在运行时调用代码中未调用的函数

程序包含未定义的行为,如取消引用空指针 (即呼叫 foo() 在main中没有为其分配有效地址 事先)是UB,因此本标准没有规定任何要求。

正在执行 format_disk 在运行时,当 未定义的行为已被命中,它与崩溃一样有效(如 使用GCC编译时)。好吧,但为什么叮当要这么做?如果你 在关闭优化的情况下编译,程序将不再输出 “格式化硬盘”,并将崩溃:

$ clang++ -std=c++17 -O0 a.cpp && ./a.out
Segmentation fault (core dumped)

此版本生成的代码如下所示:

main:                                   # @main
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        call    qword ptr [foo]
        xor     eax, eax
        pop     rbp
        ret

它尝试调用 foo 点和as foo公司 初始化为 nullptr (或者如果没有任何初始化, 情况仍然如此),其值为零。此处,未定义 行为被击中,所以任何事情都可能发生,程序 变得无用。通常,打电话到这样一个无效的地址 导致分段错误,因此我们在 执行程序。

现在,让我们检查同一个程序,但在以下方面进行优化:

$ clang++ -std=c++17 -O3 a.cpp && ./a.out
formatting hard disk drive!

此版本生成的代码如下所示:

never_called():                         # @never_called()
        ret
main:                                   # @main
        push    rax
        mov     edi, .L.str
        call    puts
        xor     eax, eax
        pop     rcx
        ret
.L.str:
        .asciz  "formatting hard disk drive!"

有趣的是,不知何故,优化修改了程序 main 电话 std::puts 直接地但为什么叮当这样做?为什么是 never_called 编译为单个 ret 指示

让我们回到标准(特别是N4660)上来。什么 它说的是未定义的行为吗?

3.27未定义的行为 [defns.undefined]

本文件未对其提出要求的行为

[注: 可能会出现未定义的行为 当本文件省略时 任何明确的行为定义或 当程序使用错误的 构造或错误数据。 允许的未定义行为范围 从…起 完全忽视情况 如果结果不可预测 翻译过程中的行为 或以文件化的方式执行程序 环境特征(无论是否签发 诊断消息),以终止转换或执行(使用 发出诊断消息)。许多错误的程序构造 不要产生未定义的行为;需要对其进行诊断。 常量表达式的求值永远不会显式显示行为 指定为未定义([表达式常量])。结束注释]

强调我的。

表现出未定义行为的程序变得无用,因为一切 到目前为止,它已经做了,并且将进一步做,如果它包含 错误的数据或构造。记住这一点,一定要记住 编译器可能会完全忽略未定义行为的情况 被命中,这实际上是在优化 程序例如 x + 1 > x (其中 x 是有符号整数)将优化为常数, true ,即使 x个 在编译时未知。推理 编译器希望针对有效的情况进行优化 该构造有效的方法是当它不触发算术时 溢出(即如果 x != std::numeric_limits<decltype(x)>::max() ). 这 是优化器中新学到的事实。基于此,构造为 经证明,评估结果总是正确的。

笔记 :无符号整数不能进行相同的优化,因为溢出整数不是UB。也就是说,编译器需要保持表达式的原样,因为当发生溢出时,它可能有不同的求值(无符号是模块2 ^N ,其中N是位数)。为无符号整数优化它将不符合标准(感谢aschepler)。

这很有用,因为它允许 tons of optimizations to kick in . 所以 很好,但如果 x个 在运行时保持其最大值? 嗯,这是一种未定义的行为,所以试图推理是毫无意义的 它,因为任何事情都可能发生,标准没有规定任何要求。

现在我们有足够的信息,以便更好地检查您的故障 程序我们已经知道访问空指针是未定义的 行为,这就是导致运行时出现有趣行为的原因。 所以,让我们试着理解为什么Clang(或技术上的LLVM)优化了 程序的运行方式。

static void (*foo)() = nullptr;

static void format_disk()
{
  std::puts("formatting hard disk drive!");
}

void never_called()
{
  foo = format_disk;
}

int main()
{
  foo();
}

记住你可以打电话 从未调用 在 主要的 进入 开始执行。例如,在声明顶级变量时, 您可以在初始化该变量的值时调用它:

void never_called();
int x = (never_called(), 42);

如果在程序中编写此代码段,则程序编号 较长时间显示未定义的行为 “硬格式 磁盘驱动器!" 显示,并启用或禁用优化。

那么这个程序有效的唯一方法是什么?有这个 never_caled 分配地址的函数 格式化磁盘 到 foo公司 ,所以我们可能 在这里找到一些东西。请注意 foo公司 标记为 static ,这意味着 具有内部链接,无法从此翻译外部访问 单元相反,功能 从未调用 具有外部链接,并且可能 从外部访问。如果另一个翻译单元包含代码段 与上面的一样,此程序也将生效。

很酷,但没人打电话 从未调用 从外面。即使这样 事实上,优化器认为这个程序 有效的条件是 从未调用 之前已调用 主要的 执行,否则 只是未定义的行为。这是一个新的已知事实,因此编译器假设 从未调用 实际上被称为。基于这些新知识,其他优化 踢进可以利用它。

例如,当 constant folding 是 应用时,它会看到 foo() 仅在以下情况下有效 foo公司 可以正确初始化。唯一的办法就是 从未调用 在这个翻译单元之外调用,所以 foo = format_disk .

Dead code elimination 和 interprocedural optimization 可能会发现如果 foo == format_disk ,然后是内部代码 从未调用 是不必要的, 所以函数的主体被转化为一个 ret公司 指示

Inline expansion 优化 看到了吗 foo==格式化磁盘 ,因此 foo公司 可以更换 用它的身体。最后,我们会得到这样的结果:

never_called():
        ret
main:
        mov     edi, .L.str
        call    puts
        xor     eax, eax
        ret
.L.str:
        .asciz  "formatting hard disk drive!"

这在某种程度上相当于启用优化的Clang的输出。当然,Clang真正做的可能(也可能)有所不同,但优化仍然能够得出相同的结论。

在对GCC的输出进行优化的情况下进行检查,似乎并不费心调查:

.LC0:
        .string "formatting hard disk drive!"
format_disk():
        mov     edi, OFFSET FLAT:.LC0
        jmp     puts
never_called():
        mov     QWORD PTR foo[rip], OFFSET FLAT:format_disk()
        ret
main:
        sub     rsp, 8
        call    [QWORD PTR foo[rip]]
        xor     eax, eax
        add     rsp, 8
        ret

执行该程序会导致崩溃(分段错误),但如果调用 从未调用 在main执行之前的另一个翻译单元中,该程序不再显示未定义的行为。

随着越来越多的优化被设计出来,所有这些都会发生疯狂的变化,因此不要相信编译器会处理包含未定义行为的代码,这也可能会把你搞砸(并真正格式化你的硬盘!)

我建议你阅读 What every C programmer should know about Undefined Behavior 和 A Guide to Undefined Behavior in C and C++ ,这两个系列文章都提供了丰富的信息,可能会帮助您了解最先进的技术。

除非实现指定尝试调用空函数指针的效果,否则它可能会表现为对任意代码的调用。这种任意代码的行为完全可以像调用函数“foo()”一样。虽然C标准的附录L要求实现区分“关键UB”和“非关键UB”,并且一些C++实现可能会应用类似的区分,但在任何情况下调用无效的函数指针都是关键UB。

请注意,这个问题中的情况与例如。

unsigned short q;
unsigned hey(void)
{
  if (q < 50000)
    do_something();
  return q*q;
}

在后一种情况下,当执行达到 return 语句,因此它也可以调用 do_something() 无条件地。虽然附件L写得很糟糕,但其意图似乎是禁止这种“优化”。然而,在调用无效函数指针的情况下,即使在大多数平台上直接生成的代码也可能具有任意行为。