Warum führt ein Ganzzahlüberlauf zu undefiniertem Verhalten und einer Endlosschleife in diesem C-Code?

Warum erzeugt diese Schleife „Warnung: Iteration 3u ruft undefiniertes Verhalten auf“ und gibt mehr als 4 Zeilen aus?

Das Problem rührt von der Ganzzahl her Überlauf. In der Schleife wird die Variable i mit einer großen Konstante (1.000.000.000) multipliziert, was einen Ganzzahlüberlauf verursacht. Ein Überlauf tritt auf, wenn das Ergebnis einer arithmetischen Operation den maximalen oder minimalen Wert überschreitet, den der zugrunde liegende Datentyp enthalten kann. Dies führt zu undefiniertem Verhalten, da die C-Sprachspezifikation es der Compiler-Implementierung überlässt, mit solchen Situationen umzugehen.

Warum wird der Wert von i durch den Überlaufvorgang beeinflusst?

Wenn ein Integer-Überlauf auftritt, gibt die C-Sprachspezifikation an, dass das Verhalten undefiniert ist, was bedeutet, dass alles passieren kann. In diesem speziellen Fall interpretiert der Compiler den übergelaufenen Wert möglicherweise als negative Zahl, was zu unerwarteten Ergebnissen in nachfolgenden Iterationen der Schleife führt.

Was ist die zugrunde liegende Ursache für dieses spezifische Verhalten?

Wenn in C und C ein Ganzzahlüberlauf auftritt, optimiert der Compiler möglicherweise die Schleife, indem er annimmt, dass i ≤ 2, da jede Iteration mit i größer als 2 undefiniert ist Verhalten. Diese Optimierung führt dazu, dass die Schleifenbedingung immer wahr ist, was zu einer Endlosschleife führt.

Assembly-Code-Analyse

Die Untersuchung des generierten Assembler-Codes offenbart ein entscheidendes Detail: das Fehlen einer Beendigungsbedingung für die Schleife. Im Assembler-Code für den fehlerhaften Code gibt es keine Vergleichs- oder Verzweigungsanweisung, die die Schleifenbeendigungsbedingung überprüft, was zu einer Endlosschleife führt. Im Assembler-Code für den korrigierten Code ist jedoch eine Beendigungsbedingung vorhanden, die die Endlosschleife verhindert.

Empfehlungen zum Debuggen und Vermeiden von undefiniertem Verhalten

Um solches zu vermeiden Bei Problemen ist es wichtig, alle nützlichen Warnungen zu aktivieren und Debug-Flags zum Debuggen zu verwenden. Beispielsweise hätte die Verwendung von -Wall (das alle nützlichen Warnungen aktiviert) und -ftrapv (das das Programm bei einem Überlauf abfängt) den Integer-Überlauf abgefangen und dazu beigetragen, die Endlosschleife zu verhindern. Darüber hinaus kann die Verwendung des Flags -fcatch-undefined-behavior von Clang mehr Fälle undefinierten Verhaltens erkennen und abfangen, obwohl nicht garantiert wird, dass alle davon abgefangen werden.

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