c++ - (int32_t) 255 << 24 是 gcc (C++11) 中的未定义行为吗？

Question

在 C++11 中，根据 en.cppreference.com ,

For signed and non-negative a, the value of a << b is a * 2^b if it is representable in the return type, otherwise the behavior is undefined.

我的理解是，因为 255 * 2²⁴ 不是表示为 int32_t ，评价(int32_t) 255 << 24产生未定义的行为。那是对的吗？这可以吗编译器依赖？如果重要的话，这是一个 IP16 环境。

背景:这来自an argument I am having与arduino.stackexchange.com 上的用户。在他看来，“没有什么对此根本没有定义”:

you notice that much of the bit shifting is "implementation defined". So you cannot quote chapter-and-verse from the specs. You have to go to the GCC documentation since that is the only place that can tell you what actually happens. gnu.org/software/gnu-c-manual/gnu-c-manual.html#Bit-Shifting - it's only "undefined" for a negative shift value.

---

编辑:从目前的答案来看，我对C++11 标准 是正确的。那么我的问题的关键部分是此表达式调用 gcc 中的未定义行为。正如达夫马克所说在他的评论中，我问“GCC，一个实现，是否定义了一个行为，即使它没有被语言标准定义。

从我链接到的 gcc 手册来看，它似乎确实被定义了，虽然我觉得这本手册的措辞听起来更像是教程而不是“语言法”。来自 PSkocik 的回答(以及凯恩对此的评论答案)，它反而看起来是未定义的。所以我还是有疑问。

我想我的梦想是在一些 gcc 中有一个明确的声明说明 1) gcc 没有定义任何行为的文档在标准中明确未定义，或者 2) gcc 确实定义了这个来自版本 XX.XX 的行为并 promise 在所有版本中保持它的定义后续版本。

编辑 2:PSkocik 删除了他的答案，我觉得这很不幸，因为它提供了有趣的信息。从他的回答来看，凯恩对答案和我自己的实验:

1. (int32_t)255<<24使用 clang 编译时会产生运行时错误和 -fsanitize=undefined
2. 即使使用 g++，相同的代码也不会产生错误 -fsanitize=undefined
3. (int32_t)256<<24编译时确实会出现运行时错误 g++ -std=c++11 -fsanitize=undefined

第 2 点与 gcc 的解释一致，在 C++11 模式下，比标准更广泛地定义左移。根据第 3 点，这个定义可能只是 C++14 的定义。然而，第3点是与the referenced manual 的想法不一致是一个<< 的完整定义在 gcc(C++11 模式)中，正如该手册提供的那样没有暗示 (int32_t)256<<24可以是未定义的。

Answer 1

这随着时间的推移而改变，并且有充分的理由，所以让我们回顾一下历史。请注意，在所有情况下，只需执行 static_cast<int>(255u << 24)一直是定义的行为。也许只是这样做并回避所有问题。

---

原文C++11措辞是:

The value of E1 << E2 is E1 left-shifted E2 bit positions; vacated bits are zero-filled. If E1 has an unsigned type, the value of the result is E1×2<sup>E2</sup>, reduced modulo one more than the maximum value representable in the result type. Otherwise, if E1 has a signed type and non-negative value, and E1×2E2 is representable in the result type, then that is the resulting value; otherwise, the behavior is undefined.

255 << 24在 C++11 中是未定义的行为，因为结果值无法表示为 32 位有符号整数，它太大了。

这种未定义的行为会导致一些问题，因为 constexpr 必须诊断未定义的行为 - 因此一些常见的设置值的方法会导致硬错误。因此 CWG 1457 :

The current wording of 8.8 [expr.shift] paragraph 2 makes it undefined behavior to create the most-negative integer of a given type by left-shifting a (signed) 1 into the sign bit, even though this is not uncommonly done and works correctly on the majority of (twos-complement) architectures [...] As a result, this technique cannot be used in a constant expression, which will break a significant amount of code.

这是针对 C++11 的缺陷。从技术上讲，符合标准的 C++11 编译器将实现所有缺陷报告，因此可以正确地说，在 C++11 中，这不是未定义的行为； 255 << 24 的行为在 C++11 中被定义为 -16777216 .

缺陷后的写法可见C++14 :

The value of E1 << E2 is E1 left-shifted E2 bit positions; vacated bits are zero-filled. If E1 has an unsigned type, the value of the result is E1×2<sup>E2</sup>, reduced modulo one more than the maximum value representable in the result type. Otherwise, if E1 has a signed type and non-negative value, and E1×2<sup>E2</sup> is representable in the corresponding unsigned type of the result type, then that value, converted to the result type, is the resulting value; otherwise, the behavior is undefined.

C++17 中的措辞/行为没有变化。

但对于 C++20，由于 Signed Integers are Two's Complement (及其 wording paper )，写法是 greatly simplified :

The value of E1 << E2 is the unique value congruent to E1×2<sup>E2</sup> modulo 2<sup>N</sup>, where N is the range exponent of the type of the result.

255 << 24仍然在 C++20 中定义了行为(具有相同的结果值)，只是我们如何到达那里的规范变得简单得多，因为语言不必解决有符号整数的表示是实现定义的。