优化正在扼杀我在 clang 6 中的整数溢出检查

Question

我有一些金融应用程序的定点实现。它基本上是一个包含在一个类中的整数，该类基于给定的小数位数N视为十进制数。该类是偏执狂并检查溢出，但是当我在发布模式下运行测试时，它们失败了，最后我创建了一个演示问题的最小示例：

#include <iostream>
#include <sstream>

template <typename T, typename U>
typename std::enable_if<std::is_convertible<U, std::string>::value, T>::type 
FromString(U&& str)
{
    std::stringstream ss;
    ss << str;
    T ret;
    ss >> ret;
    return ret;
}

int main()
{
    int NewAccu=32;
    int N=10;

    using T = int64_t;

    T l = 10;
    T r = FromString<T>("1" + std::string(NewAccu - N, '0'));
    if (l == 0 || r == 0) {
        return 0;
    }
    T res = l * r;
    std::cout << l << std::endl;
    std::cout << r << std::endl;
    std::cout << res << std::endl;
    std::cout << (res / l) << std::endl;
    std::cout << std::endl;
    if ((res / l) != r) {
        throw std::runtime_error(
                   "FixedPoint Multiplication Overflow while upscaling [:" + std::to_string(l) + ", " + std::to_string(r) + "]");
    }

    return 0;
}

Clang 6 会发生这种情况，我的版本是：

$ clang++ --version
clang version 6.0.0-1ubuntu2 (tags/RELEASE_600/final)
Target: x86_64-pc-linux-gnu
Thread model: posix
InstalledDir: /usr/bin

这很有趣，因为它是一个令人印象深刻的优化，但这会破坏我的应用程序并阻止我检测溢出。我能够重现此问题in g++ here。它不会在那里抛出异常。

请注意，异常是在调试模式下抛出的，但不是在发布模式下。

Answer 1

正如@Basile 已经说过的，有符号整数溢出是一种未定义的行为，因此编译器可以以任何方式处理它——甚至优化它以获得性能优势.所以检测整数溢出发生后为时已晚。相反，您应该在整数溢出发生之前预测。

这是我的整数乘法溢出预测的实现：

#include <limits>

template <typename T>
bool predict_mul_overflow(T x, T y)
{
    static_assert(std::numeric_limits<T>::is_integer, "predict_mul_overflow expects integral types");

    if constexpr (std::numeric_limits<T>::is_bounded)
    {
        return ((x != T{0}) && ((std::numeric_limits<T>::max() / x) < y));
    }
    else
    {
        return false;
    }
}

如果整数乘法 x * y 预计会溢出，则该函数返回 true。

请注意，虽然unsigned 溢出在modular arithmetic 方面是明确定义的，但signed 溢出是undefined behavior。尽管如此，所呈现的函数也适用于 signed 和 unsigned T 类型。

Answer 2

如果您想检测（签名）integer overflows（在标量类型上，如 int64_t 或 long），您应该使用适当的内置函数，通常是特定于编译器的。

对于 GCC，请参阅 integer overflow builtins。

整数溢出（在普通的int 或long 或其他有符号整数类型上）是undefined behavior 的一个实例，因此编译器可以针对它进行优化。成为scared。如果您依赖于 UB，那么您将不再使用标准 C++ 进行编码，并且您的程序与特定的编译器和系统相关联，因此根本不是 portable（甚至与其他编译器、其他编译器版本、其他编译标志、其他计算机和操作系统）。因此，允许 Clang（或 GCC）针对整数溢出进行优化，有时会这样做。

或者考虑使用一些bignum 包（当然你不只处理预定义的C++ 整数标量类型）。也许GMPlib。

如果您的数字适合 128 位，您可以考虑使用 GCC 的 __int128。

我相信您无法在整数溢出发生时可靠地检测到它们（除非您使用integer overflow builtins）。您应该避免使用它们（或使用一些 bignum 库，或使用这些内置函数的一些库等）。