過優化後顯示出更加明顯的錯誤（例如死循環）。因此，這種未定義行為一般應被視為bug。
[1]
未定義行為作用
如果某一操作在文檔中被定為未定義行為，編譯器就可以假設該操作在匹配標準的程序中永遠不會發生。這樣，編譯器就可以得到更多的信息，獲得更多優化程序的機會。
例如這樣的C語言代碼：
int foo(unsigned char x)
{
int value = 2147483600; /* 假設 int 是 32 位 */
value += x;
if (value < 2147483600)
bar();
return value;
}
因為x是unsigned char不可能為負數，而C語言中有符號整數的溢出又是未定義行為，編譯器就可以假設執行if語句時value不可能小於 2147483600。因為這裏的if沒有副作用，條件也永遠不成立，所以編譯器就可以直接忽略if語句和對函數bar的調用。於是，上述代碼在語義上就等價於：
int foo(unsigned char x)
{
int value = 2147483600;
value += x;
return value;
}
如果有符號整數的溢出有明確的“環繞”行為，那麼這樣的程序轉化就是非法的。
代碼越複雜，類似的優化就越難被人類發現。如果代碼同時還有其它方面的優化，例如內聯，就更難發現了。
讓有符號整數溢出未定義還有另一個好處：存儲、操作變量的值時，可以在比變量本身更大的寄存器中進行。假設源代碼中變量的類型比原生寄存器的寬度要窄（比如常見的在64位機器上的int類型），那麼編譯器就可以在生成機器碼時把這個變量當作64位有符號數，對代碼的語義沒有任何影響。反之，如果32位有符號整數的溢出有明確定義，那麼在針對64位機器編譯時，編譯器就必須插入額外的邏輯確保行為匹配預期，因為大多數機器碼指令在溢出時行為與寄存器的寬度有關。
更重要的一點是，有符號整數溢出的行為未定義，允許在編譯期檢查、靜態程序分析、運行期檢查時捕捉這類錯誤的情況；如果溢出行為有明確定義，就無法進行編譯期檢查。
未定義行為C和C++的未定義行為的一些例子
嘗試修改字符串字面量會產生未定義行為：
char * p = "wikipedia"; // C++11中錯誤，C++98/C++03不推薦使用 p[0] = 'W'; // 未定義行為
char p[] = "wikipedia"; /* 正確 */ p[0] = 'W';
在C++可以使用[[標準模板庫]]中的string類型，如下所示：
std::string s = "wikipedia"; /* 正確 */ s[0] = 'W';
除以零會導致未定義行為。根據IEEE 754，float、double和long double類型的值除以零的結果是無窮大或NaN：
return x/0; // 未定義行為
某些指針操作可能導致未定義行為：
int arr[4] = {0, 1, 2, 3};
int* p = arr + 5; // 未定義行為
到達返回數值的函數（除main函數以外）的結尾，而沒有一個return語句，會導致未定義行為：
int f()
{
} /* 未定義行為 */
《C程序設計語言》在第2.12節引用下面的代碼作為未定義行為的例子：
printf("%d %d\n", ++n, power(2, n)); /* 未定義行為 */
以及
a[i] = i++; /* 未定義行為 */
標準庫可能指定未定義行為，例如：
int x = 1;
printf("%d\n", &x); /*未定義行為：%d預期int類型的實際參數*/
printf("%p\n", &x); /*未定義行為：%p預期void*類型的實際參數*/
printf("%p\n", (void*)&x); /*%p和void*類型的實際參數匹配，不在此引發未定義行為*/
