C++未定义行为

衡量一个人是否真正活着的根本方法,就是看他是否有意愿、有能力做出主动的选择。

在计算机程序设计中,未定义行为(undefined behavior)是指行为不可预测的计算机代码。这是一些编程语言的一个特点,最有名的是在C语言中。在这些语言中,为了简化标准,并给予实现一定的灵活性,标准特别地规定某些操作的结果是未定义的,这意味着程序员不能预测会发生什么事。

一个问题

此问题摘自知乎:

对顺序容器 ( vector ) 的访问:

  • 如果使用 operator[] 访问容器,下标越界是未定义行为。
  • 使用 at 访问,下标越界,则抛出一个 out_of_range 异常。

下标越界应该是明显错误的,但是为什么 C++ 标准选择把 operator[] 列为未定义行为,而加入at成员在对成员访问时进行下标检查?

同样摘取一些回答

回答一:

C++ 的设计理念之一,就是你不需要为你不使用的特性付出代价。如果你能确保你的下标不越界,C++就不会进行检查。

回答二:

检查就表示有运算判断的开销,C++将效率放在第一位,假设用户之前已经对[]访问的下标做过检查了,在一个大量访问的for循环中,但是vector还是自作聪明的每次都判断一次下标越界,这个效率影响你可想而知!你会不会在这个情况下骂它管的太多呢。所以说将所有的权利都交给你,vector不做太多自作聪明的处理。

什么是未定义

未定义行为(Undefined Behavior)是指语言标准未做规定的行为。同时,标准也从没要求编译器判断未定义行为,所以这些行为有编译器自行处理,在不同的编译器可能会产生不同的结果,又或者如果程序调用未定义的行为,可能会成功编译,甚至一开始运行时没有错误,只会在另一个系统上,甚至是在另一个日期运行失败。当一个未定义行为的实例发生时,正如语言标准所说,“什么事情都可能发生”,也许什么都没有发生。

下文会罗列C++中的一系列未定义结果和未定义行为,持续整理更新。

未定义的结果

1、当我们赋给带符号类型一个超出它表示范围的值时,结果是未定义的。
signed char c2 = 256; // c2的值是未定义的

2、函数体之内定义的变量:未初始化(uninitialized),其值undefined。

3、算术表达式有可能产生未定义的结果

  • 数学性质本身:除数为0
  • 计算机的特点:溢出;很多系统在编译和运行时都不报出溢出错误,像其他未定义的行为一样,溢出的结果是不可预知的。

未定义的行为

未定义行为,无法预估Runtime会发生什么(unpredictable:normal、crashing、incorrect results)。

1、解引用空指针、非法迭代器或者尾后迭代器都是未定义行为

2、访问一个无效数组索引,下标越界

3、当derived class对象经由一个base class指针被删除,而该base class带着一个non-virtual析构函数,其结果是未定义的。

  • 实际执行时通常发生的是对象的derived成员没有被销毁。

4、在两个异常同时存在的情况下,程序若不是结束执行就是导致未定义行为。

5、释放一个非new分配的内存,或者将相同的指针值释放多次,其行为是未定义的。

6、string s(s2,pos2); // s是string s2从下标pos2开始的字符拷贝,如果pos2>s2.size(),构造函数的行为未定义

7、试图比较两个无关地址是未定义行为

8、对于那些没有指定执行顺序的运算符来说,如果表达式指向并修改了同一个对象,将会引发错误并产生未定义的行为。

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int i=0;
cout<<i<<" "<<++i<<endl; /* 未定义 */
/* 编译器可能先求++i的值,再求i的值;也可能先求i的值,再求++i的值。注意与print函数的区别。 */
*beg=toupper(*beg++); /* 未定义 */

9、对有符号数进行左移操作可能会改变符号位的值,因此是一种未定义的行为。移位运算符右侧的运算对象一定不能为负,而且值必须严格小于结果的位数,否则就会产生未定义的行为。

10、使用static_cast将void*转换成其他类型指针,必须确保转换后所得的类型就是指针所指的类型。类型一旦不符,将产生未定义行为。

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double d;
void* p=&d;
double *dp=static_cast<double*>(p);

11、const_cast只能改变运算对象的底层const,如果对象本身是一个常量,使用const_cast执行写操作就会产生未定义行为。

12、不要使用get初始化另一个智能指针或为智能指针赋值,否则将会产生两个独立的shared_ptr指向相同的内存,这将产生未定义行为。

13、delete []p;如果忘记[],其行为是未定义的。 删除单一对象的指针加[],其行为也是未定义的。

参考文献


本文作者:ZeroJiu
本文链接: http://www.freehacker.cn/foundation/undefined-behavior/
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