哪些替代品可用于 C 标准未定义的以前广泛支持的行为

Question

在标准化之前的早期 C 语言中，实现有多种方法来处理各种动作的异常和半异常情况。其中一些会触发陷阱，如果没有先配置，可能会导致随机代码执行。因为此类陷阱的行为超出了 C 标准的范围（并且在某些情况下可能由运行程序控制之外的操作系统控制），并且避免要求编译器不允许依赖于此类的代码陷阱要继续这样做，可能导致此类陷阱的操作行为完全由编译器/平台自行决定。

到 1990 年代末，尽管 C 标准没有要求这样做，但每个主流编译器都在其中许多情况下采用了通用行为；使用此类行为可以提高代码速度、大小和可读性。

既然不再支持请求以下操作的“明显”方式，那么在使用旧编译器时，应该如何以不妨碍可读性或对代码生成产生不利影响的方式替换它们？为了便于说明，假设int 是32 位，ui 是无符号整数，si 是有符号整数，b 是无符号字符。

1. 给定 ui 和 b，计算 b==0..31 时的 ui << b，或任意表现为 ui << (b & 31) 的值或值 32..255 时为零的值。请注意，如果当右侧操作数超过 31 时左侧操作数为零，则两种行为将相同。

2. 对于只需要在处理器上运行的代码，当右移或左移从 32 到 255 时产生零，计算 ui << b 为 b==0..31 和 0 为b==32..255。虽然编译器可能能够优化为跳过值 32..255 的移位而设计的条件逻辑（因此代码将简单地执行将产生正确行为的移位），但我不知道有什么方法可以制定这种条件逻辑这将保证编译器不会为它生成不必要的代码。

3. 与 1 和 2 一样，但用于右移。

4. 给定 si 和 b 使得 b0..30 和 si*(1<<b) 不会溢出，计算 si*(1<<b)。请注意，使用乘法运算符会严重影响许多旧编译器的性能，但如果移位的目的是缩放有符号值，则在操作数在整个移位过程中保持负数的情况下强制转换为无符号感觉是错误的。

5. 给定各种整数值，执行加法、减法、乘法和移位，如果没有溢出，结果将是正确的，如果有溢出，代码将产生高位行为的值以非陷阱和非 UB，但以其他方式不确定或将以平台定义的方式可识别陷阱（并且在不支持陷阱的平台上，只会产生不确定的值）。

6. 给定一个指向分配区域的指针和一些指向其中事物的指针，使用realloc 更改分配大小并调整上述指针以匹配，同时避免在realloc 返回原始块。不一定在所有平台上都可能，但 1990 年代的主流平台都允许代码确定 realloc 是否导致事物移动，并通过减去该指针的前基地址来确定指针到死对象的偏移量曾经是多少对象（请注意，需要通过计算与每个死指针相关联的偏移量，然后将其添加到新指针来完成调整，而不是通过尝试计算旧指针和新指针之间的“差异”——这将是合法的在许多分段架构上失败）。

“超现代”编译器是否提供了对上述内容的任何良好替代品，不会降低代码大小、速度或可读性中的至少一个，而对其他任何一个都没有改进？据我所知，不仅 1990 年代 99% 的编译器可以完成上述所有操作，而且对于每个示例，几乎所有示例都可以以相同的方式编写代码。一些编译器可能已经尝试使用无保护的跳转表来优化左移和右移，但这是我能想到的唯一情况，1990 年代平台的 1990 年代编译器会对“明显”的编码方式有任何问题以上任何一项。如果超现代编译器不再支持经典形式，它们提供什么替代品？

Answer 1

现代标准 C 以这样一种方式指定，即当且仅当您编写代码时对将运行的底层硬件的期望不高于给定的期望时，才能保证它是可移植的由 C 抽象机标准隐式和显式描述。

您仍然可以为给定目标 CPU 和体系结构在给定优化级别具有特定行为的特定编译器编写代码，但是不要期望任何其他编译器（现代或其他，甚至如果您的代码违反了标准规定的条件，即期望任何定义明确的实现无关行为是不合理的，那么您编写的代码的一个小修订版）会竭尽全力尝试直觉您的期望。

Answer 2

两个通用原则适用于标准 C 和标准 C++：

• 无符号数的行为通常比有符号数的行为定义得更好。
• 将优化视为实施质量问题。这意味着如果您担心特定内部循环的微优化，您应该读取编译器的汇编输出（例如使用gcc -S），如果您发现它失败了要针对适当的机器指令优化定义明确的行为，请向编译器的发布者提交缺陷报告。 （但是，当唯一针对特定平台的实用编译器的发布者对优化不是很感兴趣时，这不起作用，例如针对 MOS 6502 的 cc65。）

从这些原则中，您通常可以得出一个定义明确的方法来实现相同的结果，然后将trust-but-verify principle 应用于生成代码的质量。例如，使移位函数具有明确定义的行为，并让优化器删除架构本身保证的任何不需要的检查。

// Performs 2 for unsigned numbers.  Also works for signed
// numbers due to rule for casting between signed and unsigned
// integer types.
inline uint32_t lsl32(uint32_t ui, unsigned int b) {
  if (b >= 32) return 0;
  return ui << b;
}

// Performs 3 for unsigned numbers.
inline uint32_t lsr32(uint32_t ui, unsigned int b) {
  if (b >= 32) return 0;
  return ui >> b;
}

// Performs 3 for signed numbers.
inline int32_t asr32(int32_t si, unsigned int b) {
  if (si >= 0) return lsr32(si, b);
  if (b >= 31) return -1;
  return ~(~(uint32)si >> b);
}

对于 4 和 5，转换为无符号数，进行数学运算，然后转换回有符号数。这会产生非陷阱的定义明确的行为。