当 std::uint_fast32_t 在 GCC 中为 4 字节时，std::mt19937 失败

Question

我在尝试测试cppreference example 生成伪随机数时遇到的问题。举个例子：

#include <iostream>
#include <random>

int main() {
    std::random_device rd{};
    std::mt19937 gen{rd()};
    std::uniform_int_distribution<> dis{1, 6};

    for(int n = 0; n < 10; ++n) {
        std::cout << dis(gen) << ' ';
    }
    std::cout << '\n';
}

在我的机器上，它会导致崩溃。 “崩溃”是指进程挂起并在几秒钟后返回 0xC0000005。

我想知道可能是什么原因造成的。海湾合作委员会错误？我的机器故障？我决定进行测试，结果非常令人惊讶。例如，给定以下稍作修改的示例：

#include <iostream>
#include <random>

int main() {
    std::random_device rd{};
    std::mt19937_64 gen{rd()}; // notice the _64 here
    std::uniform_int_distribution<> dis{1, 6};

    for(int n = 0; n < 10; ++n) {
        std::cout << dis(gen) << ' ';
    }
    std::cout << '\n';
}

代码按预期工作。我试图理解为什么，所以我迅速跑到std::mt19937 reference，在那里我们可以看到它的声明：

template<
    class UIntType, 
    size_t w, size_t n, size_t m, size_t r,
    UIntType a, size_t u, UIntType d, size_t s,
    UIntType b, size_t t,
    UIntType c, size_t l, UIntType f
> class mersenne_twister_engine;

后跟两个别名：

using mt19937 = std::mersenne_twister_engine<std::uint_fast32_t, 32, 624, 397, 31, 
                         0x9908b0df, 11, 
                         0xffffffff, 7, 
                         0x9d2c5680, 15, 
                         0xefc60000, 18, 1812433253>

和

using mt19937_64 = std::mersenne_twister_engine<std::uint_fast64_t, 64, 312, 156, 31,
                         0xb5026f5aa96619e9, 29,
                         0x5555555555555555, 17,
                         0x71d67fffeda60000, 37,
                         0xfff7eee000000000, 43, 6364136223846793005>

有趣的部分是两个别名的第一个 template 参数，std::uint_fast32_t 和 std::uint_fast64_t。有趣的是，深入GCC <random> implementation，我们可以看到，在369 行中，写了以下内容：

__factor *= __detail::_Shift<_UIntType, 32>::__value;

鉴于_Shift implementation 位于72 行：

template<typename _UIntType, size_t __w>
struct _Shift<_UIntType, __w, true> {
    static const _UIntType __value = _UIntType(1) << __w;
};

我们可以清楚地看到，使用参数1 构造的_UIntType 类型的对象正在向左移动__w。为什么这很重要？让我们回到std::mt19937 的实现。我们可以看到，最终我们会做：

std::uint_fast32_t(1) << 32;

这可能没问题，除非...

除非sizeof (std::uint_fast32_t) 返回4，就像它在我的机器上一样。然后我们处理 32 位（假设字节 = 8 位）无符号整数值，它将向左移动 32。这是undefined behaviour，我相信这会导致我的程序崩溃。

所以问题是：这仅仅是sizeof (std::uint_fast32_t) == 4 的某些 GCC 实现中的错误吗？还是那里发生了对我来说太聪明的事情，而这只是我的机器故障？

我使用的是 Windows 10，64 位，GCC 8.2 8.1。

我已经请一些同事进行了一些测试，并且每个测试都成功了（没有崩溃）。问题是在他们的机器上，表达式sizeof (std::uint_fast32_t) 被评估为8。显然，UB 就没有了。

编辑：更令人惊讶的是，当我使用某个常量为gen 播种时，代码的行为正确，例如：

std::mt19937 gen{10000000};
std::uniform_int_distribution<> dis{1, 6};

for(int n = 0; n < 10; ++n) {
    std::cout << dis(gen) << ' ';
}

,

std::mt19937 gen{5};
std::uniform_int_distribution<> dis{1, 6};

for(int n = 0; n < 10; ++n) {
    std::cout << dis(gen) << ' ';
}
std::cout << '\n';

和

std::mt19937 gen{0};
std::uniform_int_distribution<> dis{1, 6};

for(int n = 0; n < 10; ++n) {
    std::cout << dis(gen) << ' ';
}
std::cout << '\n';

无法重现 SEGFAULT。我设法稍微改变了这个例子。考虑以下代码：

#include <iostream>
#include <random>

int main() {
    std::random_device rd{};
    auto used = rd();
    std::cout << used << '\n';
}

此代码连续产生输出3499211612。问题是......这不起作用（导致 SEGFAULT）：

#include <iostream>
#include <random>

int main() {
    std::random_device rd{};
    auto used = rd();
    std::cout << used << '\n';
    std::mt19937 gen{3499211612};
    std::uniform_int_distribution<> dis{1, 6};

    for(int n = 0; n < 10; ++n) {
        std::cout << dis(gen) << ' ';
    }
    std::cout << '\n';
}

虽然这个是：

#include <iostream>
#include <random>

int main() {
    /*std::random_device rd{};
    auto used = rd();
    std::cout << used << '\n';*/
    std::mt19937 gen{3499211612};
    std::uniform_int_distribution<> dis{1, 6};

    for(int n = 0; n < 10; ++n) {
        std::cout << dis(gen) << ' ';
    }
    std::cout << '\n';
}

知道简单地调用std::random_device 的operator() 会如何改变引擎的行为吗？我觉得我应该问另一个问题，但我什至无法用语言表达示例中发生的事情......

编辑 2：

g++ -v 结果：

COLLECT_GCC=g++

COLLECT_LTO_WRAPPER=c:/users/felipe/desktop/mingw/mingw/bin/../libexec/gcc/x86_64-w64-mingw32/8.1.0/lto-wrapper.exe

目标：x86_64-w64-mingw32

配置为：../src/configure --enable-languages=c,c++ --build=x86_64-w64-mingw32 --host=x86_64-w64-mingw32 --target=x86_64-w64-mingw32 -- disable-multilib --prefix=/c/temp/gcc/dest --with-sysroot=/c/temp/gcc/dest --disable-libstdcxx-pch --disable-libstdcxx-verbose --disable-nls --禁用共享 --disable-win32-registry --with-tune=haswell --enable-threads=posix --enable-libgomp

线程模型：posix

gcc 版本 8.1.0 (GCC)

Answer 1

您显示的代码不是导致崩溃的原因。 _Shift 的完整定义是：

template<typename _UIntType, size_t __w,
     bool = __w < static_cast<size_t>
          (std::numeric_limits<_UIntType>::digits)>
  struct _Shift
  { static const _UIntType __value = 0; };

template<typename _UIntType, size_t __w>
  struct _Shift<_UIntType, __w, true>
  { static const _UIntType __value = _UIntType(1) << __w; };

这使用模板特化在编译时检查_UIntType 的大小。第一个版本在__w 大于等于std::numeric_limits<_UIntType>::digits 时使用，这里就是这种情况。所以结果值为0，不执行左移。

至于崩溃本身：显然，std::random_device doesn't work on Windows GCC 并给出了确定性的结果（如您所见）。这也可能与坠机的原因有关。 This question 遇到了类似的崩溃，Windows 上的 GCC 8.2 也是如此。

作为一种解决方法，您可以改用实现相同 API 的 Boost.Random 库。