Warum schließt C undefiniertes Verhalten aus konstanten Ausdrücken aus?

Warum konstante Ausdrücke undefiniertes Verhalten ausschließen

In C sind konstante Ausdrücke mathematische Ausdrücke, die zur Kompilierungszeit ausgewertet werden. Bei der Auswertung dieser Ausdrücke ist es wichtig, Fälle zu behandeln, in denen undefiniertes Verhalten (UB) auftreten könnte.

Die Ausschlussklausel

Der C-Standard gibt in Abschnitt 5.19 ausdrücklich einen Ausschluss für undefiniertes Verhalten an ein Kernkonstantenausdruck:

"...eine Operation, die undefiniertes Verhalten hätte [...] ist nicht berücksichtigt.“

Zweck des Ausschlusses

Diese Ausschlussklausel dient zwei Hauptzwecken:

1. Fehlererkennung zur Kompilierungszeit: Durch Ausschluss UB kann der Compiler Fehler im Zusammenhang mit UB zur Kompilierungszeit und nicht zur Laufzeit identifizieren und melden. Dies ermöglicht die frühzeitige Erkennung und Korrektur potenzieller Probleme.
2. Erleichterung von Tools zur Kompilierzeit: Der Ausschluss ermöglicht die Erstellung von Tools und Techniken, die konstante Ausdrücke zuverlässig nutzen können. Metaprogrammierungsbibliotheken können beispielsweise konstante Ausdrücke verwenden, um Berechnungen zur Kompilierungszeit durchzuführen, ohne undefiniertes Verhalten einzuführen.

Beispiel und Vorteile

Bedenken Sie den folgenden Ausdruck:

constexpr int x = std::numeric_limits<int>::max() + 1;

Ohne die Ausschlussklausel würde dieser Ausdruck als konstanter Ausdruck betrachtet, da er keine der explizit ausgeschlossenen Operationen beinhaltet. Allerdings würde es aufgrund eines Ganzzahlüberlaufs immer noch UB anzeigen.

Die Ausschlussklausel ermöglicht es dem Compiler, dieses UB zur Kompilierungszeit zu erkennen, wie unten gezeigt:

error: constexpr variable 'x' must be initialized by a constant expression
    constexpr int x = std::numeric_limits<int>::max() + 1 ;

SFINAE-Nutzung

Die Ausschlussklausel ermöglicht auch die Verwendung konstanter Ausdrücke in SFINAE (Substitution Failure Is Not An Error), um zu bestimmen, ob ein Ausdruck zur Kompilierungszeit UB verursachen würde. Das folgende Codefragment veranschaulicht beispielsweise, wie ein Ganzzahladditionsüberlauf erkannt wird:

template <typename T1, typename T2>
struct addIsDefined
{
    static constexpr bool isDefined()
    {
        return isDefinedHelper<T1, T2>(0);
    }

    template <T1 t1, T2 t2, decltype(t1 + t2) result = t1 + t2>
    static constexpr bool isDefinedHelper(int)
    {
        return true;
    }

    template <T1 t1, T2 t2>
    static constexpr bool isDefinedHelper(...)
    {
        return false;
    }
};

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Vorhandensein einer Ausschlussklausel für undefiniertes Verhalten in konstanten Ausdrücken es dem Compiler ermöglicht, UB zur Kompilierungszeit zu erkennen, was dies erleichtert die Entwicklung von sichererem und zuverlässigerem Code.

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