Question

对于有符号和非负a，<< <<的值是 a * 2 ^b （如果可以用返回类型表示），否则行为是不确定的。

我的理解是，由于255 * 2 ²⁴不是可表示为int32_t的{{1}}的求值产生未定义的行为。那是对的吗？可以吗依赖于编译器？如果重要的话，这是IP16环境。

背景：来自an argument I am having，带有一个 arduino.stackexchange.com上的用户。据他说，“什么都没有完全没有定义”：

您会注意到，很多位移是“实现定义的”。因此，您不能在规格中引用章节。你得走了到GCC文档，因为那是唯一可以说明的地方你实际发生了什么。 gnu.org/software/gnu-c-manual/gnu-c-manual.html#Bit-Shifting- 负移位值只是“未定义”。

编辑：从目前的答案来看，我似乎对 C ++ 11标准是正确的。那么我的问题的关键是该表达式调用 gcc 中的未定义行为。正如davmac所说的在他的评论中，我问“ GCC是否是一种实现，行为，即使语言标准未对其进行定义也是如此。”

从我链接到的gcc手册看来，它确实已经定义好了，尽管我发现本手册的措词听起来更像是教程而不是“语言法”。摘自PSkocik的回答（以及Kane对此的评论答案），似乎它是未定义的。所以我还是有疑问。

我想我的梦想是在一些海湾合作委员会中发表明确的声明说明以下内容的文档：1）gcc没有定义任何行为在标准中明确未定义，或者2）gcc确实定义了 XX.XX版中的行为，并承诺保持所有定义后续版本。

编辑2 ：PSkocik删除了他的答案，我觉得很不幸，因为它提供了有趣的信息。从他的回答中，凯恩的评论答案和我自己的实验：

(int32_t) 255 << 24使用clang编译时会产生运行时错误和(int32_t)255<<24
即使使用g ++，同一代码也不会产生错误 -fsanitize=undefined
-fsanitize=undefined编译时确实给出了运行时错误 (int32_t)256<<24

第2点与gcc在C ++ 11模式下的解释一致，比标准更广泛地定义左移。根据第3点，这个定义可能只是C ++ 14定义。但是，第3点是 不一致与the referenced manual是一个该手册提供了gcc（C ++ 11模式）中g++ -std=c++11 -fsanitize=undefined的完整定义没有提示<<可能不确定。

Answer 1

随着时间的推移，这种情况发生了变化，这是有充分理由的，因此让我们回顾一下历史。请注意，在所有情况下，简单地定义static_cast<int>(255u << 24)都是行为。也许只是这样做并回避所有问题。

C++11的原始措辞是：

E1 << E2的值是E1个左移E2位的位置；空出的位为零。如果E1具有无符号类型，则结果的值为E1×2^E2，与结果类型中可表示的最大值相比，模减少了1。否则，如果E1具有带符号的类型且非负值，并且E1×2E2在结果类型中可表示，则为结果值；否则，行为是不确定的。

255 << 24在C ++ 11中是未定义的行为，因为结果值无法表示为32位带符号整数，它太大。

此未定义行为会引起一些问题，因为constexpr 必须诊断未定义行为-因此，一些常见的设置值方法会导致严重错误。因此，CWG 1457：

当前8.8 [expr.shift]第2段的措词使通过将（带符号的）1左移到符号位来创建给定类型的最负整数成为不确定的行为，即使这种情况并不罕见daccess-ods.un.org daccess-ods.un.org因此，该技术无法在大多数（二进制补码）体系结构上正常工作。因此，该技术不能在常量表达式中使用，否则将破坏大量代码。

这是针对C ++ 11的缺陷。从技术上讲，一个合格的C ++ 11编译器将实现所有缺陷报告，因此可以正确地说，在C ++ 11中，这是 not 未定义的行为。在C ++ 11中255 << 24的行为被定义为-16777216。

缺陷后的措辞可以在C++14中看到：

E1 << E2的值是E1个左移E2位的位置；空出的位为零。如果E1具有无符号类型，则结果的值为E1×2^E2，与结果类型中可表示的最大值相比，模减少了1。否则，如果E1具有带符号的类型且非负值，并且E1×2^E2可表示为结果类型的相应的无符号类型，则该值，转换为结果类型是结果值；否则，行为是不确定的。

C ++ 17中的措词/行为没有变化。

但是对于C ++ 20，由于Signed Integers are Two's Complement（及其wording paper）的结果，措辞为greatly simplified：

E1 << E2的值是E1×2^E2模2^N的唯一值，其中N是结果类型的范围指数。

255 << 24在C ++ 20中仍然定义了行为（具有相同的结果值），只是关于如何到达那里的规范变得更加简单，因为该语言不必围绕有符号整数的表示形式是实现定义的事实。

Answer 2

“未定义行为是标准没有要求的行为。”这意味着它甚至可能是预期/正确的行为。 C ++标准规定了移位运算符。

8.5.7 Shift运算符[expr.shift] （C ++标准草案N4713）


操作数应为整数或无范围枚举类型，并执行整数提升。结果的类型是提升后的左操作数的类型。如果右操作数为负，或者大于或等于提升后的左操作数的位长度，则该行为未定义。否则，如果E1具有带符号的类型且非负值，并且E1×2^E2在结果类型的相应无符号类型中可表示，则该值（转换为结果类型）就是结果值;否则，行为是不确定的。

正如@rustyx在下面指出的那样，“措词“ E1×2^E2在结果类型的相应无符号类型中是可表示的”是C++14。不幸的是，C++11中的UB仍然是。”

Answer 3

GNU C 编译器按照manual中的描述完全定义了左/右移位：

GCC仅支持两种补码整数类型，并且所有位模式均为普通值。

。。

作为C语言的扩展，GCC并不使用C99和C11中给出的纬度仅将带符号的“ <<”的某些方面视为未定义。但是，-fsanitize=shift（和-fsanitize=undefined）将诊断这种情况。它们还会被诊断为需要常量表达式的地方。

因此，这与您的发现相符-代码达到了您的期望，仅将诊断超出可用位（包括符号位）的溢出。

至于GNU C ++ 编译器，该文档似乎确实是lacking。我们只能猜测，尽管至少sanitizer似乎意识到了语言上的差异，但是尽管忽略了这一转变，但它在G ++中的工作方式与在GCC中的工作方式相同：

-fsanitize=shift

此选项使您可以检查移位操作的结果是否未定义。请注意，在C和C ++之间以及在ISO C90和C99等之间，确切地认为未定义的内容略有不同。

Answer 4

对于C ++ 14之前的C ++编译器，如果您具有这样的功能：

// check if the input is still positive,
// after a suspicious shift

bool test(int input)
{
    if (input > 0) 
    {
        input = input << 24;

        // how can this become negative in C++11,
        // unless you are relying on UB?

        return (input > 0); 
    }
    else 
    {
        return false;
    }
}

然后将允许一个优化的编译器将其更改为此：

bool test(int input)
{
    // unless you are relying on UB, 
    // input << 24 must fit into an int,
    // and input is positive in that branch

    return (input > 0);
}

每个人都很高兴，因为您在发行版本中获得了不错的加速。

但是，我不知道实际上对左移进行了此类优化的编译器，尽管将附加内容优化为seen in this example也是很普遍的。

是（int32_t）255 << 24 gcc（C ++ 11）中未定义的行为吗？

4 个答案: