程序在在线 IDE 上表现异常

Question

我遇到了下面的 C++ 程序 (source):

#include <iostream>
int main()
{
    for (int i = 0; i < 300; i++)
        std::cout << i << " " << i * 12345678 << std::endl;
}

它看起来像一个简单的程序，并在我的本地机器上给出了正确的输出，例如：

0 0
1 12345678
2 24691356
...
297 -628300930
298 -615955252
299 -603609574

但是，在像 codechef 这样的在线 IDE 上，它会给出以下输出：

0 0
1 12345678
2 24691356
...
4167 -95167326
4168 -82821648
4169 -7047597

为什么 for 循环不在 300 处终止？此外，该程序总是在 4169 上终止。为什么 4169 而不是其他值？

Answer 1

您可能在 for 循环中的第 174 次迭代中调用 undefined behavior，因为最大 int 值可能是 2147483647，但 174 * 123456789 表达式的计算结果为2148147972 这是未定义的行为，因为没有有符号整数溢出。因此，您正在观察 UB 的效果，特别是在您的案例中设置了优化标志的 GCC 编译器。编译器可能会通过发出以下警告来警告您：

warning: iteration 174 invokes undefined behavior [-Waggressive-loop-optimizations]

删除 (-O2) 优化标志以观察不同的结果。

Answer 2

"Undefined behaviour is undefined." (c)

在 codechef 上使用的编译器似乎使用以下逻辑：

不能发生未定义的行为。

i > 173

int

i * 12345678 溢出并导致 UB。
因此，i 永远不会超过 173。
因此i < 300是多余的，可以用true代替。

循环本身似乎是无限的。显然，codechef 只是在特定时间后停止程序或截断输出。

Answer 3

编译器可以假定不会发生未定义的行为，并且因为有符号溢出是 UB，它可以假定永远不会 i * 12345678 > INT_MAX，因此也 i <= INT_MAX / 12345678 < 300 因此删除检查 i < 300.

Answer 4

我假设在线编译器使用 GCC 或兼容的编译器。当然，也允许任何其他编译器进行相同的优化，但 GCC 文档很好地解释了它的作用：

-faggressive-loop-optimizations

This option tells the loop optimizer to use language constraints to derive bounds for the number of iterations of a loop. This assumes that loop code does not invoke undefined behavior by for example causing signed integer overflows or out-of-bound array accesses. The bounds for the number of iterations of a loop are used to guide loop unrolling and peeling and loop exit test optimizations. This option is enabled by default.

此选项仅允许根据已证明 UB 的情况进行假设。要利用这些假设，可能需要启用其他优化，例如常量折叠。

有符号整数溢出具有未定义的行为。优化器能够证明 i 的任何值大于 173 都会导致 UB，并且因为它可以假设没有 UB，所以它也可以假设 i 永远不会大于 173。它然后可以进一步证明 i < 300 始终为真，因此循环条件可以被优化掉。

Why 4169 and not some other value?

这些站点可能限制了它们显示的输出行（或字符或字节）的数量，并且碰巧共享相同的限制。

程序在在线 IDE 上表现异常

Program behaving strangely on online IDEs

c++

integer-overflow

undefined-behavior