gcc 中的优化级别改变了 c 程序的行为

Question

在 gcc 中使用不同优化级别编译此代码时，我看到了我不期望的行为。

函数测试应该用 1 填充 64 位无符号整数，将它们向左移动 shift_size 位，并将低 32 位作为 32 位无符号整数返回。

当我使用 -O0 编译时，我得到了我期望的结果。

当我使用 -O2 编译时，如果我尝试移动 32 位或更多位，我不会这样做。

事实上，如果我在 x86 上通过大于或等于位宽的移位来移位 32 位整数，我得到的结果正是我所期望的，这是仅使用移位大小的 5 个低位的移位。

但是我正在移动一个 64 位数字，所以移动

我认为这是我理解中的错误，而不是编译器中的错误，但我无法弄清楚。

我的机器： gcc (Ubuntu/Linaro 4.4.4-14ubuntu5) 4.4.5 i686-linux-gnu

#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
#include <inttypes.h>

uint32_t test(unsigned int shift_size) {
    uint64_t res = 0;
    res = ~res;
    res = res << shift_size; //Shift size < uint64_t width so this should work
    return res; //Implicit cast to uint32_t
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int dst;
    sscanf(argv[1], "%d", &dst); //Get arg from outside so optimizer doesn't eat everything
    printf("%" PRIu32 "l\n", test(dst));
    return 0;
}

用法：

$ gcc -Wall -O0 test.c 
$ ./a.out 32
0l
$ gcc -Wall -O2 test.c 
$ ./a.out 32
4294967295l

gcc -S -Wall -O0 test.c

gcc -S -Wall -O2 test.c

Answer 1

"%u"（或"%lu"）和uint32_t 不一定兼容。 试试

    #include <inttypes.h>

    //printf("%ul\n", test(dst));
    printf("%" PRIu32 "l\n", test(dst));

使用"%u"（或"%lu"）说明符打印uint32_t 值可以调用未定义行为。

Answer 2

我能够重现这一点。这是-O2生成的代码的相关位：

    movl    $-1, %eax
    movl    $-1, %edx
    sall    %cl, %eax
    xorl    %edx, %edx
    testb   $32, %cl
    cmovne  %eax, %edx
    cmovne  %edx, %eax    ; This appears to be the instruction in error.
                          ; It looks as though gcc thought that %edx might still
                          ; be zero at this point, because if the shift count is
                          ; >= 32 then %eax should be zero after this.

这是与-O0 等效的位：

    movl    -16(%ebp), %eax
    movl    -12(%ebp), %edx
    shldl   %cl,%eax, %edx
    sall    %cl, %eax
    testb   $32, %cl
    je      L3
    movl    %eax, %edx
    xorl    %eax, %eax         ; correctly zeros %eax if shift count >= 32
L3:
    movl    %eax, -16(%ebp)
    movl    %edx, -12(%ebp)

编译器是：

i686-apple-darwin11-gcc-4.2.1 (GCC) 4.2.1 (Apple Inc. build 5666) (dot 3)

感谢您发布您的 gcc -S 输出。我看了看，虽然略有不同，但关键部分的错误与我在机器上看到的错误相同。

Answer 3

它看起来可能对我来说是一个 32 位特定的编译器错误。使用问题中的代码和 gcc 4.2.1，只要我使用 gcc -m32 -O2 ... 编译，我就可以重现该错误。

但是，如果我添加一个调试 printf：

uint32_t test(unsigned int shift_size) {
    uint64_t res = 0;
    res = ~res;
    res = res << shift_size; //Shift size < uint64_t width so this should work
    printf("res = %llx\n", res);
    return res; //Implicit cast to uint32_t
}

然后问题就消失了。

下一步是查看生成的代码以尝试识别/确认错误。

Answer 4

它看起来像一个错误。我的猜测是编译器已经折叠了最后两行：

res = res << shift_size
return (uint32_t)res;

进入：

return ((uint32_t)res) << shift_size;

后者现在已明确定义为 32 或更大。

Answer 5

我不记得C99怎么说了，但是在gcc中，uint32_t似乎包含至少 32位，并且可能包含更多，所以当你优化它时，它使用64位var，这在 64 位机器上速度更快。