如何鼓励 C 程序中的未定义行为/乱序执行?

Question

我正在阅读以下关于 C 中序列点的文章：https://www.geeksforgeeks.org/sequence-points-in-c-set-1/

其中有几个未定义行为的示例，例如调用两个修改单个全局变量的函数的表达式，或多次递增同一变量的单个表达式。

从理论上讲，我理解这个概念。 但是，无论我尝试运行示例多少次，行为都是相同的，并且永远不会"令人惊讶"。

为了亲身体验未定义的行为，让示例"令人惊讶"的最简单方法是什么？

(如果重要，我正在使用MINGW64。

Answer 1

这是我在短时间内能想到的最好的：

源代码：

#include <stdio.h>
int undefined(int *a, short *b)
{
*a = 1;
b[0] = 0;
b[1] = 0;
return *a;
}
int main()
{
int x;
short *y = (short*) &x;
int z = undefined(&x, y);
printf("%dn", z);
return 0;
}

使用 gcc 8.3 -O3 进行组装

undefined(int*, short*):
mov     DWORD PTR [rdi], 1
mov     eax, 1
mov     DWORD PTR [rsi], 0
ret
.LC0:
.string "%dn"
main:
sub     rsp, 8
mov     esi, 1
mov     edi, OFFSET FLAT:.LC0
xor     eax, eax
call    printf
xor     eax, eax
add     rsp, 8
ret

查看实际操作：https://godbolt.org/z/E0XDYt

特别是，它依赖于将int的地址强制转换为short*而导致的未定义行为，该操作违反了严格的混叠规则，因此会导致未定义的行为。

从undefined()的组装开始。 这假设由于a和b是不同的类型，它们不能重叠，因此它将return *a;优化为mov eax,1，即使如果它从内存中获取值，它实际上会返回零。 它在关闭优化的情况下执行此操作，因此这是仅在优化的发布版本中表现出来的真正阴险的问题之一，而不是在您尝试使用未优化的调试版本进行调试时。

但是，请注意main()中的代码如何尝试使其正确：它内联，然后优化对undefined()的调用，而是在对printf调用上方执行xor eax,eax时z假设0。 因此，它忽略了上面几行刚刚确定的返回值，而是使用不同的值。

总而言之，这是一个非常严重损坏的程序。 正是您因未定义的行为而冒的风险。

Answer 2

测试 gcc 和 clang 时，一个有用的模式是使用下标访问数组，这些下标的值在边界中，但编译器不知道，并使用标准描述为等同于下标表示法的指针语法。 测试 gcc 并使用类似以下内容进行 clang

：

struct S1 {int x;};
struct S2 {int x;};
union foo { struct S1 arr1[8]; struct S2 arr2[8]; } u;
uint32_t test1(int i, int j)
{
if (sizeof u.arr1 != sizeof u.arr2)
return -99;
if (u.arr1[i].x)
u.arr2[j].x = 2;
return u.arr1[i].x;
}
uint32_t test2(int i, int j)
{
if (sizeof u.arr1 != sizeof u.arr2)
return -99;
if ((u.arr1+i)->x)
(u.arr2+j)->x = 2;
return (u.arr1+i)->x;
}

将揭示，尽管标准将u.arr1[i].x和u.arr2[j].x的行为分别定义为等同于(u.arr1+i)->x和(u.arr2+j)->x，但gcc和clang在给定前者时错过了允许的优化机会，而后者则被利用。 这很可能是因为作者认识到利用前一个机会是允许的，但不可否认的是，这是愚蠢的，以至于迫使人们认识到该标准从未打算鼓励它所允许的所有优化。