未定义的行为和序列点

Question

什么是“序列点”？

未定义行为与序列点之间的关系是什么？

我经常使用像a[++i] = i; 这样有趣而复杂的表达来让自己感觉更好。我为什么要停止使用它们？

如果您已阅读本文，请务必访问后续问题Undefined behavior and sequence points reloaded。

_{（注意：这是Stack Overflow's C++ FAQ 的一个条目。如果您想批评以这种形式提供常见问题解答的想法，那么the posting on meta that started all this 将是这样做的地方。回答该问题在C++ chatroom 中进行监控，FAQ 想法最初是从那里开始的，因此您的回答很可能会被提出该想法的人阅读。）}

Answer 1

C++98 和 C++03

此答案适用于旧版本的 C++ 标准。标准的 C++11 和 C++14 版本不正式包含“序列点”；操作是“先排序”或“未排序”或“不确定排序”。最终效果基本相同，但术语不同。

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免责声明：好的。这个答案有点长。所以阅读时要有耐心。如果你已经知道这些东西，再读一遍也不会让你发疯。

先决条件：C++ Standard的基本知识

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什么是序列点？

标准说

在称为序列点的执行序列中的某些指定点，之前评估的所有副作用 应是完整的，并且后续评估不会发生副作用。 (§1.9/7)

副作用？什么是副作用？

表达式的求值会产生一些东西，如果另外执行环境的状态发生变化，则表示该表达式（其求值）有一些副作用。

例如：

int x = y++; //where y is also an int

除了初始化操作之外，y 的值也会因为++ 操作符的副作用而改变。

到目前为止一切顺利。继续到序列点。 comp.lang.c作者Steve Summit给出的seq-points的替代定义：

序列点是尘埃落定的时间点，到目前为止已经看到的所有副作用都保证是完整的。

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C++标准中列出的常见序列点有哪些？

这些是：

• 在完整表达式求值结束时 (§1.9/16)（完整表达式是不是另一个表达式的子表达式的表达式。）¹

  例子：

  int a = 5; // ; is a sequence point here
  

• 在对第一个表达式求值之后对以下每个表达式求值(§1.9/18)²

  • a && b (§5.14)
  • a || b (§5.15)
  • a ? b : c (§5.16)
  • a , b (§5.18)（这里 a , b 是逗号运算符；在 func(a,a++) , 不是逗号运算符，它只是参数 a 和 a++ 之间的分隔符。因此在这种情况下行为是未定义的（如果a 被认为是原始类型））
    

• 在函数调用时（无论函数是否内联），在评估所有函数参数（如果有）之后 在函数体 (§1.9/17) 中执行任何表达式或语句之前发生。

_{1：注意：完整表达式的评估可以包括非词法上的子表达式的评估 完整表达的一部分。例如，评估默认参数表达式（8.3.6）所涉及的子表达式被认为是在调用函数的表达式中创建的，而不是定义默认参数的表达式}

_{2 : 指示的操作符是内置操作符，如第 5 节所述。当这些操作符之一在有效上下文中被重载（第 13 条），从而指定用户定义的操作符函数时，表达式指定一个函数调用，操作数形成一个参数列表，它们之间没有隐含的序列点。}

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什么是未定义行为？

标准将§1.3.12 部分中的未定义行为定义为

行为，例如在使用错误程序结构或错误数据时可能出现的行为，对此国际标准没有要求³。

当这 国际标准省略了对行为的任何明确定义的描述。

_{3 ：允许的未定义行为的范围从完全忽略具有不可预测结果的情况，到在翻译或程序执行期间以环境特征的记录方式表现（有或有- 发出诊断消息），终止翻译或执行（发出诊断消息）。}

简而言之，未定义的行为意味着任何事情都可能发生，从从你的鼻子飞出的守护进程到你的女朋友怀孕。

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未定义行为与序列点之间的关系是什么？

在我开始之前，您必须知道Undefined Behaviour, Unspecified Behaviour and Implementation Defined Behaviour 之间的区别。

您还必须知道the order of evaluation of operands of individual operators and subexpressions of individual expressions, and the order in which side effects take place, is unspecified。

例如：

int x = 5, y = 6;

int z = x++ + y++; //it is unspecified whether x++ or y++ will be evaluated first.

另一个例子here。

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现在§5/4 中的标准说

• 1) 在前一个序列点和下一个序列点之间，一个标量对象的存储值最多只能通过表达式的计算修改一次。

什么意思？

通俗地说，这意味着在两个序列点之间，一个变量不能被多次修改。 在表达式语句中，next sequence point 通常位于分号结束处，previous sequence point 位于前一条语句的末尾。表达式还可能包含中间 sequence points。

从上面的句子中，以下表达式调用未定义的行为：

i++ * ++i;   // UB, i is modified more than once btw two SPs
i = ++i;     // UB, same as above
++i = 2;     // UB, same as above
i = ++i + 1; // UB, same as above
++++++i;     // UB, parsed as (++(++(++i)))

i = (i, ++i, ++i); // UB, there's no SP between `++i` (right most) and assignment to `i` (`i` is modified more than once btw two SPs)

但是下面的表达是可以的：

i = (i, ++i, 1) + 1; // well defined (AFAIK)
i = (++i, i++, i);   // well defined 
int j = i;
j = (++i, i++, j*i); // well defined

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• 2) 此外，只能访问先验值以确定要存储的值。

这是什么意思？这意味着如果在完整表达式中写入对象，则在同一表达式中对它的任何和所有访问必须直接参与要写入的值的计算。

例如在i = i + 1 中，i 的所有访问（在 L.H.S 和 R.H.S 中）直接参与计算要写入的值。所以没关系。

此规则有效地将合法表达限​​制为那些访问明显先于修改的表达。

示例 1：

std::printf("%d %d", i,++i); // invokes Undefined Behaviour because of Rule no 2

示例 2：

a[i] = i++ // or a[++i] = i or a[i++] = ++i etc

是不允许的，因为 i 的访问之一（a[i] 中的那个）与最终存储在 i 中的值无关（这在 i++ 中发生），所以没有定义的好方法——无论是为了我们的理解还是为了编译器的——访问应该发生在存储增量值之前还是之后。所以行为是不确定的。

示例 3：

int x = i + i++ ;// Similar to above

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跟进 C++11 的答案here。

Answer 2

这是我的previous answer 的后续内容，包含 C++11 相关材料。。

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先决条件：关系（数学）的基本知识。

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C++11中真的没有序列点吗？

是的！这是非常正确的。

序列点已替换为Sequenced Before和Sequenced After（以及Unsequenced和Indeterminately序列化) relations 在 C++11 中。

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这个'Sequenced before'到底是什么？

Sequenced Before^(§1.9/13) 是一种关系：

• Asymmetric
• Transitive

在由单个 thread 执行的评估之间并引发 严格的偏序¹

正式的意思是给定任意两个评估^{（见下文）}A和B，如果A排序在B之前，则执行A 的 应在B 的执行之前。如果A 没有在B 之前排序并且B 没有在A 之前排序，那么A 和B 是未排序的 ²。

当A 在B 之前排序或B 在A 之前排序时，评估A 和B 是不确定排序，但未指定哪个³.

_{[注释]
1：严格的偏序是binary relation"<"在一组P上的asymmetric和transitive，即对于a中的所有a、b和c @，我们有：
........(i)。如果 a asymmetry);
........（二）。如果 a transitivity)。
2：无序评估的执行可以重叠。
3 : 不确定顺序的评估不能重叠，但可以先执行。}

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在 C++11 的上下文中，“评估”这个词是什么意思？

在 C++11 中，表达式（或子表达式）的求值通常包括：

• 值计算（包括确定 glvalue evaluation 的对象的身份，并获取先前分配给 prvalue evaluation 的对象的值）和

• 副作用的开始。

现在（§1.9/14）说：

与完整表达式相关的每个值计算和副作用都在与要评估的下一个完整表达式相关的每个值计算和副作用之前进行排序。

• 简单的例子：

  int x; x = 10; ++x;

  与++x相关的值计算和副作用在x = 10;的值计算和副作用之后排序

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那么 Undefined Behavior 和上面提到的事情之间肯定有某种联系，对吧？

是的！没错。

在 (§1.9/15) 中提到

除非另有说明，否则单个运算符的操作数和单个表达式的子表达式的求值是无序的⁴。

例如：

int main()
{
     int num = 19 ;
     num = (num << 3) + (num >> 3);
} 

1. + 运算符的操作数的计算相对于彼此是无序的。
2. << 和 >> 运算符的操作数的计算相对于彼此是无序的。

_{4：在执行期间多次计算的表达式中 对于一个程序，其子表达式的未排序和不确定排序评估不需要在不同的评估中一致地执行。}

（第 1.9/15 节） 一个操作数的值计算 运算符在运算符结果的值计算之前排序。

这意味着在x + y 中x 和y 的值计算在(x + y) 的值计算之前排序。

更重要的是

（第 1.9/15 节）如果标量对象的副作用相对于任何一个都是无序的

(a) 同一个标量对象的另一个副作用

或

(b) 使用同一标量对象的值进行值计算。

行为是未定义。

例子：

int i = 5, v[10] = { };
void  f(int,  int);

1. i = i++ * ++i; // Undefined Behaviour
2. i = ++i + i++; // Undefined Behaviour
3. i = ++i + ++i; // Undefined Behaviour
4. i = v[i++]; // Undefined Behaviour
5. i = v[++i]: // Well-defined Behavior
6. i = i++ + 1; // Undefined Behaviour
7. i = ++i + 1; // Well-defined Behaviour
8. ++++i; // Well-defined Behaviour
9. f(i = -1, i = -1); // Undefined Behaviour (see below)

调用函数时（无论函数是否内联），与任何参数表达式或指定被调用函数的后缀表达式相关的每个值计算和副作用，都在执行每个表达式或语句之前排序被调用函数的主体。 [注意： 与不同参数表达式相关的值计算和副作用是无序的。 — 尾注]

表达式(5)、(7) 和(8) 不会调用未定义的行为。查看以下答案以获得更详细的说明。

• Multiple preincrement operations on a variable in C++0x
• Unsequenced Value Computations

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最后说明：

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Answer 3

我猜想这种变化有一个根本原因，让旧的解释更清晰不仅仅是表面上的：这个原因是并发性。未指定的细化顺序只是选择几种可能的串行顺序之一，这与之前和之后的顺序完全不同，因为如果没有指定的顺序，则可以进行并发评估：旧规则不是这样。例如在：

f (a,b)

之前是 a 然后 b，或者 b 然后 a。现在，可以使用交错的指令甚至在不同的内核上评估 a 和 b。

Answer 4

C++17 (N4659) 包含一个提案Refining Expression Evaluation Order for Idiomatic C++ 它定义了更严格的表达式求值顺序。

特别是下面的句子

8.18 赋值和复合赋值运算符：
....

在所有情况下，赋值都在值之后排序 计算右操作数和左操作数，以及在赋值表达式的值计算之前。 右操作数排在左操作数之前。

连同以下说明

如果每个表达式 X 被称为在表达式 Y 之前排序 值计算和与表达式相关的每个副作用 X 在每个值之前排序 计算以及与表达式 Y 相关的所有副作用。

使以前未定义的行为的几种情况有效，包括有问题的情况：

a[++i] = i;

但是其他几个类似的情况仍然会导致未定义的行为。

在N4140:

i = i++ + 1; // the behavior is undefined

但是在N4659

i = i++ + 1; // the value of i is incremented
i = i++ + i; // the behavior is undefined

当然，使用符合 C++17 的编译器并不一定意味着应该开始编写这样的表达式。

Answer 5

在C99(ISO/IEC 9899:TC3) 中，到目前为止似乎没有出现在讨论中，以下是关于评估顺序的说明。

[...]子表达式的求值顺序和计算顺序 发生的副作用均未指定。 （第 6.5 节，第 67 页）

未指定操作数的求值顺序。如果尝试 用于修改赋值运算符的结果或访问它 在下一个序列点之后，行为[原文如此]是未定义的。（部分 6.5.16 第 91 页）