为什么 a = (a+b) - (b=a) 是交换两个整数的错误选择？

Question

我偶然发现了这段代码，用于在不使用临时变量或按位运算符的情况下交换两个整数。

int main(){

    int a=2,b=3;
    printf("a=%d,b=%d",a,b);
    a=(a+b)-(b=a);
    printf("\na=%d,b=%d",a,b);
    return 0;
}

但我认为这段代码在交换语句a = (a+b) - (b=a); 中具有未定义的行为，因为它不包含任何确定评估顺序的序列点。

我的问题是：这是交换两个整数的可接受解决方案吗？

Answer 1

没有。这是不可接受的。此代码调用Undefined behavior。这是因为没有定义对b 的操作。在表达式中

a=(a+b)-(b=a);  

由于缺少sequence point，不确定是先修改b还是将其值用于表达式（a+b）。
看看什么标准的syas：

C11：6.5 表达式：

如果标量对象的副作用相对于同一标量对象的不同副作用或使用相同标量的值的值计算是无序的 对象，行为未定义。 如果有多个允许的排序 表达式的子表达式，如果这样的未排序的一面，则行为未定义 效果发生在任何排序中。84)₁。

阅读C-faq- 3.8 和answer 以获取有关序列点和未定义行为的更详细说明。

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1。重点是我的。

Answer 2

如果你使用 gcc 和 -Wall 编译器已经警告你

a.c:3:26: 警告：“b”上的操作可能未定义 [-Wsequence-point]

从性能的角度来看，是否使用这样的构造也是值得商榷的。当你看

void swap1(int *a, int *b)
{
    *a = (*a + *b) - (*b = *a);
}

void swap2(int *a, int *b)
{
    int t = *a;
    *a = *b;
    *b = t;
}

并检查汇编代码

swap1:
.LFB0:
    .cfi_startproc
    movl    (%rdi), %edx
    movl    (%rsi), %eax
    movl    %edx, (%rsi)
    movl    %eax, (%rdi)
    ret
    .cfi_endproc

swap2:
.LFB1:
    .cfi_startproc
    movl    (%rdi), %eax
    movl    (%rsi), %edx
    movl    %edx, (%rdi)
    movl    %eax, (%rsi)
    ret
    .cfi_endproc

你看不出混淆代码的好处。

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查看 C++ (g++) 代码，它的功能基本相同，但考虑了move

#include <algorithm>

void swap3(int *a, int *b)
{
    std::swap(*a, *b);
}

给出相同的汇编输出

_Z5swap3PiS_:
.LFB417:
    .cfi_startproc
    movl    (%rdi), %eax
    movl    (%rsi), %edx
    movl    %edx, (%rdi)
    movl    %eax, (%rsi)
    ret
    .cfi_endproc

考虑到 gcc 的警告并没有看到任何技术收益，我会说，坚持使用标准技术。如果这成为瓶颈，您仍然可以调查，如何改进或避免这一小段代码。

Answer 3

您可以使用XOR swap algorithm 来防止任何溢出问题，并且仍然有一个单行。

但是，既然您有一个c++ 标签，我更喜欢简单的std::swap(a, b) 以使其更易于阅读。

Answer 4

2010 发回了一个问题，示例完全相同。

a = (a+b) - (b=a);

Steve Jessop 警告：

顺便说一句，该代码的行为是未定义的。 a 和 b 都被读取 并且在没有插入序列点的情况下编写。首先， 编译器完全有权在之前评估 b=a 评估 a+b。

这是2012 中发布的问题的解释。请注意，由于缺少括号，示例并不完全相同，但答案仍然相关。

在 C++ 中，算术表达式中的子表达式没有时间 订购。

a = x + y;

是先计算 x 还是先计算 y？编译器可以选择其中一个，也可以 选择完全不同的东西。评价顺序不 与运算符优先级相同：运算符优先级是严格的 已定义，并且评估顺序仅定义为粒度 你的程序有序列点。

事实上，在某些架构上，可以发出以下代码： 同时计算 x 和 y - 例如，VLIW 架构。

现在来自 N1570 的 C11 标准报价：

附件 J.1/1

在以下情况下是未指定的行为：

——顺序 评估子表达式的位置以及哪一侧的顺序 效果发生，除了函数调用()，&&， ||、? : 和逗号运算符 (6.5)。

——赋值运算符的操作数的求值顺序 (6.5.16)。

附件 J.2/1

在以下情况下是未定义的行为：

— 标量对象的副作用相对于任一 对同一标量对象或值计算的不同副作用 使用相同标量对象的值 (6.5)。

6.5/1

表达式是一系列运算符和操作数，用于指定 计算一个值，或指定一个对象或函数，或 产生副作用，或执行其组合。 运算符的操作数的值计算是有序的 在算子结果的值计算之前。

6.5/2

如果标量对象上的副作用相对于其中任何一个而言是未排序的 对同一标量对象或值的不同副作用 使用相同标量对象的值进行计算，行为是 不明确的。如果有多个允许的排序 表达式的子表达式，如果这样的表达式的行为是未定义的 未排序的副作用发生在任何排序中。84)

6.5/3

运算符和操作数的分组由语法指示。85) 除非稍后指定，副作用和价值计算 子表达式是无序的。86)

您不应依赖未定义的行为。

一些替代方案：在 C++ 中，您可以使用

  std::swap(a, b);

异或交换：

  a = a^b;
  b = a^b;
  a = a^b;

Answer 5

除了其他用户调用的问题之外，这种类型的交换还有另一个问题：域。

如果a+b 超出限制怎么办？假设我们使用从0 到100 的数字。 80+ 60 会超出范围。

Answer 6

我的问题是 - 这是交换两个整数的可接受解决方案吗？

谁可以接受？如果你问我是否可以接受，那不会通过我参与的任何代码审查，相信我。

为什么 a=(a+b)-(b=a) 是交换两个整数的糟糕选择？

出于以下原因：

1) 正如您所注意到的，C 不能保证它确实做到了这一点。它可以做任何事情。

2) 假设它确实交换了两个整数，就像在 C# 中那样。 （C# 保证副作用从左到右发生。）代码仍然是不可接受的，因为它的含义完全不明显！代码不应该是一堆巧妙的技巧。为必须阅读和理解它的人编写代码。

3) 同样，假设它有效。该代码仍然是不可接受的，因为这完全是错误的：

我偶然发现了这段代码，用于在不使用临时变量或按位运算符的情况下交换两个整数。

这完全是错误的。这个技巧使用一个临时变量来存储a+b 的计算。该变量由编译器代表您生成，没有给出名称，但它就在那里。如果目标是消除临时工，这只会使情况变得更糟，而不是更好！你为什么要首先消除临时工？它们很便宜！

4) 这仅适用于整数。除了整数之外，还有很多东西需要交换。

简而言之，将时间花在编写明显正确的代码上，而不是试图想出实际上使事情变得更糟的巧妙技巧。

Answer 7

a=(a+b)-(b=a) 至少有两个问题。

您提到自己：缺少序列点意味着行为未定义。因此，任何事情都可能发生。例如，不能保证首先评估哪个：a+b 或 b=a。编译器可以选择先为赋值生成代码，或者做一些完全不同的事情。

另一个问题是有符号算术的溢出是未定义的行为。如果a+b 溢出，则无法保证结果；甚至可能抛出异常。

Answer 8

除了关于未定义的行为和样式的其他答案之外，如果您编写的简单代码仅使用临时变量，编译器可能会跟踪这些值而不是在生成的代码中实际交换它们，而稍后只使用交换的值在某些情况下。它不能用你的代码做到这一点。在微优化方面，编译器通常比你好。

因此，您的代码可能更慢、更难理解，并且可能还有不可靠的未定义行为。

Answer 9

声明：

a=(a+b)-(b=a);

调用未定义的行为。引用段落中的第二个应被违反：

(C99, 6.5p2) “在前一个序列点和下一个序列点之间，一个对象的存储值最多只能通过表达式的评估修改一次。此外，应仅读取先验值以确定要存储的值。"

Answer 10

问题是根据C++标准

除非另有说明，否则对单个运算符的操作数进行求值 和单个表达式的子表达式是无序的。

所以这个表达式

a=(a+b)-(b=a);

有未定义的行为。