编译器背后的小故事

   工作当中遇到过好几次比较诡异的问题,最后基本都是编译器捣的鬼,在此总结一下,以供大家参考,不对之处希望踊跃拍砖(peakflys原创作品,转载注明 )
   编译环境:GCC 3.4.5 20051201   (项目组早期代码从04年开始的),为了脱离实际项目代码,下面仅用测试例子来反映基本一样的问题。
例一:
/**
 *\author peakflys
 *\brief 演示编译器“潜规则”
 */
#include <iostream>
#include <limits>
using namespace std;
typedef unsigned int DWORD;
typedef unsigned long QWORD;

int main()
{
    cout<<"max unsigned int : \t"<<numeric_limits<DWORD>::max()<<endl;  
    cout<<"max unsigned long: \t"<<numeric_limits<QWORD>::max()<<endl;  
    DWORD st1 = 4200000000,st2 = 100000000;
    QWORD i1 = st1 + st2; //或者直接就用4200000000 + 100000000 
     cout<<i1<<endl;
    return 0;
}
我服务器上的运行结果:
max unsigned int :      4294967295
max unsigned long:      18446744073709551615
5032704
如果在高级别的警告环境下,编译会有溢出警告,而运行结果也证明了确实溢出了。
查看汇编如下:
0x0000000000400949 <main+101>:  movl   $0xfa56ea00,-0x18(%rbp)
0x0000000000400950 <main+108>:  movl   $0x5f5e100,-0x14(%rbp)
0x0000000000400957 <main+115>:  mov    -0x14(%rbp),%eax
0x000000000040095a <main+118>:  add    -0x18(%rbp),%eax
0x000000000040095d <main+121>:  mov    %eax,%eax
0x000000000040095f <main+123>:  mov    %rax,-0x10(%rbp)
0x0000000000400963 <main+127>:  mov    -0x10(%rbp),%rsi
0x0000000000400967 <main+131>:  mov    $0x600ed0,%edi
0x000000000040096c <main+136>:  callq  0x400748 <_ZNSolsEm@plt>
原来编译器是先把st2值放在eax里,然后和st1相加,结果还是放在eax里,而eax是32位寄存器,自然溢出了……
修改代码及运行结果如下:
/**
 *\author peakflys
 *\brief 演示编译器“潜规则”
 */
#include <iostream>
#include <limits>
using namespace std;
typedef unsigned int DWORD;
typedef unsigned long QWORD;

int main()
{
    cout<<"max unsigned int : \t"<<numeric_limits<DWORD>::max()<<endl;  
    cout<<"max unsigned long: \t"<<numeric_limits<QWORD>::max()<<endl;  
    DWORD st1 = 4200000000,st2 = 100000000;
    QWORD i1 = (QWORD)st1 + st2;
    cout<<i1<<endl;
    return 0;
}
max unsigned int :      4294967295
max unsigned long:      18446744073709551615
4300000000
这次运行正确,直接disassemble,相加代码汇编如下:
0x0000000000400949 <main+101>:  movl   $0xfa56ea00,-0x18(%rbp)
0x0000000000400950 <main+108>:  movl   $0x5f5e100,-0x14(%rbp)
0x0000000000400957 <main+115>:  mov    -0x18(%rbp),%edx
0x000000000040095a <main+118>:  mov    -0x14(%rbp),%eax
0x000000000040095d <main+121>:  lea    (%rdx,%rax,1),%rax
0x0000000000400961 <main+125>:  mov    %rax,-0x10(%rbp)
0x0000000000400965 <main+129>:  mov    -0x10(%rbp),%rsi
0x0000000000400969 <main+133>:  mov    $0x600ed0,%edi
0x000000000040096e <main+138>:  callq  0x400748 <_ZNSolsEm@plt>
可见这次编译器动用了两个寄存器edx和eax来做相加操作,结果在64为的rax里,自然不会溢出了。这个例子的原型是程序里处理玩家获得经验的经验公式,本来很多经验,最后只获得了极少的经验。
例二:
/**
 *\author peakflys
 *\brief 演示编译器自动优化
 */
#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
    public:
        A(const int _a) : a(a){}
        int a;
};
int main()
{
    cout<<"test1(const Class):\t";
    const A ca(100);
    A *pca = (A*)&ca;
    pca->a = 50; 
    cout<<"initValue: 100"<<"\tconstValue:"<<ca.a<<"\tnonconstValue:"<<pca->a<<endl;

    cout<<"test2(const int):\t";
    const int a = 100;
    int *pi = (int *)&a;
    *pi = 50; 
    cout<<"initValue: 100"<<"\tconstValue:"<<a<<"\tnonconstValue:"<<*pi<<endl;

    cout<<"test3(const string):\t";
    const string s("中国"); "
    char *ps = const_cast<char*> (s.c_str());
    strcpy(ps,"美国"); "
    cout<<"initValue: 中国"<<"\tconstValue:"<<s<<"\tnonconstValue:"<<ps<<endl;nd

    return 0;
}
运行结果如下:
test1(const Class):     initValue: 100  constValue:50   nonconstValue:50
test2(const int):       initValue: 100  constValue:100  nonconstValue:50
test3(const string):    initValue: 中国 constValue:美国 nonconstValue:美国
程序中强制去除const的代码很粗暴,很ugly,但是 实际使用中有时候不得不因为各种原因而使用这样的代码。上面例子中对于class类型(自定义的classA和系统的class string)和系统基本类型(上面的int)强制去掉栈对象的const属性再做操作是可行的(这样的const仅仅是编译器操作的const,如果是字符串常量等实际常量区的对象强行操作,操作系统会发飙的……),但是操作结果却不一样,查看汇编:
ump of assembler code for function main:
0x0000000000400b24 <main+0>:    push   %rbp
0x0000000000400b25 <main+1>:    mov    %rsp,%rbp
0x0000000000400b28 <main+4>:    push   %r12
0x0000000000400b2a <main+6>:    push   %rbx
0x0000000000400b2b <main+7>:    sub    $0x50,%rsp

***********************************test1*********************************************

0x0000000000400b2f <main+11>:   mov    $0x400e48,%esi
0x0000000000400b34 <main+16>:   mov    $0x601300,%edi
0x0000000000400b39 <main+21>:   callq  0x400940 <_ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc@plt>
0x0000000000400b3e <main+26>:   lea    -0x30(%rbp),%rdi                  //ca的栈地址!
0x0000000000400b42 <main+30>:   mov    $0x64,%esi
0x0000000000400b47 <main+35>:   callq  0x400d36 <A>                       //调用A构造函数
0x0000000000400b4c <main+40>:   lea    -0x30(%rbp),%rax
0x0000000000400b50 <main+44>:   mov    %rax,-0x28(%rbp)               //pca的栈地址!
0x0000000000400b54 <main+48>:   mov    -0x28(%rbp),%rax
0x0000000000400b58 <main+52>:   movl   $0x32,(%rax)                       //pca所地址(即ca),赋值0x32(50)
0x0000000000400b5e <main+58>:   mov    -0x28(%rbp),%rax                //从右向左压栈 ,先取出pca值 
0x0000000000400b62 <main+62>:   mov    (%rax),%r12d                      //取出pca所指内存值 
0x0000000000400b65 <main+65>:   mov    -0x30(%rbp),%ebx               //取出ca值
0x0000000000400b68 <main+68>:   mov    $0x400e5d,%esi                  //
0x0000000000400b6d <main+73>:   mov    $0x601300,%edi                  //压栈esi、edi,装备调用callq 
0x0000000000400b72 <main+78>:   callq  0x400940 <_ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc@plt>
0x0000000000400b77 <main+83>:   mov    %rax,%rdi
0x0000000000400b7a <main+86>:   mov    $0x400e6c,%esi
0x0000000000400b7f <main+91>:   callq  0x400940 <_ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc@plt>
0x0000000000400b84 <main+96>:   mov    %rax,%rdi
0x0000000000400b87 <main+99>:   mov    %ebx,%esi
0x0000000000400b89 <main+101>:  callq  0x4008e0 <_ZNSolsEi@plt>
0x0000000000400b8e <main+106>:  mov    %rax,%rdi
0x0000000000400b91 <main+109>:  mov    $0x400e79,%esi
0x0000000000400b96 <main+114>:  callq  0x400940 <_ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc@plt>
0x0000000000400b9b <main+119>:  mov    %rax,%rdi
0x0000000000400b9e <main+122>:  mov    %r12d,%esi
0x0000000000400ba1 <main+125>:  callq  0x4008e0 <_ZNSolsEi@plt>
0x0000000000400ba6 <main+130>:  mov    %rax,%rdi
0x0000000000400ba9 <main+133>:  mov    $0x4009a0,%esi
0x0000000000400bae <main+138>:  callq  0x400990 <_ZNSolsEPFRSoS_E@plt>

***********************************test2*********************************************

0x0000000000400bb3 <main+143>:  mov    $0x400e89,%esi
0x0000000000400bb8 <main+148>:  mov    $0x601300,%edi
0x0000000000400bbd <main+153>:  callq  0x400940 <_ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc@plt>
0x0000000000400bc2 <main+158>:  movl   $0x64,-0x34(%rbp)                   //a地址,ox64(100)放入此处
0x0000000000400bc9 <main+165>:  lea    -0x34(%rbp),%rax
0x0000000000400bcd <main+169>:  mov    %rax,-0x20(%rbp)                    //pi地址,放入a地址
0x0000000000400bd1 <main+173>:  mov    -0x20(%rbp),%rax                    //取出pi地址
0x0000000000400bd5 <main+177>:  movl   $0x32,(%rax)                           //pi所指内容(即a)赋值50
0x0000000000400bdb <main+183>:  mov    -0x20(%rbp),%rax                     //从右向左压栈 ,先取出pi值  
0x0000000000400bdf <main+187>:  mov    (%rax),%ebx                             //pi所指内存值 
                                                                                                        //此处没有取a的值???
0x0000000000400be1 <main+189>:  mov    $0x400e5d,%esi                        //
0x0000000000400be6 <main+194>:  mov    $0x601300,%edi                        //压栈esi、edi,装备调用callq  
0x0000000000400beb <main+199>:  callq  0x400940 <_ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc@plt>
0x0000000000400bf0 <main+204>:  mov    %rax,%rdi
0x0000000000400bf3 <main+207>:  mov    $0x400e6c,%esi
0x0000000000400bf8 <main+212>:  callq  0x400940 <_ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc@plt>
0x0000000000400bfd <main+217>:  mov    %rax,%rdi
0x0000000000400c00 <main+220>:  mov    $0x64,%esi
0x0000000000400c05 <main+225>:  callq  0x4008e0 <_ZNSolsEi@plt>
0x0000000000400c0a <main+230>:  mov    %rax,%rdi
0x0000000000400c0d <main+233>:  mov    $0x400e79,%esi
0x0000000000400c12 <main+238>:  callq  0x400940 <_ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc@plt>
0x0000000000400c17 <main+243>:  mov    %rax,%rdi
0x0000000000400c1a <main+246>:  mov    %ebx,%esi
0x0000000000400c1c <main+248>:  callq  0x4008e0 <_ZNSolsEi@plt>
0x0000000000400c21 <main+253>:  mov    %rax,%rdi
0x0000000000400c24 <main+256>:  mov    $0x4009a0,%esi
0x0000000000400c29 <main+261>:  callq  0x400990 <_ZNSolsEPFRSoS_E@plt>

***********************************test3*********************************************

0x0000000000400c2e <main+266>:  mov    $0x400e9c,%esi
0x0000000000400c33 <main+271>:  mov    $0x601300,%edi
0x0000000000400c38 <main+276>:  callq  0x400940 <_ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc@plt>
0x0000000000400c3d <main+281>:  lea    -0x29(%rbp),%rdi
0x0000000000400c41 <main+285>:  callq  0x4009b0 <_ZNSaIcEC1Ev@plt>
0x0000000000400c46 <main+290>:  lea    -0x29(%rbp),%rdx
0x0000000000400c4a <main+294>:  lea    -0x40(%rbp),%rdi
0x0000000000400c4e <main+298>:  mov    $0x400eb2,%esi
0x0000000000400c53 <main+303>:  callq  0x400960 <_ZNSsC1EPKcRKSaIcE@plt>
0x0000000000400c58 <main+308>:  lea    -0x29(%rbp),%rdi
0x0000000000400c5c <main+312>:  callq  0x400980 <_ZNSaIcED1Ev@plt>
0x0000000000400c61 <main+317>:  lea    -0x40(%rbp),%rdi
0x0000000000400c65 <main+321>:  callq  0x4008f0 <_ZNKSs5c_strEv@plt>
0x0000000000400c6a <main+326>:  mov    %rax,-0x48(%rbp)
0x0000000000400c6e <main+330>:  jmp    0x400c8e <main+362>
0x0000000000400c70 <main+332>:  mov    %rax,-0x58(%rbp)
0x0000000000400c74 <main+336>:  mov    -0x58(%rbp),%rbx
0x0000000000400c78 <main+340>:  lea    -0x29(%rbp),%rdi
0x0000000000400c7c <main+344>:  callq  0x400980 <_ZNSaIcED1Ev@plt>
0x0000000000400c81 <main+349>:  mov    %rbx,-0x58(%rbp)
0x0000000000400c85 <main+353>:  mov    -0x58(%rbp),%rdi
0x0000000000400c89 <main+357>:  callq  0x4009d0 <_Unwind_Resume@plt>
0x0000000000400c8e <main+362>:  mov    -0x48(%rbp),%rax
0x0000000000400c92 <main+366>:  mov    %rax,-0x18(%rbp)
0x0000000000400c96 <main+370>:  mov    -0x18(%rbp),%rax
0x0000000000400c9a <main+374>:  movl   $0xe58ebee7,(%rax)
0x0000000000400ca0 <main+380>:  movw   $0xbd9b,0x4(%rax)
0x0000000000400ca6 <main+386>:  movb   $0x0,0x6(%rax)
0x0000000000400caa <main+390>:  mov    $0x400eb9,%esi
0x0000000000400caf <main+395>:  mov    $0x601300,%edi
0x0000000000400cb4 <main+400>:  callq  0x400940 <_ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc@plt>
0x0000000000400cb9 <main+405>:  mov    %rax,%rdi
0x0000000000400cbc <main+408>:  mov    $0x400e6c,%esi
0x0000000000400cc1 <main+413>:  callq  0x400940 <_ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc@plt>
0x0000000000400cc6 <main+418>:  mov    %rax,%rdi
0x0000000000400cc9 <main+421>:  lea    -0x40(%rbp),%rsi
0x0000000000400ccd <main+425>:  callq  0x400970 <_ZStlsIcSt11char_traitsIcESaIcEERSt13basic_ostreamIT_T0_ES7_RKSbIS4_S5_T1_E@plt>
0x0000000000400cd2 <main+430>:  mov    %rax,%rdi
0x0000000000400cd5 <main+433>:  mov    $0x400e79,%esi
0x0000000000400cda <main+438>:  callq  0x400940 <_ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc@plt>
0x0000000000400cdf <main+443>:  mov    %rax,%rdi
0x0000000000400ce2 <main+446>:  mov    -0x18(%rbp),%rsi
0x0000000000400ce6 <main+450>:  callq  0x400940 <_ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc@plt>
0x0000000000400ceb <main+455>:  mov    %rax,%rdi
0x0000000000400cee <main+458>:  mov    $0x4009a0,%esi
0x0000000000400cf3 <main+463>:  callq  0x400990 <_ZNSolsEPFRSoS_E@plt>
0x0000000000400cf8 <main+468>:  mov    $0x0,%ebx
0x0000000000400cfd <main+473>:  lea    -0x40(%rbp),%rdi
0x0000000000400d01 <main+477>:  callq  0x400950 <_ZNSsD1Ev@plt>
0x0000000000400d06 <main+482>:  mov    %ebx,-0x4c(%rbp)
0x0000000000400d09 <main+485>:  jmp    0x400d29 <main+517>
0x0000000000400d0b <main+487>:  mov    %rax,-0x58(%rbp)
0x0000000000400d0f <main+491>:  mov    -0x58(%rbp),%rbx
0x0000000000400d13 <main+495>:  lea    -0x40(%rbp),%rdi
0x0000000000400d17 <main+499>:  callq  0x400950 <_ZNSsD1Ev@plt>
0x0000000000400d1c <main+504>:  mov    %rbx,-0x58(%rbp)
0x0000000000400d20 <main+508>:  mov    -0x58(%rbp),%rdi
0x0000000000400d24 <main+512>:  callq  0x4009d0 <_Unwind_Resume@plt>
0x0000000000400d29 <main+517>:  mov    -0x4c(%rbp),%eax
0x0000000000400d2c <main+520>:  add    $0x50,%rsp
0x0000000000400d30 <main+524>:  pop    %rbx
0x0000000000400d31 <main+525>:  pop    %r12
0x0000000000400d33 <main+527>:  leaveq 
0x0000000000400d34 <main+528>:  retq 
因test1和test3基本原理一样,故上面汇编注释只有test1和test2的,从上面汇编可以看出,编译器调用cout时,参数入栈是从右向左的,对于test1是取出pca所指内存值入栈,再取ca所指内存值入栈,然后调用cout输出。但是test2入栈的却只有pi所指内存值,i并没有入栈。汇编没显示,个人认为 应该是编译器在汇编时就做了优化,把cout中的常量a直接替换掉了。这种错误在实际项目中显现出的问题很诡异,刚开始也很难查,所以强转基本类型const时注意这种情况。
例三、待续……
                                                                                                                                                            (peakflys原创作品,转载注明 )

posted on 2012-07-27 17:08 peakflys 阅读(3330) 评论(4)  编辑 收藏 引用 所属分类: C++

评论

# re: 编译器背后的小故事 2012-07-28 08:22 ntest

第二个示例,应该是int常量和object(string也算object)常量不同的原因, 好比值类型与引用类型.
int可以放到寄存器中,作为常量当然可以直接替换.
而object需要占用内存空间,const只是限制对object的修改,强转之后就去除了这个限制.  回复  更多评论   

# re: 编译器背后的小故事 2012-07-29 14:46 zgpxgame

s1,s2是同类型,不会发生隐式类型转换,结果当然也是同类型的而溢出,隐式类型转换发生在赋值时

strcpy(ps,"美国") 如果只是试验,倒也关系不大,实际中这样可能导致问题  回复  更多评论   

# re: 编译器背后的小故事 2012-07-30 10:48 peakflys

@ntest 而object需要占用内存空间???
这位仁兄的意思是const int 没有内存的占用,只有寄存器的占用?上面例二加上汇编码是为了说明,const int入栈时 没有从内存取值,应该是编译器优化直接从类似的符号表(同C中的define一样)里取出数值。  回复  更多评论   

# re: 编译器背后的小故事 2012-07-30 11:01 peakflys

@zgpxgame
例一的结果自然是发生在隐式转换之前的值溢出,但 关键应该是上面提到的GCC编译器做运算时如果后面运算值没有超过32位的,都会用32位寄存器做运算,只有你运算值本身有大于32位的或者程序中强制转换成大于32位的(如例一后来改的那样),编译器才会有64位寄存器的参与。就如同如果上面是把两个unsigned short的最大值,即65535+65535赋给一个unsigned int值,程序运行正常,不会发生溢出。
PS string强转去除const属性,在实际应用中会出现,但是一般项目中都不会强制改变它的内容,上面例二仅仅是测试类常量和基本值常量直接些许的差别。  回复  更多评论   


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