gcc 根据是否观察到地址来改变输出答案

【问题标题】：gcc changing output depending on whether address is observed or notgcc 根据是否观察到地址来改变输出
【发布时间】：2020-12-12 18:48:31
【问题描述】：

我正在尝试制作一个打印“eggy weggy”的程序。通过将字符的值存储在 3 个变量（x、y 和 z）中。我已经尝试添加一个for 循环来打印几次，但这就是奇怪的开始。如果我将printf("%p\n%p\n%p\n%p\n", &x, &y, &z, &i); 放在代码中的任何位置，则输出符合要求。但是如果我排除这个，程序只会打印多次“eggy”。

#include <stdio.h>

int main(int argc, char* argv[])
{
    unsigned x = 2036819813; //sequence of 'y', 'g', 'g', 'e'
    unsigned y = 1734702880; //sequence of 'g', 'e', 'w', ' '
    unsigned z = 3045735; //sequence of '\0', '.', 'y', 'g'
    char* ptr = (char*)&x;
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("%s\n", ptr);
    }
    printf("%p\n%p\n%p\n%p\n", &x, &y, &z, &i);
    return 0;
}

输出：

eggy weggy.
eggy weggy.
eggy weggy.
eggy weggy.
eggy weggy.
eggy weggy.
eggy weggy.
eggy weggy.
eggy weggy.
eggy weggy.
0x7ffc2844d000
0x7ffc2844d004
0x7ffc2844d008
0x7ffc2844d00c

现在没有printf("%p\n%p\n%p\n%p\n", &x, &y, &z, &i);

输出：

eggy
eggy
eggy
eggy
eggy
eggy
eggy
eggy
eggy
eggy

另外，如果我不循环执行此操作，它会打印出“eggy weggy”。正确。这对我来说似乎很奇怪。我不知道变量的状态可以通过是否观察到它们的值来确定。这是一个错误吗？这是一个优化的东西吗？任何信息表示赞赏:)

注意：我正在使用 gcc (Ubuntu 9.3.0-17ubuntu1~20.04) 9.3.0 和参数 -O0 -std=c89 -Wall（我没有在量子计算机上运行它）

编辑：当我在 clang 中编译代码时，代码会按预期运行，但我不得不切换 x 和 z 的声明顺序，因为 clang 将较新的变量放在较低的内存地址中旧变量，不像 gcc 将它们放在更高的地址。

【问题讨论】：

由于没有printf 的代码没有明确使用y 和z，并且代码无论如何都依赖于未定义的行为，那么可能y 和z 已经被优化了。
“我不知道变量的状态可以通过是否观察到它们的值来确定。”当您在量子计算机中运行程序时会发生这种情况
@WeatherVane 这可能是这种情况，但如果我删除i 和for 循环并且不使用printf，它仍然可以正常工作
只需编写正确的代码，不要费力去理解为什么不正确的代码可能有效，也可能无效。
你试过用-O0编译吗？

标签： c gcc

【解决方案1】：

我不知道变量的状态可以通过是否观察到它们的值来确定。

C 标准最终仅根据其可观察行为来定义程序，即根据 C 2018 5.1.2.3 6：

对 volatile 对象的访问严格按照抽象机的规则进行评估。

——在程序终止时，写入文件的所有数据应与根据抽象语义执行程序所产生的结果相同。

——交互设备的输入和输出动态应按照 7.21.3 中的规定进行。这些要求的目的是尽快出现无缓冲或行缓冲的输出，以确保在程序等待输入之前实际出现提示消息。

因此，如果一个对象从未被使用过，编译器中的优化器可能会将其从程序中彻底删除，因为无论该对象是否被删除，程序的可观察行为都是相同的。

如果打印了对象的地址，则会导致输出行为是可观察的，编译器必须确保打印的地址与 C 标准描述的内存模型相匹配。优化器实际上不必将这些对象保留在内存中，但它必须为其内存提供名义上的预留，以便分配可以打印的地址。

这些要求导致您的两个版本的程序存在差异，而这些差异恰好导致您在 C 标准定义的方式之外使用 ptr 时观察到的变化。值得注意的是，当它被传递给printf 进行%s 转换时，它应该指向以空字符结尾的字符序列的第一个字符。此外，由于它是指向x 的指针，因此该序列不应超出x。由于违反了这两个要求，因此程序的行为不是由 C 标准定义的。在这些试验中，它可能向您显示了“超出”x 的数据，但这不是您应该依赖的。而“超出”x 的数据恰好依赖于上述优化或类似效果。

【讨论】：