c - 我如何制作一个不会被优化掉的无限空循环？

Question

C11 标准似乎暗示不应优化带有常量控制表达式的迭代语句。我正在接受 this answer 的建议，其中特别引用了标准草案中的第 6.8.5 节:

An iteration statement whose controlling expression is not a constant expression ... may be assumed by the implementation to terminate.

在那个答案中它提到了像 while(1) ; 这样的循环不应该进行优化。

那么……为什么 Clang/LLVM 优化了下面的循环(用 cc -O2 -std=c11 test.c -o test 编译)？

#include <stdio.h>

static void die() {
    while(1)
        ;
}

int main() {
    printf("begin\n");
    die();
    printf("unreachable\n");
}

在我的机器上，这会打印出 begin ，然后在非法指令上崩溃(一个 ud2 陷阱放在 die() 之后)。 On godbolt ，我们可以看到在调用 puts 之后没有生成任何东西.

让 Clang 在 -O2 下输出无限循环是一项非常困难的任务。 - 虽然我可以反复测试 volatile变量，这涉及我不想要的内存读取。如果我做这样的事情:

#include <stdio.h>

static void die() {
    while(1)
        ;
}

int main() {
    printf("begin\n");
    volatile int x = 1;
    if(x)
        die();
    printf("unreachable\n");
}

...叮当版画 begin其次是 unreachable仿佛无限循环从未存在过。

你如何让 Clang 在优化打开的情况下输出一个正确的、无内存访问的无限循环？

Answer 1

C11 标准是这样说的，6.8.5/6:

An iteration statement whose controlling expression is not a constant expression,¹⁵⁶⁾ that performs no input/output operations, does not access volatile objects, and performs no synchronization or atomic operations in its body, controlling expression, or (in the case of a for statement) its expression-3, may be assumed by the implementation to terminate.¹⁵⁷⁾

这两个脚注不是规范性的，但提供了有用的信息:

156) An omitted controlling expression is replaced by a nonzero constant, which is a constant expression.

157) This is intended to allow compiler transformations such as removal of empty loops even when termination cannot be proven.

在您的情况下， while(1)是一个非常清晰的常量表达式，因此实现可能不会假设它终止。这样的实现将无可救药地被破坏，因为“永远”循环是一种常见的编程结构。

然而，据我所知，循环后“无法访问的代码”会发生什么，并没有明确定义。但是，clang 的行为确实很奇怪。将机器代码与 gcc (x86) 进行比较:

gcc 9.2 -O3 -std=c11 -pedantic-errors

.LC0:
        .string "begin"
main:
        sub     rsp, 8
        mov     edi, OFFSET FLAT:.LC0
        call    puts
.L2:
        jmp     .L2

叮当 9.0.0 -O3 -std=c11 -pedantic-errors

main:                                   # @main
        push    rax
        mov     edi, offset .Lstr
        call    puts
.Lstr:
        .asciz  "begin"

gcc 生成循环，clang 刚进入树林并以错误 255 退出。

我倾向于这种不合规的叮当行为。因为我试图像这样进一步扩展你的例子:

#include <stdio.h>
#include <setjmp.h>

static _Noreturn void die() {
    while(1)
        ;
}

int main(void) {
    jmp_buf buf;
    _Bool first = !setjmp(buf);

    printf("begin\n");
    if(first)
    {
      die();
      longjmp(buf, 1);
    }
    printf("unreachable\n");
}

我添加了 C11 _Noreturn试图帮助编译器进一步发展。应该很清楚，这个函数将挂断，仅从那个关键字。
setjmp第一次执行时会返回 0，所以这个程序应该只是撞到 while(1)并停在那里，只打印“开始”(假设\n 刷新标准输出)。这发生在 gcc 中。

如果循环被简单地删除，它应该打印“begin”2 次，然后打印“unreachable”。然而，在 clang ( godbolt ) 上，它会打印“开始”1 次，然后在返回退出代码 0 之前“无法访问”。无论你怎么写，这都是完全错误的。

我在这里找不到任何声明未定义行为的案例，所以我认为这是 clang 中的一个错误。无论如何，这种行为使 clang 100% 对嵌入式系统等程序毫无用处，在这些程序中，您必须能够依靠挂起程序的永恒循环(在等待看门狗等时)。