优化正在取消我在 clang 6 中的整数溢出检查

Question

我有一些金融应用的定点实现。它基本上是一个包含在 class 中的整数，它基于给定的小数位数 N 被视为十进制数。 class 是 pa运行oid 并检查溢出，但是当我运行在发布模式下测试时，它们失败了，最后我创建了这个演示问题的最小示例：

#include <iostream>
#include <sstream>

template <typename T, typename U>
typename std::enable_if<std::is_convertible<U, std::string>::value, T>::type 
FromString(U&& str)
{
    std::stringstream ss;
    ss << str;
    T ret;
    ss >> ret;
    return ret;
}

int main()
{
    int NewAccu=32;
    int N=10;

    using T = int64_t;

    T l = 10;
    T r = FromString<T>("1" + std::string(NewAccu - N, '0'));
    if (l == 0 || r == 0) {
        return 0;
    }
    T res = l * r;
    std::cout << l << std::endl;
    std::cout << r << std::endl;
    std::cout << res << std::endl;
    std::cout << (res / l) << std::endl;
    std::cout << std::endl;
    if ((res / l) != r) {
        throw std::runtime_error(
                   "FixedPoint Multiplication Overflow while upscaling [:" + std::to_string(l) + ", " + std::to_string(r) + "]");
    }

    return 0;
}

Clang 6 会出现这种情况，我的版本是：

$ clang++ --version
clang version 6.0.0-1ubuntu2 (tags/RELEASE_600/final)
Target: x86_64-pc-linux-gnu
Thread model: posix
InstalledDir: /usr/bin

这很有趣，因为它是一个令人印象深刻的优化，但这会破坏我的应用程序并阻止我检测溢出。我能够重现这个问题 in g++ here。它不会在那里抛出异常。

请注意，在调试模式下会抛出异常，但不会在发布模式下抛出。

Answer 1

如果您想检测（有符号）integer overflows（在 int64_t 或 long 等标量类型上），您应该使用适当的内置函数，通常是特定于编译器的。

对于 GCC，请参阅 integer overflow builtins。

整数溢出（在 int 或 long 或其他有符号整数类型上）根本是 undefined behavior, so the compiler can optimize as it please against it. Be scared. If you depend on UB you are no more coding in standard C++ and your program is tied to a particular compiler and system, so is not portable 的一个实例（甚至对其他编译器、其他编译器版本、其他编译标志、其他计算机和操作系统）。所以 Clang（或 GCC）被允许针对整数溢出进行优化，有时确实如此。

或者考虑使用一些bignum package (then of course you don't deal with just predefined C++ integral scalar types). Perhaps GMPlib。

如果您的数字适合 128 位，您可以考虑使用 GCC 的 __int128。

我相信当整数溢出发生时您无法可靠地检测到它们（除非您使用 integer overflow builtins）。你应该避免使用它们（或者使用一些 bignum 库，或者一些使用这些内置函数的库等）。

Answer 2

正如 @Basile 已经指出的那样，有符号整数溢出是一种 未定义的行为 ，因此编译器可以以任何方式处理它 - 甚至优化它以获得性能优势。所以检测整数溢出已经太晚了。相反，您应该预测整数溢出发生之前。

下面是我实现的整数乘法溢出预测：

#include <limits>

template <typename T>
bool predict_mul_overflow(T x, T y)
{
    static_assert(std::numeric_limits<T>::is_integer, "predict_mul_overflow expects integral types");

    if constexpr (std::numeric_limits<T>::is_bounded)
    {
        return ((x != T{0}) && ((std::numeric_limits<T>::max() / x) < y));
    }
    else
    {
        return false;
    }
}

函数returnstrue如果整数乘法x * y预测溢出

请注意，虽然 unsigned 溢出是根据 modular arithmetic, signed overflow is an undefined behavior 明确定义的。尽管如此，所提供的函数也适用于 signed 和 unsigned T 类型。

优化正在取消我在 clang 6 中的整数溢出检查

Optimizations are killing my integer overflow checks in clang 6

c++

c++11

optimization

integer-overflow

fixed-point