这个程序中的 16 位数学是否调用了未定义的行为？

Question

前几天我将我的 Windows 构建环境从 MSVC2013 升级到 MSVC2017，你瞧，我的程序中的一个函数多年来一直运行良好（在 g++/clang 下仍然运行良好）突然开始给出不正确的结果使用 MSVC2017 编译。

我能够重新编写函数以再次给出正确的结果，但这种经历让我感到好奇——我的函数是否调用了未定义的行为（直到现在才恰好给出正确的结果），或者代码是否定义明确并且MSVC2017 出了问题？

下面是一个简单的程序，展示了我重写之前和之后的玩具版本。特别是，当使用值为 -32762 的参数调用时，如下所示的函数 maybe_invokes_undefined_behavior() 是否会调用未定义的行为？

#include <stdio.h>

enum {ciFirstToken = -32768};

// This function sometimes gives unexpected results under MSVC2017
void maybe_invokes_undefined_behavior(short token)
{
   if (token >= 0) return;

   token -= ciFirstToken;  // does this invoke undefined behavior if (token==-32762) and (ciFirstToken==-32768)?
   if (token == 6)
   {
      printf("Token is 6, as expected (unexpected behavior not reproduced)\n");
   }
   else
   {
      printf("Token should now be 6, but it's actually %i\n", (int) token);  // under MSVC2017 this prints -65530 !?
   }
}

// This function is rewritten to use int-math instead of short-math and always gives the expected result
void allgood(short token16)
{
   if (token16 >= 0) return;

   int token = token16;
   token -= ciFirstToken;
   if (token == 6)
   {
      printf("Token is 6, as expected (odd behavior not reproduced)\n");
   }
   else
   {
      printf("Token should now be 6, but it's actually %i\n", (int) token);  
   }
}

int main(int, char **)
{
   maybe_invokes_undefined_behavior(-32762);
   allgood(-32762);
   return 0;
}

Answer 1

如果 (token==-32762) 和 (ciFirstToken==-32768)？

token -= ciFirstToken;

否（简短回答）

现在让我们逐条分解。

1) 根据expr.ass 的复合赋值，-=：

E1 op= E2 形式的表达式的行为等价于 E1 = E1 op E2 除了 E1 只计算一次。

表达式：

token -= ciFirstToken;

相当于：

token = token - ciFirstToken;
//            ^ binary (not unary)

2) additive operator (-) 对算术类型的操作数执行usual arithmetic conversion。

根据expr.arith.conv/1

许多二元运算符需要算术或 枚举类型导致转换并产生类似的结果类型 大大地。目的是产生一个通用类型，这也是 结果。这种模式称为通常的算术转换， 定义如下：

(1.5) 否则，应在两个操作数上执行积分提升。

3) 然后将两个操作数提升为 int。

根据conv.prom/1：

整数类型的 prvalue 不是 bool、char16_­t、char32_­t 或 wchar_t 其整数转换秩小于int 的秩 如果int 可以代表所有 源类型的值；

4) 整数提升后，无需再进行转换。

根据expr.arith.conv/1.5.1

如果两个操作数的类型相同，则不需要进一步转换。

5) 最后，表达式的未定义行为根据expr.pre定义：

如果在计算表达式期间，结果不是 以数学方式定义或不在可表示值的范围内 它的类型，行为是未定义

---

结论

所以现在替换值：

token = -32762 - (-32768);

在所有整数提升之后，两个操作数都在 INT_MIN^[1] 和 INT_MAX^{[2] 的有效范围内}.

并且经过评估，数学结果 (6) 然后隐式转换为short，在short的有效范围内。

因此，表达式是格式良好的。

非常感谢 @MSalters、@n.m 和 @Arne Vogel 帮助解答这个问题。

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Visual Studio 2015 MSVC14 Integer Limits 和 MS Integer Limits 定义：

^[1] INT_MIN    -2147483648
^[2] INT_MAX   +2147483647

SHRT_MIN    –32768
SHRT_MAX   +32767