Sebuah studi tentang satu perilaku yang tidak jelas

pengantar

• perilaku tidak terbatas mungkin tidak tampak cukup berbahaya karena abstraknya konsekuensi yang mungkin terjadi;
• tidak selalu jelas di mana garisnya.

Baca Standar

6.6.3 Pernyataan kembali
...
Mengalir dari akhir fungsi setara dengan pengembalian tanpa nilai; ini menghasilkan
perilaku yang tidak terdefinisi dalam fungsi pengembalian nilai.
...

Mencapai akhir fungsi sama dengan mengembalikan tanpa nilai kembali; untuk fungsi yang nilai pengembaliannya disediakan, ini mengarah pada perilaku yang tidak terdefinisi.

9.6.3 Pernyataan pengembalian
...
Mengalir dari ujung sebuah konstruktor, sebuah destruktor, atau fungsi dengan tipe pengembalian cv void sama dengan pengembalian tanpa operan. Jika tidak, mengalir dari akhir fungsi selain utama (6.8.3.1) menghasilkan perilaku yang tidak ditentukan.
...

Mencapai ujung sebuah konstruktor, destruktor, atau fungsi dengan nilai kembali batal (mungkin dengan kualifikasi const dan volatile) setara dengan kembali tanpa nilai balik. Untuk semua fungsi lain, ini mengarah pada perilaku yang tidak terdefinisi (kecuali untuk fungsi utama).

• pelaksanaannya harus diakhiri dengan pernyataan pengembalian dengan instance dari tipe yang sesuai;
• sebaliknya, perilaku yang tidak jelas;
• perilaku tidak terdefinisi tidak dimulai dari saat fungsi dipanggil dan bukan dari saat nilai yang dikembalikan digunakan, tetapi dari saat fungsi tidak selesai dengan benar;
• jika fungsi berisi jalur eksekusi yang benar dan salah - perilaku tidak terdefinisi hanya akan terjadi pada jalur yang salah;
• perilaku yang tidak jelas dalam pertanyaan tidak mempengaruhi pelaksanaan instruksi yang terkandung di dalam tubuh fungsi.

Contoh 1 - bool

#include <iostream>

bool bad() {};

int main()
{
    std::cout << bad();

    return 0;
}

#include <iostream>
#include <stdlib.h>

bool bad()
{
    if (rand() == 0) {
        return true;
    }
}

int main()
{
    std::cout << bad();

    return 0;
}

Linux x86-x64 Dentang 10.0.0, -O0

UD2—Undefined Instruction
Generates an invalid opcode exception. This instruction is provided for software testing to explicitly generate an invalid opcode exception. The opcode for this instruction is reserved for this purpose.
Other than raising the invalid opcode exception, this instruction has no effect on processor state or memory.

Even though it is the execution of the UD2 instruction that causes the invalid opcode exception, the instruction pointer saved by delivery of the exception references the UD2 instruction (and not the following instruction).

This instruction’s operation is the same in non-64-bit modes and 64-bit mode.

Linux x86-x64 Dentang 10.0.0, -O1, -O2

Linux x86-x64 gcc 9.3, -O0

Linux x86-x64 gcc 9.3, -O1, -O2, -O3

macOs X Apple clang versi 11.0.0, -O0

macOs X Apple clang versi 11.0.0, -O1, -O2

Windows MSVC 2019 16.5.4, Contoh Lanjut, / Od

Windows MSVC 2019 16.5.4 Contoh Rumit, / O1, / O2

• menyalin satu byte dari ebx dari memori yang terletak di [rsp + 30h];
• jika rand () mengembalikan nol, salin unit dari ecx ke ebx (baris 11);
• menyalin nilai yang sama ke dl (lebih tepatnya, byte paling signifikan) (baris 13);
• memanggil fungsi output dalam aliran, yang menampilkan nilai dl (baris 14).

Kesimpulan dari contoh 1

Contoh 1a - Mengelola Perilaku Tidak Terdefinisi

Linux x86-x64 gcc 9.3, -O0

#include <iostream>

bool bad() {}

bool goodTrue()
{
    return rand();
}

bool goodFalse()
{
    return !goodTrue();
}

unsigned char goodChar(unsigned char ch)
{
    return ch;
}

int main()
{
    goodTrue();
    std::cout << bad() << std::endl;

    goodChar(85);
    std::cout << bad() << std::endl;

    goodFalse();
    std::cout << bad() << std::endl;

    goodChar(240);
    std::cout << bad() << std::endl;

    return 0;
}

1
85
0
240

Windows MSVC 2019 16.5.4, / Od

#include <iostream>
#include <stdlib.h>

void control(unsigned char value)
{
    uint32_t count = 0;
    srand(0);
    while ((rand() & 0xff) != value) {
        ++count;
    }

    srand(0);
    for (uint32_t i = 0; i < count; ++i) {
        rand();
    }
}

bool bad()
{
    if (rand() == 0) {
        return true;
    }
}

int main()
{
    control(1);
    std::cout << bad() << std::endl;

    control(85);
    std::cout << bad() << std::endl;

    control(0);
    std::cout << bad() << std::endl;

    control(240);
    std::cout << bad() << std::endl;

    return 0;
}

1
85
0
240

Windows MSVC 2019 16.5.4, / O1, / O2

#include <iostream>
#include <stdlib.h>

bool bad()
{
  if (rand() == 0) {
    return true;
  }
}

int main()
{
  volatile unsigned char ch = 1;
  std::cout << bad() << std::endl;

  ch = 85;
  std::cout << bad() << std::endl;

  ch = 0;
  std::cout << bad() << std::endl;

  ch = 240;
  std::cout << bad() << std::endl;

  return 0;
}

1
85
0
240

macOs X Apple clang versi 11.0.0, -O0

#include <iostream>

bool bad() {}

void putToStack(uint8_t value)
{
    uint8_t memory[1]{value};
}

int main()
{
    putToStack(20);
    std::cout << bad() << std::endl;

    putToStack(55);
    std::cout << bad() << std::endl;

    putToStack(0xfe);
    std::cout << bad() << std::endl;

    putToStack(11);
    std::cout << bad() << std::endl;

    return 0;
}

0
1
0
1

Kesimpulan dari contoh 1a

Contoh 1b - bool rusak

Windows MSVC 2019 16.5.4, / Od

#include <iostream>
#include <stdlib.h>
#include <set>
#include <unordered_set>

bool bad()
{
    if (rand() == 0) {
        return true;
    }
}

int main()
{
    bool badBool1 = bad();
    bool badBool2 = bad();

    std::cout << "badBool1: " << badBool1 << std::endl;
    std::cout << "badBool2: " << badBool2 << std::endl;

    if (badBool1) {
      std::cout << "if (badBool1): true" << std::endl;
    } else {
      std::cout << "if (badBool1): false" << std::endl;
    }
    if (!badBool1) {
      std::cout << "if (!badBool1): true" << std::endl;
    } else {
      std::cout << "if (!badBool1): false" << std::endl;
    }

    std::cout << "(badBool1 == true || badBool1 == false || badBool1 == badBool2): "
              << std::boolalpha << (badBool1 == true || badBool1 == false || badBool1 == badBool2)
              << std::endl;
    std::cout << "std::set<bool>{badBool1, badBool2, true, false}.size(): "
              << std::set<bool>{badBool1, badBool2, true, false}.size()
              << std::endl;
    std::cout << "std::unordered_set<bool>{badBool1, badBool2, true, false}.size(): "
              << std::unordered_set<bool>{badBool1, badBool2, true, false}.size()
              << std::endl;

    return 0;
}

badBool1: 41
badBool2: 35
if (badBool1): true
if (! badBool1): false
(badBool1 == true || badBool1 == false || badBool1 == badBool2): false
std :: set <bool> {badBool1, badBool2 , true, false} .size (): 4
std :: unordered_set <bool> {badBool1, badBool2, true, false} .size (): 4

• operator perbandingan untuk nilai boolean;
• fungsi hash dari nilai boolean.

Windows MSVC 2019 16.5.4, / O1, / O2

#include <iostream>
#include <stdlib.h>
#include <set>
#include <unordered_set>

bool bad()
{
  if (rand() == 0) {
    return true;
  }
}

int main()
{
  volatile unsigned char ch = 213;
  bool badBool1 = bad();
  ch = 137;
  bool badBool2 = bad();

  std::cout << "badBool1: " << badBool1 << std::endl;
  std::cout << "badBool2: " << badBool2 << std::endl;

  if (badBool1) {
    std::cout << "if (badBool1): true" << std::endl;
  }
  else {
    std::cout << "if (badBool1): false" << std::endl;
  }
  if (!badBool1) {
    std::cout << "if (!badBool1): true" << std::endl;
  }
  else {
    std::cout << "if (!badBool1): false" << std::endl;
  }

  std::cout << "(badBool1 == true || badBool1 == false || badBool1 == badBool2): "
    << std::boolalpha << (badBool1 == true || badBool1 == false || badBool1 == badBool2)
    << std::endl;
  std::cout << "std::set<bool>{badBool1, badBool2, true, false}.size(): "
    << std::set<bool>{badBool1, badBool2, true, false}.size()
    << std::endl;
  std::cout << "std::unordered_set<bool>{badBool1, badBool2, true, false}.size(): "
    << std::unordered_set<bool>{badBool1, badBool2, true, false}.size()
    << std::endl;

  return 0;
}

badBool1: 213
badBool2: 137
if (badBool1): true
if (! badBool1): false
(badBool1 == true || badBool1 == false || badBool1 == badBool2): false
std :: set <bool> {badBool1, badBool2 , true, false} .size (): 4
std :: unordered_set <bool> {badBool1, badBool2, true, false} .size (): 4

Linux x86-x64 gcc 9.3, -O0

#include <iostream>
#include <stdlib.h>
#include <set>
#include <unordered_set>

bool bad()
{
}

unsigned char goodChar(unsigned char ch)
{
  return ch;
}

int main()
{
  goodChar(213);
  bool badBool1 = bad();

  goodChar(137);
  bool badBool2 = bad();

  std::cout << "badBool1: " << badBool1 << std::endl;
  std::cout << "badBool2: " << badBool2 << std::endl;

  if (badBool1) {
    std::cout << "if (badBool1): true" << std::endl;
  }
  else {
    std::cout << "if (badBool1): false" << std::endl;
  }
  if (!badBool1) {
    std::cout << "if (!badBool1): true" << std::endl;
  }
  else {
    std::cout << "if (!badBool1): false" << std::endl;
  }

  std::cout << "(badBool1 == true || badBool1 == false || badBool1 == badBool2): "
    << std::boolalpha << (badBool1 == true || badBool1 == false || badBool1 == badBool2)
    << std::endl;
  std::cout << "std::set<bool>{badBool1, badBool2, true, false}.size(): "
    << std::set<bool>{badBool1, badBool2, true, false}.size()
    << std::endl;
  std::cout << "std::unordered_set<bool>{badBool1, badBool2, true, false}.size(): "
    << std::unordered_set<bool>{badBool1, badBool2, true, false}.size()
    << std::endl;

  return 0;
}

badBool1: 213
badBool2: 137
if (badBool1): true
if (! badBool1): true
(badBool1 == true || badBool1 == false || badBool1 == badBool2): false
std :: set <bool> {badBool1, badBool2 , true, false} .size (): 4
std :: unordered_set <bool> {badBool1, badBool2, true, false} .size (): 4

Kesimpulan dari contoh 1b

Contoh 2 - struct

#include <iostream>
#include <stdlib.h>

struct Test
{
    Test(uint64_t v)
        : value(v)
    {
        std::cout << "Test::Test(" << v << ")" << std::endl;
    }
    ~Test()
    {
        std::cout << "Test::~Test()" << std::endl;
    }

    uint64_t value;
};

Test bad(int v)
{
    if (v == 0) {
        return {42};
    } else if (v == 1) {
        return {142};
    }
}

int main()
{
    const auto rnd = rand();
    std::cout << "rnd: " << rnd << std::endl;

    std::cout << bad(rnd).value << std::endl;

    return 0;
}

• dalam beberapa kasus, eksekusi berlanjut tanpa memanggil konstruktor - dalam kasus ini, objek berada dalam keadaan acak;
• dalam kasus lain, panggilan konstruktor tidak disediakan untuk jalur eksekusi, yang agak aneh.

Linux x86-x64 Dentang 10.0.0, -O1, -O2

• jika kondisi kedua benar - Anda perlu memanggil Tes konstruktor dengan argumen 142;
• jika kondisi kedua tidak benar, fungsi akan keluar tanpa mengembalikan nilai, yang berarti perilaku tidak terdefinisi di mana kompiler dapat melakukan apa saja. Termasuk - memanggil konstruktor yang sama dengan argumen yang sama;
• verifikasi tidak perlu, konstruktor Uji dengan argumen 142 dapat dipanggil tanpa memeriksa kondisinya.

Test bad(int v)
{
    if (v == 0) {
        return {42};
    } else if (v == rand()) {
        return {142};
    }
}

#include <iostream>
#include <stdlib.h>

struct Test
{
    Test(uint64_t v)
        : value(v)
    {
        std::cout << "Test::Test(" << v << ")" << std::endl;
    }
    ~Test()
    {
        std::cout << "Test::~Test()" << std::endl;
    }

    uint64_t value;
};

Test bad(int v)
{
    if (v == 0) {
        return {42};
    } else if (v == rand()) {
        return {142};
    }
}

int main()
{
    const auto rnd = rand();
    std::cout << "rnd: " << rnd << std::endl;

    std::cout << bad(rnd).value << std::endl;

    return 0;
}

Windows MSVC 2019 16.5.4, / Od / RTCs

• mengisi variabel yang alamatnya dilewatkan melalui register rcx (di sini kita melihat RVO beraksi);
• mengembalikan alamat variabel ini melalui rax register.

• di eax, nilai 0xCCCCCCCC dimasukkan, yang kami lihat di pesan pelanggaran akses (baris 9) (perhatikan bahwa itu hanya 4 byte, sedangkan dalam pesan AccessViolation alamat terdiri dari 8 byte);
• perintah rep stos disebut, menjalankan 0xC siklus penulisan isi eax ke memori mulai dari alamat rdi (baris 10). Ini adalah 48 byte - persis seperti yang dialokasikan pada tumpukan di baris 6;
• pada jalur eksekusi yang benar, nilai dari rsp + 40h dimasukkan dalam rax (baris 23, 36);
• nilai register rcx (melalui mana main () melewati alamat tujuan) didorong ke stack di rsp + 8 (baris 4);
• rdi didorong ke stack, yang mengurangi rsp sebesar 8 (baris 5);
• 30h byte dialokasikan pada stack dengan mengurangi rsp (baris 6).

• nol di bagian atas alamat - mungkin ada sampah;
• alamatnya ternyata tidak sengaja salah.

Contoh 2a

Windows MSVC 2019 16.5.4, / Od / RTCs

#include <iostream>
#include <stdlib.h>

struct Test
{
    Test(uint64_t v)
        : value(v)
    {
        std::cout << "Test::Test(" << v << ")" << std::endl;
    }
    ~Test()
    {
        std::cout << "Test::~Test()" << std::endl;
    }

    uint64_t value;
};

Test bad(int v)
{
  std::cout << "rnd: " << v << std::endl;
  
  if (v == 0) {
        return {42};
    } else if (v == 1) {
        return {142};
    }
}

int main()
{
    const auto rnd = rand();

    std::cout << bad(rnd).value << std::endl;

    return 0;
}

rnd: 41
8791039331928
Test :: ~ Test ()

Kesimpulan

• kumpulkan sekitar 10 manifestasi berbeda dari perilaku yang tidak terbatas;
• pelajari secara detail bagaimana opsi-opsi ini akan dieksekusi.