[解決済み] なぜこのループは「warning: iteration 3u invokes undefined behavior」を生成し、4行以上出力するのでしょうか？

質問

これをコンパイルする。

#include <iostream>

int main()
{
    for (int i = 0; i < 4; ++i)
        std::cout << i*1000000000 << std::endl;
}

と gcc は以下のような警告を出します。

warning: iteration 3u invokes undefined behavior [-Waggressive-loop-optimizations]
   std::cout << i*1000000000 << std::endl;
                  ^

符号付き整数のオーバーフローがあるとのことですが。

私が理解できないのは、なぜ i の値は、そのオーバーフロー操作によって壊れているのですか？

の回答を読みました。 GCCを使用したx86で整数のオーバーフローが無限ループを引き起こすのはなぜですか？ については、まだよく分かっていません。 なぜ 未定義ということは、何が起きてもおかしくないということなのでしょうが、その根本的な原因は何なのでしょうか？ この特定の動作 ?

オンライン http://ideone.com/dMrRKR

コンパイラです。 gcc (4.8)

解決方法は？

符号付き整数のオーバーフロー（厳密には、符号なし整数のオーバーフローは存在しない）とは 未定義の動作 . そして、これは何でも起こりうるということであり、C++のルールの下でなぜそれが起こるのかを議論しても意味がないのです。

C++11のドラフトN3337。§5.4: ¹

式の評価中に、結果が数学的に定義されていない、または範囲内にない場合 その型に対して表現可能な値であれば、その動作はundefinedとなる。[注意：既存のC++の実装のほとんどは は整数のオーバーフローを無視する。ゼロによる除算、ゼロ除数を用いた余りの形成、およびすべての 浮動小数点例外はマシンによって異なり、通常はライブラリ関数で調整します。-注を終了する ]。

でコンパイルしたあなたのコードは g++ -O3 は警告を発します。 -Wall )

a.cpp: In function 'int main()':
a.cpp:11:18: warning: iteration 3u invokes undefined behavior [-Waggressive-loop-optimizations]
   std::cout << i*1000000000 << std::endl;
                  ^
a.cpp:9:2: note: containing loop
  for (int i = 0; i < 4; ++i)
  ^

このプログラムが何を行っているかを分析する唯一の方法は、生成されたアセンブリコードを読むことです。

以下は、完全なアセンブリリストです。

    .file   "a.cpp"
    .section    .text$_ZNKSt5ctypeIcE8do_widenEc,"x"
    .linkonce discard
    .align 2
LCOLDB0:
LHOTB0:
    .align 2
    .p2align 4,,15
    .globl  __ZNKSt5ctypeIcE8do_widenEc
    .def    __ZNKSt5ctypeIcE8do_widenEc;    .scl    2;  .type   32; .endef
__ZNKSt5ctypeIcE8do_widenEc:
LFB860:
    .cfi_startproc
    movzbl  4(%esp), %eax
    ret $4
    .cfi_endproc
LFE860:
LCOLDE0:
LHOTE0:
    .section    .text.unlikely,"x"
LCOLDB1:
    .text
LHOTB1:
    .p2align 4,,15
    .def    ___tcf_0;   .scl    3;  .type   32; .endef
___tcf_0:
LFB1091:
    .cfi_startproc
    movl    $__ZStL8__ioinit, %ecx
    jmp __ZNSt8ios_base4InitD1Ev
    .cfi_endproc
LFE1091:
    .section    .text.unlikely,"x"
LCOLDE1:
    .text
LHOTE1:
    .def    ___main;    .scl    2;  .type   32; .endef
    .section    .text.unlikely,"x"
LCOLDB2:
    .section    .text.startup,"x"
LHOTB2:
    .p2align 4,,15
    .globl  _main
    .def    _main;  .scl    2;  .type   32; .endef
_main:
LFB1084:
    .cfi_startproc
    leal    4(%esp), %ecx
    .cfi_def_cfa 1, 0
    andl    $-16, %esp
    pushl   -4(%ecx)
    pushl   %ebp
    .cfi_escape 0x10,0x5,0x2,0x75,0
    movl    %esp, %ebp
    pushl   %edi
    pushl   %esi
    pushl   %ebx
    pushl   %ecx
    .cfi_escape 0xf,0x3,0x75,0x70,0x6
    .cfi_escape 0x10,0x7,0x2,0x75,0x7c
    .cfi_escape 0x10,0x6,0x2,0x75,0x78
    .cfi_escape 0x10,0x3,0x2,0x75,0x74
    xorl    %edi, %edi
    subl    $24, %esp
    call    ___main
L4:
    movl    %edi, (%esp)
    movl    $__ZSt4cout, %ecx
    call    __ZNSolsEi
    movl    %eax, %esi
    movl    (%eax), %eax
    subl    $4, %esp
    movl    -12(%eax), %eax
    movl    124(%esi,%eax), %ebx
    testl   %ebx, %ebx
    je  L15
    cmpb    $0, 28(%ebx)
    je  L5
    movsbl  39(%ebx), %eax
L6:
    movl    %esi, %ecx
    movl    %eax, (%esp)
    addl    $1000000000, %edi
    call    __ZNSo3putEc
    subl    $4, %esp
    movl    %eax, %ecx
    call    __ZNSo5flushEv
    jmp L4
    .p2align 4,,10
L5:
    movl    %ebx, %ecx
    call    __ZNKSt5ctypeIcE13_M_widen_initEv
    movl    (%ebx), %eax
    movl    24(%eax), %edx
    movl    $10, %eax
    cmpl    $__ZNKSt5ctypeIcE8do_widenEc, %edx
    je  L6
    movl    $10, (%esp)
    movl    %ebx, %ecx
    call    *%edx
    movsbl  %al, %eax
    pushl   %edx
    jmp L6
L15:
    call    __ZSt16__throw_bad_castv
    .cfi_endproc
LFE1084:
    .section    .text.unlikely,"x"
LCOLDE2:
    .section    .text.startup,"x"
LHOTE2:
    .section    .text.unlikely,"x"
LCOLDB3:
    .section    .text.startup,"x"
LHOTB3:
    .p2align 4,,15
    .def    __GLOBAL__sub_I_main;   .scl    3;  .type   32; .endef
__GLOBAL__sub_I_main:
LFB1092:
    .cfi_startproc
    subl    $28, %esp
    .cfi_def_cfa_offset 32
    movl    $__ZStL8__ioinit, %ecx
    call    __ZNSt8ios_base4InitC1Ev
    movl    $___tcf_0, (%esp)
    call    _atexit
    addl    $28, %esp
    .cfi_def_cfa_offset 4
    ret
    .cfi_endproc
LFE1092:
    .section    .text.unlikely,"x"
LCOLDE3:
    .section    .text.startup,"x"
LHOTE3:
    .section    .ctors,"w"
    .align 4
    .long   __GLOBAL__sub_I_main
.lcomm __ZStL8__ioinit,1,1
    .ident  "GCC: (i686-posix-dwarf-rev1, Built by MinGW-W64 project) 4.9.0"
    .def    __ZNSt8ios_base4InitD1Ev;   .scl    2;  .type   32; .endef
    .def    __ZNSolsEi; .scl    2;  .type   32; .endef
    .def    __ZNSo3putEc;   .scl    2;  .type   32; .endef
    .def    __ZNSo5flushEv; .scl    2;  .type   32; .endef
    .def    __ZNKSt5ctypeIcE13_M_widen_initEv;  .scl    2;  .type   32; .endef
    .def    __ZSt16__throw_bad_castv;   .scl    2;  .type   32; .endef
    .def    __ZNSt8ios_base4InitC1Ev;   .scl    2;  .type   32; .endef
    .def    _atexit;    .scl    2;  .type   32; .endef

アセンブリを読むのもやっとの私でも addl $1000000000, %edi という行があります。 出来上がったコードは次のようになります。

for(int i = 0; /* nothing, that is - infinite loop */; i += 1000000000)
    std::cout << i << std::endl;

この@T.C.さんのコメント

というようなものではないかと思います。(1) なぜなら i が2より大きい場合、未定義の動作になる -> (2) i <= 2 最適化のために -> (3) ループ条件は常に真である -> (4) 最適化されて無限ループになる。

は、OPのコードのアセンブリコードと、未定義の動作がない次のコードのアセンブリコードを比較するアイデアを与えてくれました。

#include <iostream>

int main()
{
    // changed the termination condition
    for (int i = 0; i < 3; ++i)
        std::cout << i*1000000000 << std::endl;
}

そして実際、正しいコードは終了条件を持っています。

    ; ...snip...
L6:
    mov ecx, edi
    mov DWORD PTR [esp], eax
    add esi, 1000000000
    call    __ZNSo3putEc
    sub esp, 4
    mov ecx, eax
    call    __ZNSo5flushEv
    cmp esi, -1294967296 // here it is
    jne L7
    lea esp, [ebp-16]
    xor eax, eax
    pop ecx
    ; ...snip...

残念ながら、これがバグだらけのコードを書いた結果なのです。

幸いなことに、よりよい診断やデバッグのためのツールを利用することができます。

• すべての警告を有効にする

• -Wall は、すべての有用な警告を誤検出なく有効にするgccオプションです。これは、常に使用すべき最低限のものです。

• gccには他にも多くの警告オプションがあります。 で有効化されません。 -Wall 誤認識で警告する可能性があるからです。

• Visual C++は残念ながら、有用な警告を出す機能が遅れています。少なくとも、IDEはデフォルトでいくつか有効にしています。

• デバッグ用フラグを使用する

  • 整数のオーバーフローに対応 -ftrapv はオーバーフロー時にプログラムをトラップします。
  • Clangコンパイラはこの点で優れています。 -fcatch-undefined-behavior は、未定義の動作の多くのインスタンスをキャッチします（注。 "a lot of" != "all of them" )

私が書いたのではない、スパゲッティのようなプログラムを明日出荷する必要があるのです。HELP！！！111oneone

gccの -fwrapv

このオプションは、符号付き算術の加算、減算、乗算のオーバーフローは、2 進数の補数表現で折り返すと仮定するようにコンパイラに指示します。

¹ - このルールは、§3.9.1.4 に次のように書かれているように、"符号なし整数のオーバーフロー" には適用されません。

符号なしと宣言された符号なし整数は，算術のモジュロ2の法則に従わなければならない。 ⁿ ここで、nは そのサイズの整数の値表現におけるビットの数。

の結果、例えば UINT_MAX + 1 は数学的に定義されています - 算術のモジュロ2の規則によって ⁿ