从函数返回结构时可能出现 GCC 错误

Question

我相信我在实施 O'Neill 的 PCG PRNG 时在 GCC 中发现了一个错误。 (Initial code on Godbolt's Compiler Explorer)

将oldstate乘以MULTIPLIER后（结果存储在rdi中），GCC不会将该结果添加到INCREMENT，将INCREMENT移动到rdx相反，它随后被用作 rand32_ret.state

的 return 值

#include <stdint.h>

struct retstruct {
    uint32_t a;
    uint64_t b;
};

struct retstruct fn(uint64_t input)
{
    struct retstruct ret;

    ret.a = 0;
    ret.b = input * 11111111111 + 111111111111;

    return ret;
}

生成的程序集（GCC 9.2，x86_64，-O3）：

fn:
  movabs rdx, 11111111111     # multiplier constant (doesn't fit in imm32)
  xor eax, eax                # ret.a = 0
  imul rdi, rdx
  movabs rdx, 111111111111    # add constant; one more 1 than multiplier
     # missing   add rdx, rdi   # ret.b=... that we get with clang or older gcc
  ret
# returns RDX:RAX = constant 111111111111 : 0
# independent of input RDI, and not using the imul result it just computed

有趣的是，修改结构使 uint64_t 作为第一个成员 produces correct code, as does changing both members to be uint64_t

x86-64 System V 在 RDX:RAX 中 return 小于 16 字节的结构，当它们可以被简单地复制时。在这种情况下，第二个成员在 RDX 中，因为 RAX 的高半部分是用于对齐的填充，或者 .b 当 .a 是较窄的类型时。（sizeof(retstruct) 无论如何都是 16；我们没有使用 __attribute__((packed)) 所以它尊重 alignof(uint64_t) = 8。）

此代码是否包含任何允许 GCC 发出 "incorrect" 程序集的未定义行为？

如果没有，应该在 https://gcc.gnu.org/bugzilla/

上报告

Answer 1

Does this code contain any undefined behaviour that would allow GCC to emit the "incorrect" assembly?

关于 C99 和更高版本的 C 语言标准，问题中给出的代码的行为得到了很好的定义。特别是，C 允许函数 return 结构值不受限制。

Answer 2

我在这里没有看到任何 UB；你的类型是无符号的，所以有符号溢出 UB 是不可能的，也没有什么奇怪的。（即使签名，它也必须为不会导致溢出 UB 的输入产生正确的输出，例如 rdi=1）。它也被 GCC 的 C++ 前端破坏了。

此外，GCC8.2 将其编译为 correctly for AArch64 and RISC-V（在使用 movk 构造常量后为 madd 指令，或在加载常量后为 RISC-V mul 和 add）。如果 GCC 发现的是 UB，我们通常希望它能找到它并破坏其他 ISA 的代码，至少是那些具有相似类型宽度和寄存器宽度的 ISA。

Clang 也能正确编译。

这似乎是从 GCC 5 到 6 的倒退； GCC5.4 编译正确，6.1 及更高版本则不正确。 (Godbolt).

您可以使用问题中的 MCVE 在 GCC's bugzilla 上报告此问题。

看起来确实像是 x86-64 System V struct-return 处理中的错误，可能是包含填充的结构。 这可以解释为什么它在以下情况下起作用内联，以及将 a 加宽到 uint64_t（避免填充）时。

Answer 3

这已在 trunk/master 上修复。

这里是 relevant commit.

这是 a patch 解决问题的方法。

根据补丁中的评论，reload_combine_recognize_pattern 函数试图调整 USE insns。

从函数返回结构时可能出现 GCC 错误

Possible GCC bug when returning struct from a function

c

assembly

gcc

x86-64

compiler-bug