基本介紹
- 中文名：未定義行為
- 外文名：undefined behavior
簡介,作用,C和C++的未定義行為的一些例子,
簡介
一些程式語言中，某些情況下存在未定義行為，以C和C++最為著名。在這些語言的標準中，規定某些操作的語義是未定義的，典型的例子就是程式錯誤的情況，比如越界訪問數組元素。標準允許語言的具體實現做這樣的假設：只要是匹配標準的程式代碼，就不會出現任何類似的行為。具體到 C/C++ 中，編譯器可以選擇性地給出相應的診斷信息，但沒有對此的強制要求：針對未定義行為，語言實現作出任何反應都是正確的，類似於數字邏輯中的無關項。雖然編譯器實現可能會針對未定義行為給出診斷信息，但保證編寫的代碼中不引發未定義行為是程式設計師自己的責任。這種假設的成立，通常可以讓編譯器對代碼作出更多最佳化，同時也便於做更多的編譯期檢查和靜態程式分析。
有時候也可能存在對於未定義行為本身的限制性要求。例如，在CPU的指令集說明中可能將某些形式的指令定為未定義，但如果該CPU支持記憶體保護，說明中很可能會還會包含一條兜底的規則，要求任何用戶態的指令都不會讓作業系統的安全性受損；這樣一來，在執行未定義行為的指令時，就允許CPU破壞用戶暫存器，但不允許發生諸如切換到監控模式的操作。
和未指定行為（unspecified behavior）不同，未定義行為強調基於不可移植或錯誤的程式構造，或使用錯誤的數據。一個匹配標準的實現可以在假定未定義行為永遠不發生（除了顯式使用不嚴格遵守標準的擴展）的基礎上進行最佳化，可能導致原本存在未定義行為（例如有符號數溢出）的程式經過最佳化後顯示出更加明顯的錯誤（例如死循環）。因此，這種未定義行為一般應被視為bug。
作用
如果某一操作在文檔中被定為未定義行為，編譯器就可以假設該操作在匹配標準的程式中永遠不會發生。這樣，編譯器就可以得到更多的信息，獲得更多最佳化程式的機會。
例如這樣的C語言代碼：
int foo(unsigned char x){ int value = 2147483600; /* 假設 int 是 32 位 */ value += x; if (value < 2147483600) bar(); return value;}因為x是unsigned char不可能為負數，而C語言中有符號整數的溢出又是未定義行為，編譯器就可以假設執行if語句時value不可能小於 2147483600。因為這裡的if沒有副作用，條件也永遠不成立，所以編譯器就可以直接忽略if語句和對函式bar的調用。於是，上述代碼在語義上就等價於：
int foo(unsigned char x){ int value = 2147483600; value += x; return value;}如果有符號整數的溢出有明確的“環繞”行為，那么這樣的程式轉化就是非法的。
代碼越複雜，類似的最佳化就越難被人類發現。如果代碼同時還有其它方面的最佳化，例如內聯，就更難發現了。
讓有符號整數溢出未定義還有另一個好處：存儲、操作變數的值時，可以在比變數本身更大的暫存器中進行。假設原始碼中變數的類型比原生暫存器的寬度要窄（比如常見的在64位機器上的int類型），那么編譯器就可以在生成機器碼時把這個變數當作64位有符號數，對代碼的語義沒有任何影響。反之，如果32位有符號整數的溢出有明確定義，那么在針對64位機器編譯時，編譯器就必須插入額外的邏輯確保行為匹配預期，因為大多數機器碼指令在溢出時行為與暫存器的寬度有關。
更重要的一點是，有符號整數溢出的行為未定義，允許在編譯期檢查、靜態程式分析、運行期檢查時捕捉這類錯誤的情況；如果溢出行為有明確定義，就無法進行編譯期檢查。
C和C++的未定義行為的一些例子
嘗試修改字元串字面量會產生未定義行為：
char * p = "wikipedia"; // C++11中錯誤，C++98/C++03不推薦使用p[0] = 'W'; // 未定義行為
char p[] = "wikipedia"; /* 正確 */p[0] = 'W';
在C++可以使用[[標準模板庫]]中的string類型，如下所示：
std::string s = "wikipedia"; /* 正確 */s[0] = 'W';
除以零會導致未定義行為。根據IEEE 754，float、double和long double類型的值除以零的結果是無窮大或NaN：
return x/0; // 未定義行為
某些指針操作可能導致未定義行為：
int arr[4] = {0, 1, 2, 3};int* p = arr + 5; // 未定義行為到達返回數值的函式（除main函式以外）的結尾，而沒有一個return語句，會導致未定義行為：
int f(){} /* 未定義行為 */《C程式設計語言》在第2.12節引用下面的代碼作為未定義行為的例子：
printf("%d %d\n", ++n, power(2, n)); /* 未定義行為 */以及
a[i] = i++; /* 未定義行為 */
標準庫可能指定未定義行為，例如：
int x = 1;printf("%d\n", &x); /*未定義行為：%d預期int類型的實際參數*/printf("%p\n", &x); /*未定義行為：%p預期void*類型的實際參數*/printf("%p\n", (void*)&x); /*%p和void*類型的實際參數匹配，不在此引發未定義行為*/