为什么`gcc -ffast-math`会禁用`isnan()`和`isinf()`的正确结果？答案

【问题标题】：Why does `gcc -ffast-math` disable the correct result of `isnan()` and `isinf()`?为什么`gcc -ffast-math`会禁用`isnan()`和`isinf()`的正确结果？
【发布时间】：2021-11-26 11:51:18
【问题描述】：

我了解使用 -ffast-math 标志允许不安全的数学运算并禁用信号 NaN。但是，我希望函数 isnan() 和 isinf() 仍然能够返回正确的结果，但它们没有。

这是一个例子：

文件test_isnan.c：

#include <stdio.h>
#include <math.h>

int main(void){

  /* Produce a NaN */
  const float my_nan = sqrtf(-1.f);
  /* Produce an inf */
  const float my_inf = 1.f/0.f;

  printf("This should be a NaN: %.6e\n", my_nan);
  printf("This should be inf: %.6e\n", my_inf);

  if (isnan(my_nan)) {
    printf("Caugth the nan!\n");
  } else {
    printf("isnan failed?\n");
  }

  if (isinf(my_inf)) {
    printf("Caugth the inf!\n");
  } else {
    printf("isinf failed?\n");
  }
}

现在让我们编译并运行没有-ffast-math的程序：

$ gcc test_isnan.c -lm -o test_isnan.o && ./test_isnan.o
This should be a NaN: -nan
This should be inf: inf
Caugth the nan!
Caugth the inf!

但有了它：

$ gcc test_isnan.c -lm -o test_isnan.o -ffast-math && ./test_isnan.o
This should be a NaN: -nan
This should be inf: inf
isnan failed?
isinf failed?

那么为什么不isnan() 和isinf() 捕获这些nans 和infs？我错过了什么？

如果它可能相关，这是我的gcc 版本：

gcc (Spack GCC) 10.2.0
Copyright (C) 2020 Free Software Foundation, Inc.
This is free software; see the source for copying conditions.  There is NO
warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.

【问题讨论】：

标签： c gcc isnan

【解决方案1】：

来自https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Optimize-Options.html：

-ffast-数学
设置选项 -fno-math-errno、-funsafe-math-optimizations、-ffinite-math-only、-fno-rounding-math、-fno-signaling-nans、-fcx-limited-范围和 -fexcess-precision=fast。

地点：

-仅有限数学
允许对假设参数和结果不是 NaN 或 +-Infs的浮点算术进行优化。

一旦你打破这个假设，你就不能指望这些功能会起作用。

我了解您希望此设置能够优化所有其他操作，同时仍然为这两个函数提供正确的结果，但这不是它的工作方式。我不认为有办法解决这个问题。也许你可以看看 Clang，但我不认为它会有所不同。

【讨论】：

“允许优化浮点运算”：我不知道isnan 和isinf 会是算术...？
他们为什么不呢？诚然，他们不计算一个值，如果这就是你的意思，但他们仍然工作一个。

【解决方案2】：

-ffast-math

设置选项 ... -ffinite-math-only ...

-仅有限数学

允许优化浮点运算，假设参数和结果不是 NaNs 或 +-Infs。

编译器将代码优化为：

  printf("This should be a NaN: %.6e\n", sqrtf(-1.f));
  printf("This should be inf: %.6e\n", 1.f/0.f);
  printf("isnan failed?\n");
  printf("isinf failed?\n");

因为编译器知道表达式不能返回nan 或inf。

【讨论】：

与其他答案相同的评论：为什么 isnan 和 isinf 被视为算术......？
我不明白。不是isnan 是算术，sqrtf 是。编译器假定sqrtf不能返回nan，所以它优化了isnan。
问题是即使阅读例如一个来自外界的nan：double* ptr = (double*)mmap(...); if(!isnan(*ptr)) { /* proceed with business logic which expects no NaNs*/ }也不起作用。