为什么 -O2 或更大的 clang 优化会破坏此代码？

Question

我在网站上查看了类似的问题，但在这里找不到与我的情况相符的内容。这是我正在尝试的代码运行（需要 C++14）：

#include <iostream>
#include <chrono>
#include <thread>
using namespace std;

class countdownTimer {
public:
    using duration_t = chrono::high_resolution_clock::duration;

    countdownTimer(duration_t duration) : duration{ duration }, paused{ true } {}

    countdownTimer(const countdownTimer&)               = default;
    countdownTimer(countdownTimer&&)                    = default;
    countdownTimer& operator=(countdownTimer&&)         = default;
    countdownTimer& operator=(const countdownTimer&)    = default;

    void start() noexcept {
        if (started) return;
        startTime = chrono::high_resolution_clock::now();
        endTime = startTime + duration;
        started = true;
        paused = false;
    }

    void pause() noexcept {
        if (paused || !started) return;
        pauseBegin = chrono::high_resolution_clock::now();
        paused = true;
    }

    void resume() noexcept {
        if (!paused || !started) return;
        auto pauseDuration = chrono::high_resolution_clock::now() - pauseBegin;
        startTime += pauseDuration;
        endTime += pauseDuration;
        paused = false;
    }

    double remainingSeconds() const noexcept {
        auto ret = double{ 0.0 };
        if (!started) ret = chrono::duration_cast<chrono::duration<double>>(duration).count();
        else if (paused) ret = chrono::duration_cast<chrono::duration<double>>(duration - (pauseBegin - startTime)).count();
        else ret = chrono::duration_cast<chrono::duration<double>>(duration - (chrono::high_resolution_clock::now() - startTime)).count();
        return (ret < 0.0) ? 0.0 : ret;
    }

    duration_t remainingTime() const noexcept {
        auto ret = duration_t{ 0ms };
        if (!started) ret = chrono::duration_cast<duration_t>(duration);
        else if (paused) ret = chrono::duration_cast<duration_t>(duration - (pauseBegin - startTime));
        else ret = chrono::duration_cast<duration_t>(duration - (chrono::high_resolution_clock::now() - startTime));
        return (ret < 0ms) ? 0ms : ret;
    }

    bool isPaused() const noexcept { return paused; }

    bool hasFinished() const noexcept { return remainingTime() == 0s; }

    void reset() noexcept {
        started = false;
        paused = true;
    }

private:
    chrono::high_resolution_clock::time_point startTime;
    chrono::high_resolution_clock::time_point endTime;
    chrono::high_resolution_clock::time_point pauseBegin;
    duration_t duration;
    bool paused;
    bool started;
};

int main() {
    countdownTimer timer(10s);
    timer.start();

    while (!timer.hasFinished()) {
        cout << timer.remainingSeconds() << endl;
        this_thread::sleep_for(1s);
    }
}

这是我为我的一个项目编写的一个简单的倒数计时器 class。 main() 中的客户端代码是不言自明的，它应该输出从 10 到 0 的倒计时，然后退出程序。没有优化或 -O/-O1，它确实是这样的：

10
8.99495
7.98992
6.9849
5.97981
4.9748
3.96973
2.9687
1.9677
0.966752
Program ended with exit code: 0

但是如果我将优化升级到 >=-O2，程序只会一直输出 10，并且永远输出运行s。倒计时根本不起作用，一直卡在起始值。

我在 OS X 上使用最新的 Xcode。clang --version 说 Apple LLVM version 7.3.0 (clang-703.0.31)。

奇怪的是我的代码不包含任何奇怪的自写循环、未定义的行为或类似的东西，它几乎只是标准库调用，所以很奇怪优化会破坏它。

有什么想法吗？

PS：我还没有在其他编译器上尝试过，但我即将尝试。我将用这些结果更新问题。

Answer 1

bool started 未初始化。如果您将它初始化为 false，它会与 -O2:

一起工作

live example

您可以使用未定义行为清理器找到类似这样的错误：

$ g++ -std=c++14 -O2 -g -fsanitize=undefined -fno-omit-frame-pointer main.cpp && ./a.out

main.cpp:18:9: runtime error: load of value 106, which is not a valid value for type 'bool'

Answer 2

错误在您的构造函数中：

 countdownTimer(duration_t duration)
 : duration{ duration }, paused{ true } {}

您忘记初始化 started。当您调用 start().

时，这会触发未定义的行为

我可以方便地访问的任何 clang 版本都无法诊断此错误，但 GCC 版本 5 和 6（在 Linux 上 - 我的 Mac 上不再有 GCC）会:

$ g++ -O2 -Wall -Wextra -std=c++14 test.cc
test.cc: In function ‘int main()’:
test.cc:18:13: warning: ‘*((void*)& timer +33)’ is used uninitialized in this function [-Wuninitialized]
         if (started) return;
             ^~~~~~~
test.cc:74:20: note: ‘*((void*)& timer +33)’ was declared here
     countdownTimer timer(10s);
                    ^~~~~

（我的 Xcode 副本似乎有点过时，使用 Apple LLVM version 7.0.2 (clang-700.1.81)；它不会改变程序在 -O2 处的行为。有可能 如果您打开警告，您的 clang 会诊断出这个错误。）

（我已经在诊断中提交了一份关于 IR gobbledygook 的 bug report with GCC。）

为什么 -O2 或更大的 clang 优化会破坏此代码？

Why does -O2 or greater optimization in clang break this code?

c++

clang

compiler-optimization

chrono

c++14