具有不同编译器标志的不同翻译单元中的内联函数未定义行为？

Question

在 Visual Studio 中，您可以为各个 cpp 文件设置不同的编译器选项。例如：在“代码生成”下，我们可以在调试模式下启用基本运行时检查。或者我们可以改变浮点模型（精确/严格/快速）。这些只是例子。有很多不同的标志。

一个内联函数可以在程序中定义多次，只要定义相同。我们把这个函数放在一个标题中，并将它包含在几个翻译单元中。现在，如果不同 cpp 文件中的不同编译器选项导致函数的编译代码略有不同，会发生什么情况？那么它们确实不同，我们有未定义的行为？您可以将函数设为静态（或将其放入未命名的命名空间），但更进一步，直接在类中定义的每个成员函数都是隐式内联的。这意味着如果这些 cpp 文件共享相同的编译器标志，我们只能在不同的 cpp 文件中包含类。我无法想象这是真的，因为这基本上很容易出错。

在未定义行为的土地上，我们真的那么快吗？还是编译器会处理这种情况？

Answer 1

就标准而言，命令行标志的每种组合都会将编译器转换为不同的实现。虽然实现能够使用由其他实现生成的目标文件很有用，但标准没有强制要求他们这样做。

即使没有内联，也请考虑在一个编译单元中包含以下功能：

char foo(void) { return 255; }

还有以下内容：

char foo(void);
int arr[128];
void bar(void)
{
  int x=foo();
  if (x >= 0 && x < 128)
     arr[x]=1;
}

如果char 在两个编译单元中都是有符号类型，则第二个单元中x 的值将小于零（从而跳过数组分配）。如果它在两个单元中都是无符号类型，则它将大于 127（同样跳过赋值）。但是，如果一个编译单元使用有符号 char 而另一个使用无符号，并且如果实现预期在结果寄存器中返回值以符号扩展或零扩展，则结果可能是编译器可能会确定 @987654326 @ 不能大于 127，即使它持有 255，或者它不能小于 0，即使它持有 -1。因此，生成的代码可能会访问arr[255] 或arr[-1]，从而产生潜在的灾难性后果。

虽然在许多情况下使用不同编译器标志组合代码应该是安全的，但标准并未努力区分这种混合是安全的和不安全的。

Answer 2

我最近写了一些代码来测试这个问题是否真的存在。

剧透：确实如此。

设置：

我正在使用 AVX512 指令编译我们的一些代码。由于大多数 cpu 不支持 AVX512，我们需要在没有 AVX512 的情况下编译大部分代码。问题是：用AVX512编译的cpp文件中使用的内联函数是否可以用非法指令“毒化”整个库。

想象这样一种情况，来自非 AVX512 cpp 文件的函数调用我们的函数，但它遇到了来自 AVX512 编译单元的程序集。这将在非 AVX512 机器上为我们提供illegal instruction。

让我们试一试：

func.h

inline void __attribute__ ((noinline)) double_it(float* f) {
  for (int i = 0; i < 16; i++)
    f[i] = f[i] + f[i];
}

我们定义了一个内联（在链接器意义上）函数。使用硬编码的 16 将使 GCC 优化器使用 AVX512 指令。我们必须使它 ((noinline)) 以防止编译器内联它（即将它的代码粘贴到调用者）。这是一种假装这个函数太长而不值得内联的廉价方法。

avx512.cpp

#include "func.h"
#include <iostream>

void run_avx512() {
  volatile float f = 1;
  float arr [16] = {f};
  double_it(arr);
  for (int i = 0; i < 16; i++)
    std::cout << arr[i] << " ";
  std::cout << std::endl;
}

这是 AVX512 使用我们的double_it 函数。它将一些数组加倍并打印结果。我们将使用 AVX512 编译它。

non512.cpp

#include "func.h"
#include <iostream>

void run_non_avx() {
  volatile float f = 1;
  float arr [16] = {f};
  double_it(arr);
  for (int i = 0; i < 16; i++)
    std::cout << arr[i] << " ";
  std::cout << std::endl;
}

与之前的逻辑相同。这个不会用 AVX512 编译。

lib_user.cpp

void run_non_avx();

int main() {
  run_non_avx();
}

一些用户代码。调用没有 AVX512 编译的`run_non_avx。它不知道它会起泡:)

现在我们可以编译这些文件并将它们链接为共享库（可能普通的库也可以）

g++ -c avx512.cpp -o avx512.o -O3 -mavx512f -g3 -fPIC
g++ -c non512.cpp -o non512.o -O3 -g3 -fPIC
g++ -shared avx512.o non512.o -o libbad.so
g++ lib_user.cpp -L . -lbad -o lib_user.x
./lib_user.x

在我的机器上运行它（没有 AVX512）给了我

$ ./lib_user.x
Illegal instruction (core dumped)

附带说明，如果我更改avx512.o non512.o 的顺序，它就会开始工作。似乎链接器忽略了相同功能的后续实现。

Answer 3

一个内联函数可以在程序中定义多次，如 只要定义相同

没有。 （“相同”在这里甚至不是一个定义明确的概念。）

形式上，定义必须在某种非常强烈的意义上是等价的，这甚至没有任何意义作为要求，也没有人关心：

// in some header (included in multiple TU):

const int limit_max = 200; // implicitly static

inline bool check_limit(int i) {
  return i<=limit_max; // OK
}

inline int impose_limit(int i) {
  return std::min(i, limit_max); // ODR violation
}

这样的代码是完全合理的，但在形式上违反了单一定义规则：

在D的每一个定义中，对应的名字，根据 6.4 [basic.lookup]，应指在 D 的定义中定义的实体，或应指重载后的同一实体 分辨率（16.3 [over.match]）和部分模板匹配后 专业化（17.9.3 [temp.over]），除了名称可以引用 const 对象，如果对象具有相同的内部链接或没有链接 D 的所有定义中的字面量类型，并且对象已初始化 带有常量表达式 (8.20 [expr.const])、 和值（但不是 使用对象的地址），并且对象具有相同的值 在 D 的所有定义中；

因为该异常不允许使用具有内部链接的 const 对象（const int 是隐式静态的）来直接绑定 const 引用（然后仅将引用用作其值）。正确的版本是：

inline int impose_limit(int i) {
  return std::min(i, +limit_max); // OK
}

这里limit_max 的值用于一元运算符 + 并且然后一个 const 引用绑定到一个用该值初始化的临时对象。谁真正做到了？

但即使是委员会也不认为正式的 ODR 很重要，正如我们在 Core Issue 1511 中看到的那样：

1511。 const volatile 变量和单定义规则

部分：6.2 [basic.def.odr] 状态：CD3 提交者：Richard 史密斯日期：2012-06-18

[在 2013 年 4 月的会议上移至 DR。]

对于以下示例，此措辞可能不够清晰：

  const volatile int n = 0;
  inline int get() { return n; }

我们看到，委员会认为这种公然违反 ODR 的意图和目的的行为，在每个 TU 中读取不同 volatile 对象的代码，即具有不同对象的可见副作用，所以不同可见副作用，没关系，因为我们不关心哪个是哪个。

重要的是内联函数的效果是模糊等价的：执行 volatile int 读取，这是一个非常弱的等价性，但足以自然使用 ODR instance indifference：使用内联函数的哪个特定实例无关紧要，也不会产生影响。

特别是 volatile 读取的值根据定义编译器不知道，因此编译器分析的此函数的后置条件和不变量是相同的。

在不同的 TU 中使用不同的函数定义时，您需要确保从调用者的角度来看它们是严格等价的：永远不可能通过用一个替换另一个来让调用者感到惊讶。这意味着即使代码不同，可观察到的行为也必须严格相同。

如果您使用不同的编译器选项，它们不得更改函数可能结果的范围（编译器认为可能）。

因为“标准”（实际上并不是编程语言的规范）允许浮点对象以完全不受约束的方式使用任何非 volatile 限定的浮点具有其官方声明类型所不允许的真实表示除非您激活“double 表示 double”模式（这是唯一正常的模式），否则任何受 ODR 多重定义的点类型似乎都有问题。