Dapatkah cabang dengan perilaku tidak terdefinisi diasumsikan tidak dapat dijangkau dan dioptimalkan sebagai kode mati?

Perhatikan pernyataan berikut:

*((char*)NULL) = 0; //undefined behavior

Ini jelas memunculkan perilaku yang tidak terdefinisi. Apakah adanya pernyataan seperti itu dalam program tertentu berarti bahwa keseluruhan program tidak terdefinisi atau bahwa perilaku hanya menjadi tidak terdefinisi begitu aliran kendali mencapai pernyataan ini?

Apakah program berikut akan terdefinisi dengan baik jika pengguna tidak pernah memasukkan nomor 3?

while (true) {
 int num = ReadNumberFromConsole();
 if (num == 3)
  *((char*)NULL) = 0; //undefined behavior
}

Atau apakah itu perilaku yang sepenuhnya tidak terdefinisi, apa pun yang dimasukkan pengguna?

Selain itu, dapatkah kompilator berasumsi bahwa perilaku tidak terdefinisi tidak akan pernah dijalankan saat runtime? Itu akan memungkinkan untuk berpikir mundur dalam waktu:

int num = ReadNumberFromConsole();

if (num == 3) {
 PrintToConsole(num);
 *((char*)NULL) = 0; //undefined behavior
}

Di sini, kompilator dapat beralasan bahwa jika num == 3kita akan selalu memanggil perilaku tidak terdefinisi. Oleh karena itu, kasus ini tidak mungkin dilakukan dan nomornya tidak perlu dicetak. Seluruh ifpernyataan bisa dioptimalkan. Apakah penalaran mundur semacam ini diperbolehkan menurut standar?

Apakah adanya pernyataan seperti itu dalam program tertentu berarti bahwa keseluruhan program tidak terdefinisi atau bahwa perilaku hanya menjadi tidak terdefinisi begitu aliran kendali mencapai pernyataan ini?

Tidak keduanya. Kondisi pertama terlalu kuat dan yang kedua terlalu lemah.

Akses objek terkadang diurutkan, tetapi standarnya menggambarkan perilaku program di luar waktu. Danvil sudah mengutip:

jika eksekusi semacam itu mengandung operasi yang tidak ditentukan, Standar Internasional ini tidak mensyaratkan pelaksanaan yang menjalankan program itu dengan masukan itu (bahkan tidak berkaitan dengan operasi sebelum operasi pertama yang tidak ditentukan)

Ini dapat diartikan:

Jika eksekusi program menghasilkan perilaku tidak terdefinisi, maka seluruh program memiliki perilaku tak terdefinisi.

Jadi, unreachable statement dengan UB tidak berarti memberi UB program. Pernyataan yang terjangkau (karena nilai masukan) tidak pernah tercapai, tidak memberikan program UB. Itu sebabnya kondisi pertamamu terlalu kuat.

Sekarang, penyusun secara umum tidak bisa membedakan apa yang memiliki UB. Jadi untuk memungkinkan pengoptimal untuk mengatur ulang pernyataan dengan UB potensial yang akan diatur ulang jika perilakunya ditentukan, perlu untuk mengizinkan UB untuk "mencapai waktu kembali" dan salah sebelum titik urutan sebelumnya (atau di C ++ 11, bagi UB untuk mempengaruhi hal-hal yang diurutkan sebelum hal UB). Karena itu kondisi keduamu terlalu lemah.

Contoh utamanya adalah ketika pengoptimal mengandalkan aliasing yang ketat. Inti dari aturan aliasing yang ketat adalah untuk memungkinkan compiler untuk menata ulang operasi yang tidak dapat diurutkan ulang secara valid jika mungkin pointer yang dimaksud alias memori yang sama. Jadi jika Anda menggunakan penunjuk aliasing secara ilegal, dan UB memang terjadi, maka itu dapat dengan mudah memengaruhi pernyataan "sebelum" pernyataan UB. Sejauh menyangkut mesin abstrak, pernyataan UB belum dijalankan. Sejauh menyangkut kode objek yang sebenarnya, itu telah dijalankan sebagian atau seluruhnya. Namun standar tersebut tidak mencoba merinci apa artinya bagi pengoptimal untuk menyusun ulang pernyataan, atau apa implikasinya bagi UB. Itu hanya memberi lisensi implementasi untuk melakukan kesalahan segera setelah diinginkan.

Anda bisa menganggapnya sebagai, "UB memiliki mesin waktu".

Secara khusus untuk menjawab contoh Anda:

• Perilaku hanya tidak ditentukan jika 3 dibaca.
• Penyusun dapat dan memang menghilangkan kode sebagai mati jika blok dasar berisi operasi tertentu yang tidak ditentukan. Mereka diizinkan (dan saya kira begitu) dalam kasus-kasus yang bukan merupakan blok dasar tetapi di mana semua cabang mengarah ke UB. Contoh ini bukanlah kandidat kecuali PrintToConsole(3)diketahui pasti akan kembali. Itu bisa menimbulkan pengecualian atau apa pun.

Contoh serupa untuk yang kedua adalah opsi gcc -fdelete-null-pointer-checks, yang dapat mengambil kode seperti ini (saya belum memeriksa contoh khusus ini, anggap itu ilustrasi dari gagasan umum):

void foo(int *p) {
    if (p) *p = 3;
    std::cout << *p << '\n';
}

dan ubah menjadi:

*p = 3;
std::cout << "3\n";

Mengapa? Karena jika pnull maka kodenya memiliki UB, jadi kompilator mungkin menganggapnya bukan null dan mengoptimalkannya. Kernel linux tersandung ini ( https://web.nvd.nist.gov/view/vuln/detail?vulnId=CVE-2009-1897 ) pada dasarnya karena beroperasi dalam mode di mana dereferensi pointer nol tidak seharusnya menjadi UB, diharapkan menghasilkan pengecualian perangkat keras yang ditentukan yang dapat ditangani kernel. Saat pengoptimalan diaktifkan, gcc memerlukan penggunaan -fno-delete-null-pointer-checksuntuk untuk memberikan jaminan yang melebihi standar.

PS Jawaban praktis untuk pertanyaan "kapan perilaku yang tidak terdefinisi menyerang?" adalah "10 menit sebelum Anda berencana berangkat hari itu".

Status standar pada 1.9 / 4

[Catatan: Standar Internasional ini tidak memberlakukan persyaratan pada perilaku program yang mengandung perilaku tidak terdefinisi. - catatan akhir]

Hal yang menarik mungkin adalah apa artinya "berisi". Beberapa saat kemudian pada 1.9 / 5 dinyatakan:

Namun, jika eksekusi semacam itu mengandung operasi yang tidak ditentukan, Standar Internasional ini tidak mensyaratkan pelaksanaan yang menjalankan program itu dengan masukan itu (bahkan tidak berkaitan dengan operasi sebelum operasi pertama yang tidak ditentukan)

Di sini secara khusus menyebutkan "eksekusi ... dengan masukan itu". Saya akan menafsirkannya sebagai, perilaku tidak terdefinisi dalam satu kemungkinan cabang yang tidak dieksekusi saat ini tidak mempengaruhi cabang eksekusi saat ini.

Namun masalah yang berbeda adalah asumsi yang didasarkan pada perilaku tidak terdefinisi selama pembuatan kode. Simak jawaban Steve Jessop untuk lebih jelasnya tentang itu.

Contoh instruktif adalah

int foo(int x)
{
    int a;
    if (x)
        return a;
    return 0;
}

GCC saat ini dan Clang saat ini akan mengoptimalkan ini (pada x86) menjadi

xorl %eax,%eax
ret

karena mereka menyimpulkan bahwa xselalu nol dari UB di if (x)jalur kendali. GCC bahkan tidak akan memberi Anda peringatan use-of-uninitialized-value! (karena pass yang menerapkan logika di atas berjalan sebelum pass yang menghasilkan peringatan nilai yang tidak diinisialisasi)

Draf kerja C ++ saat ini mengatakan di 1.9.4 bahwa

Standar Internasional ini tidak membebankan persyaratan pada perilaku program yang mengandung perilaku yang tidak ditentukan.

Berdasarkan ini, saya akan mengatakan bahwa program yang berisi perilaku tidak terdefinisi pada jalur eksekusi apa pun dapat melakukan apa saja setiap kali eksekusinya.

Ada dua artikel yang sangat bagus tentang perilaku tidak terdefinisi dan apa yang biasanya dilakukan oleh kompiler:

• Panduan untuk Perilaku Tidak Terdefinisi di C dan C ++
• Yang Harus Diketahui Setiap Pemrogram C Tentang Perilaku Tidak Terdefinisi

Kata "perilaku" berarti sesuatu sedang dilakukan . Sebuah statemenr yang tidak pernah dieksekusi bukanlah "perilaku".

Sebuah ilustrasi:

*ptr = 0;

Apakah itu perilaku yang tidak terdefinisi? Misalkan kita 100% yakin ptr == nullptrsetidaknya sekali selama eksekusi program. Jawabannya harus ya.

Bagaimana dengan ini?

 if (ptr) *ptr = 0;

Apakah itu tidak ditentukan? (Ingat ptr == nullptrsetidaknya sekali?) Saya harap tidak, jika tidak, Anda tidak akan bisa menulis program yang berguna sama sekali.

Tidak ada orang srandard yang dirugikan dalam membuat jawaban ini.

Perilaku tidak terdefinisi menyerang ketika program akan menyebabkan perilaku tak terdefinisi apa pun yang terjadi selanjutnya. Namun, Anda memberi contoh berikut.

int num = ReadNumberFromConsole();

if (num == 3) {
 PrintToConsole(num);
 *((char*)NULL) = 0; //undefined behavior
}

Kecuali jika kompilator mengetahui definisinya PrintToConsole, ia tidak dapat menghapus if (num == 3)kondisional. Anggaplah Anda memiliki LongAndCamelCaseStdio.hheader sistem dengan deklarasi berikut ini PrintToConsole.

void PrintToConsole(int);

Tidak terlalu membantu, oke. Sekarang, mari kita lihat seberapa jahat (atau mungkin tidak begitu jahat, perilaku tidak terdefinisi bisa lebih buruk) vendor, dengan memeriksa definisi sebenarnya dari fungsi ini.

int printf(const char *, ...);
void exit(int);

void PrintToConsole(int num) {
    printf("%d\n", num);
    exit(0);
}

Kompilator sebenarnya harus berasumsi bahwa sembarang fungsi yang tidak diketahui oleh kompilator dapat keluar atau memunculkan pengecualian (dalam kasus C ++). Anda dapat melihat bahwa *((char*)NULL) = 0;tidak akan dieksekusi, karena eksekusi tidak akan dilanjutkan setelah PrintToConsolepanggilan.

Perilaku tidak terdefinisi menyerang kapan PrintToConsole benar-benar kembali. Kompilator mengharapkan ini tidak terjadi (karena ini akan menyebabkan program mengeksekusi perilaku tidak terdefinisi apapun yang terjadi), oleh karena itu apapun bisa terjadi.

Namun, mari pertimbangkan hal lain. Katakanlah kita melakukan pemeriksaan null, dan menggunakan variabel setelah pemeriksaan null.

int putchar(int);

const char *warning;

void lol_null_check(const char *pointer) {
    if (!pointer) {
        warning = "pointer is null";
    }
    putchar(*pointer);
}

Dalam hal ini, mudah untuk diperhatikan bahwa lol_null_checkmembutuhkan pointer non-NULL. Menetapkan ke warningvariabel non-volatile global bukanlah sesuatu yang dapat keluar dari program atau memunculkan pengecualian apa pun. Ini pointerjuga non-volatile, sehingga tidak dapat secara ajaib mengubah nilainya di tengah fungsi (jika ya, itu adalah perilaku yang tidak ditentukan). Panggilanlol_null_check(NULL) akan menyebabkan perilaku tidak terdefinisi yang dapat menyebabkan variabel tidak ditetapkan (karena pada titik ini, fakta bahwa program mengeksekusi perilaku tidak terdefinisi diketahui).

Namun, perilaku tidak terdefinisi berarti program dapat melakukan apa saja. Oleh karena itu, tidak ada yang menghentikan perilaku tidak terdefinisi dari kembali ke masa lalu, dan menghentikan program Anda sebelum baris pertama int main()eksekusi. Ini adalah perilaku yang tidak jelas, tidak harus masuk akal. Mungkin juga macet setelah mengetik 3, tetapi perilaku yang tidak ditentukan akan kembali ke masa lalu, dan macet bahkan sebelum Anda mengetik 3. Dan siapa tahu, mungkin perilaku yang tidak ditentukan akan menimpa RAM sistem Anda, dan menyebabkan sistem Anda macet 2 minggu kemudian, sementara program Anda yang tidak ditentukan tidak berjalan.

Jika program mencapai pernyataan yang memanggil perilaku tidak terdefinisi, tidak ada persyaratan yang ditempatkan pada keluaran / perilaku program apa pun; tidak peduli apakah mereka akan terjadi "sebelum" atau "setelah" perilaku tidak terdefinisi dipanggil.

Alasan Anda tentang ketiga cuplikan kode itu benar. Secara khusus, kompilator dapat memperlakukan pernyataan apa pun yang tanpa syarat memanggil perilaku tidak terdefinisi seperti yang diperlakukan oleh GCC __builtin_unreachable(): sebagai petunjuk pengoptimalan bahwa pernyataan itu tidak dapat dijangkau (dan karenanya, semua jalur kode yang mengarah tanpa syarat ke sana juga tidak dapat dijangkau). Pengoptimalan serupa lainnya tentu saja dimungkinkan.

Banyak standar untuk berbagai macam hal menghabiskan banyak usaha untuk menjelaskan hal-hal yang HARUS atau HARUS dilakukan oleh implementasi, menggunakan nomenklatur yang mirip dengan yang didefinisikan dalam IETF RFC 2119 (meskipun tidak harus mengutip definisi dalam dokumen itu). Dalam banyak kasus, deskripsi tentang hal-hal yang harus dilakukan implementasi kecuali dalam kasus di mana hal itu tidak berguna atau tidak praktis lebih penting daripada persyaratan yang harus dipatuhi oleh semua implementasi yang sesuai.

Sayangnya, Standar C dan C ++ cenderung menghindari deskripsi hal-hal yang, meskipun tidak 100% diperlukan, namun harus diharapkan dari implementasi berkualitas yang tidak mendokumentasikan perilaku yang berlawanan. Sebuah saran bahwa implementasi harus melakukan sesuatu dapat dilihat sebagai menyiratkan bahwa mereka yang tidak inferior, dan dalam kasus di mana umumnya akan jelas perilaku mana yang akan berguna atau praktis, versus tidak praktis dan tidak berguna, pada implementasi tertentu, ada sedikit kebutuhan yang dirasakan Standar untuk mengganggu penilaian tersebut.

Kompilator yang pintar dapat menyesuaikan dengan Standar sambil menghilangkan kode apa pun yang tidak akan berpengaruh kecuali ketika kode menerima input yang pasti akan menyebabkan Perilaku Tidak Terdefinisi, tetapi "pintar" dan "bodoh" bukanlah antonim. Fakta bahwa penulis Standar memutuskan bahwa mungkin ada beberapa jenis implementasi di mana berperilaku berguna dalam situasi tertentu tidak berguna dan tidak praktis tidak menyiratkan penilaian apa pun, apakah perilaku tersebut harus dianggap praktis dan berguna bagi orang lain. Jika suatu implementasi dapat mempertahankan jaminan perilaku tanpa biaya selain hilangnya peluang pemangkasan "cabang mati", hampir semua nilai yang dapat diterima kode pengguna dari jaminan tersebut akan melebihi biaya penyediaannya. Penghapusan cabang mati mungkin baik-baik saja dalam kasus di mana tidak perlu menyerah, Tetapi jika dalam situasi kode pengguna yang diberikan bisa ditangani hampir semua perilaku yang mungkin lain dari eliminasi mati-cabang, setiap upaya kode pengguna harus mengeluarkan menghindari UB kemungkinan akan melebihi nilai yang dicapai dari DBE.