C/C++ 中的未定义行为（Undefined Behavior, UB）

0. 简介

在 C/C++ 编程中，理解未定义行为（UB）及其相关概念至关重要。本文将对未定义行为进行详细解析，并通过实例展示其影响与处理方法。

1. 概念辨析

在 C/C++ 中，未定义行为容易与以下两个概念混淆：

1.1 实现定义行为

实现定义行为是指程序的行为依赖于具体的实现，而标准要求实现必须为每种行为提供文档说明。例如，int 类型在不同环境下的大小可能不同，标准要求至少为 16 位，而大多数环境下为 32 位。

1.2 未指明行为

未指明行为也是依赖于具体实现，但标准并不要求提供文档说明。虽然行为可能变化，但其结果应是合法的。比如，变量的分配方式和位置可以是连续的，也可以是分开的。

1.3 未定义行为

未定义行为则是对程序行为没有任何限制，标准不要求程序产生任何合法或有意义的结果。例如，访问非法内存就是未定义行为。

当然可以，下面是对之前代码的修改和未定义行为检测方法的详细说明。

2. 为什么会有未定义行为？

C/C++ 的设计目标之一是高效，因此未定义行为的存在使得编译器能够优化程序。检测未定义行为的难度较大，例如，带符号整数溢出并不总是会在编译阶段显现出来。若编译器必须处理这些未定义行为，可能会影响程序的优化能力。

因此，将某些操作定义为未定义行为，编译器可以在优化时忽略这些情况，从而生成更高效的代码。这也是为何在开启优化选项后，程序可能会表现出意料之外的行为。
C/C++ 中的未定义行为（Undefined Behavior, UB）-LMLPHP

3. 未定义行为的例子

3.1 带符号整数算术溢出

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int x;
    cout << "请输入一个整数: ";
    cin >> x;

    // 检查溢出
    if (x > 0 && x + 1 < x) {
        cout << "Overflow!" << endl;
    } else {
        cout << "Not overflow!" << endl;
    }
    return 0;
}

在开启优化选项时，可能会发现预期的 “Overflow!” 并未出现。原因在于带符号整数溢出被视为未定义行为，编译器因此可能忽略了该情况。

3.2 越界访问

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int arr[5] = {0, 1, 2, 3, 4};
    int index;

    cout << "请输入数组索引（0-4之间的数字）: ";
    cin >> index;

    // 检查越界
    if (index >= 0 && index < 5) {
        cout << "数组中的值: " << arr[index] << endl;
    } else {
        cout << "索引越界!" << endl;
    }
    return 0;
}

C/C++ 并不自动进行数组越界检查，导致可能出现以下后果：

访问非法内存引发运行时错误（RE）
意外修改其他变量的值

不进行越界检查的原因在于其成本较高，并可能影响程序的优化机会。

3.3 无可视副作用的无限循环

#include <iostream>
using namespace std;

bool checkCondition() {
    unsigned cnt = 0;
    while (true) {
        if (cnt < 0) return true; // 这个条件永远不会为真
    }
    return false;
}

int main() {
    if (checkCondition()) {
        cout << "This program has been terminated." << endl;
    } else {
        cout << "Some strange things happened!" << endl;
    }
    return 0;
}

由于 checkCondition() 函数中的无限循环为未定义行为，编译器可能会将其优化掉，从而导致不同的行为表现。

3.4 无法确定的运算顺序

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int x = 1;
    int result = (x++ + ++x); // 无法确定的运算顺序
    cout << "结果: " << result << endl;
    return 0;
}

在此例中，x++ 和 ++x 的副作用无顺序，因此结果是未定义的。

3.5 访问未初始化变量

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int x; // 未初始化
    cout << "未初始化变量的值: " << x << endl; // 结果未定义
    return 0;
}

访问未初始化的变量同样是未定义行为，可能导致不确定的输出。

4. 如何检测未定义行为？

虽然编译期检测未定义行为较为困难，但运行时可以通过一些工具来捕捉。以下是一些常用的方法：

4.1 使用 `-fsanitize=undefined`

在使用 Clang 或 GCC 编译器时，可以添加 -fsanitize=undefined 选项来启用未定义行为检测。例如：

g++ -fsanitize=undefined -o my_program my_program.cpp

这将帮助你在运行时捕获未定义行为。如果想要将编译器切换成更严格的clang，则可以按照下面的操作：CLion设置Clang为默认编译器 (Ubuntu平台)

4.2 使用 Valgrind

Valgrind 是一个强大的内存调试工具，可以帮助检测内存错误，包括未定义行为。可以通过以下命令运行程序：

valgrind ./my_program

Valgrind 将报告内存访问错误、未初始化变量的使用等问题。

4.3 使用 AddressSanitizer

AddressSanitizer 也是一个运行时检测工具，专门用于检测内存错误和未定义行为。可以通过以下方式编译：

g++ -fsanitize=address -o my_program my_program.cpp

然后运行程序，AddressSanitizer 会报告内存错误。

4.3.1 在 CLion 下使用

在 CLion 中，集成了对 Google Sanitizers 的支持，使得开发人员能够有效地检测和调试代码中的内存问题。通过简单的配置，你可以在项目中启用 AddressSanitizer（ASan）等工具，以帮助识别内存泄漏和其他相关问题。要在 CLion 中使用 ASan，首先需要在 CMakeLists.txt 文件中添加一个开关。以下是一个示例配置：

cmake_minimum_required(VERSION 3.21)
project(mem_leak_test)
set(CMAKE_CXX_STANDARD 14)

if (ENABLE_ASAN)
    message(STATUS "build with ASAN")
    set(CMAKE_CXX_FLAGS "${CMAKE_CXX_FLAGS} -fsanitize=address")
endif ()

add_executable(mem_leak_test main.cpp)

在这段代码中，我们定义了一个名为 ENABLE_ASAN 的选项，若该选项被启用，编译器将会添加 -fsanitize=address 编译标志，这样就可以启用 AddressSanitizer。在 CLion 中配置 CMake 时，可以通过以下步骤传入 ENABLE_ASAN
C/C++ 中的未定义行为（Undefined Behavior, UB）-LMLPHP
同理，如果你在 macOS 上使用 llvm clang++，也可以在配置中指定 compiler 的路径：

设置完毕后，之间运行代码，如果出现内存问题，CLion 会在 Sanitizers 窗口中提示信息：

敢敢のwings