gcc 会跳过这个检查有符号整数溢出吗？

Question

例如，给定以下代码：

int f(int n)
{
    if (n < 0)
        return 0;
    n = n + 100;
    if (n < 0)
        return 0;
    return n;
}

假设您传入的数字非常接近整数溢出（距离小于 100），编译器会生成给您负返回的代码吗？

以下是 Simon Tatham 的“The Descent to C”中关于这个问题的摘录：

“GNU C 编译器 (gcc) 会为此函数生成代码，如果您传入（例如）最大可表示的 'int' 值，则该函数可以返回负整数。因为编译器在第一个 if 语句之后知道n 是正数，然后它假设没有发生整数溢出，并使用该假设得出加法后 n 的值必须仍然为正的结论，因此它完全删除了第二个 if 语句并返回未经检查的加法结果。 "

这让我想知道 C++ 编译器中是否存在相同的问题，以及是否应该小心不要跳过整数溢出检查。

Answer 1

简答

编译器是否肯定会优化您示例中的检查，我们不能说适用于所有情况，但我们可以使用godbolt interactive compiler 和以下代码对gcc 4.9 进行测试（see it live):

int f(int n)
{
    if (n < 0) return 0;

    n = n + 100;

    if (n < 0) return 0;

    return n;
}

int f2(int n)
{
    if (n < 0) return 0;

    n = n + 100;

    return n;
}

我们看到它为两个版本生成了相同的代码，这意味着它确实省略了第二次检查：

f(int):  
    leal    100(%rdi), %eax #, tmp88 
    testl   %edi, %edi  # n
    movl    $0, %edx    #, tmp89
    cmovs   %edx, %eax  # tmp88,, tmp89, D.2246
    ret
f2(int):
    leal    100(%rdi), %eax #, tmp88
    testl   %edi, %edi  # n
    movl    $0, %edx    #, tmp89 
    cmovs   %edx, %eax  # tmp88,, tmp89, D.2249
    ret

长答案

当您的代码表现出undefined behavior 或依赖于潜在的未定义行为（在此示例中为带符号整数溢出）时，编译器可以做出假设并围绕它们进行优化。例如，它可以假设没有未定义的行为，因此根据该假设进行优化。最臭名昭著的例子可能是removal of a null check in the Linux kernel。代码如下：

struct foo *s = ...;
int x = s->f;
if (!s) return ERROR;
... use s ..

使用的逻辑是，由于 s 被取消引用，它不能是空指针，否则将是未定义的行为，因此它优化了 if (!s) 检查。链接的文章说：

问题在于第 2 行中对 s 的取消引用允许编译器 推断 s 不为空（如果指针为空，则函数 未定义；编译器可以简单地忽略这种情况）。就这样 第 3 行中的空值检查被静默优化，现在内核 如果攻击者可以找到调用方法，则包含可利用的错误 这段代码带有一个空指针。

这同样适用于 C 和 C++，它们在未定义行为方面都有相似的语言。在这两种情况下，标准都告诉我们未定义行为的结果是不可预测的，尽管在两种语言中具体未定义的内容可能会有所不同。 draft C++ standard 定义未定义的行为如下：

本国际标准没有要求的行为

并包括以下注释（强调我的）：

当本国际标准出现时，可能会出现未定义的行为 省略任何明确的行为定义或当程序使用 错误的构造或错误的数据。 允许的未定义行为 范围从完全无视情况，不可预测 结果，在翻译或程序执行期间的行为 环境特征的书面记录方式（有或没有 发出诊断消息），终止翻译或 执行（发出诊断消息）。许多错误 程序构造不会产生未定义的行为；他们是 需要确诊。

C11 标准草案有类似的语言。

正确签名的溢出检查

您的检查不是防止有符号整数溢出的正确方法，您需要在执行操作之前进行检查，如果会导致溢出则不要执行操作。 Cert 有一个 good reference 关于如何防止各种操作的有符号整数溢出。对于加法情况，建议如下：

#include <limits.h>

void f(signed int si_a, signed int si_b) {
  signed int sum;
  if (((si_b > 0) && (si_a > (INT_MAX - si_b))) ||
      ((si_b < 0) && (si_a < (INT_MIN - si_b)))) {
    /* Handle error */
  } else {
    sum = si_a + si_b;
  }

如果我们将此代码插入 Godbolt，我们可以看到检查被省略，这是我们所期望的行为。