(क्यों) एक असमान परिवर्तनशील अपरिभाषित व्यवहार का उपयोग कर रहा है?

Question 1

अगर मेरे पास:

unsigned int x;
x -= x;

यह स्पष्ट है कि इस अभिव्यक्ति के बाद शून्य x होना चाहिए, लेकिन हर जगह मैं देखता हूं, वे कहते हैं कि इस कोड का व्यवहार अपरिभाषित है, न कि केवल मूल्य x(घटाव से पहले तक)।

दो सवाल:

क्या इस कोड का व्यवहार वास्तव में अपरिभाषित है?
(उदाहरण एक आज्ञाकारी प्रणाली पर कोड दुर्घटना [या बदतर] हो सकता है?]
यदि हां, तो C यह क्यों कहता है कि व्यवहार अपरिभाषित है, जब यह पूरी तरह स्पष्ट है कि xयहां शून्य होना चाहिए?

अर्थात यहाँ व्यवहार को परिभाषित न करने से क्या लाभ है?

स्पष्ट रूप से, कंपाइलर बस चर के अंदर "काम" के रूप में जो भी कचरा मूल्य समझा , उसका उपयोग कर सकता है , और यह इरादा के अनुसार काम करेगा ... उस दृष्टिकोण के साथ क्या गलत है?

Question 2

हाँ, यह व्यवहार अपरिभाषित है, लेकिन विभिन्न कारणों से अधिकांश लोग इससे अवगत हैं।

सबसे पहले, एक इकाईगत मूल्य का उपयोग करना स्वयं अपरिभाषित व्यवहार नहीं है, लेकिन मूल्य केवल अनिश्चित है। अगर मूल्य ऐसा होता है तो टाइप के लिए एक ट्रैप प्रतिनिधित्व होता है। अहस्ताक्षरित प्रकारों में शायद ही कभी ट्रैप प्रतिनिधित्व होते हैं, इसलिए आप उस तरफ अपेक्षाकृत सुरक्षित होंगे।

जो व्यवहार को अपरिभाषित बनाता है, वह आपके चर की एक अतिरिक्त संपत्ति है, जिसका अर्थ है कि यह "के साथ घोषित किया जा सकता है" अर्थात registerइसका पता कभी नहीं लिया जाता है। ऐसे चर का विशेष रूप से इलाज किया जाता है क्योंकि ऐसे आर्किटेक्चर होते हैं जिनमें वास्तविक सीपीयू रजिस्टर होते हैं जो एक तरह की अतिरिक्त स्थिति होती है जो कि "अनइंस्टालिज्ड" होती है और जो कि प्रकार डोमेन में एक मूल्य के अनुरूप नहीं है।

संपादित करें: मानक का प्रासंगिक वाक्यांश 6.3.2.1p2 है:

यदि लवल्यू स्वचालित भंडारण अवधि की एक वस्तु को डिजाइन करता है जिसे रजिस्टर स्टोरेज क्लास के साथ घोषित किया जा सकता है (इसका पता कभी नहीं लिया गया था), और उस वस्तु को अनइंस्टाल्यूट किया गया है (प्रारंभिक के साथ घोषित नहीं किया गया है और इसका उपयोग करने से पहले कोई असाइनमेंट नहीं किया गया है ), व्यवहार अपरिभाषित है।

और इसे स्पष्ट करने के लिए, निम्नलिखित कोड सभी परिस्थितियों में कानूनी है:

unsigned char a, b;
memcpy(&a, &b, 1);
a -= a;

यहाँ के पते aऔर bलिए गए हैं, इसलिए उनका मूल्य सिर्फ अनिश्चित है।
चूंकि unsigned charट्रैप अभ्यावेदन कभी नहीं होता है कि अनिश्चित मान सिर्फ अनिर्दिष्ट है, किसी भी मूल्य हो unsigned charसकता है।
अंत में मान रखना a चाहिए0 ।

Edit2: a और bअनिर्दिष्ट मूल्य हैं:

3.19.3 संबंधित प्रकार का अनिर्दिष्ट मूल्य
मान्य मान जहां यह अंतर्राष्ट्रीय मानक कोई आवश्यकता नहीं लगाता है जिस पर किसी भी उदाहरण में मूल्य चुना जाता है

Question 3

C मानक अनुकूलन करने के लिए बहुत सारे अक्षांशों को संकलक देता है। इन अनुकूलन के परिणाम आश्चर्यजनक हो सकते हैं यदि आप उन कार्यक्रमों के एक भोले मॉडल को मानते हैं जहां अनैतिक स्मृति कुछ यादृच्छिक बिट पैटर्न पर सेट होती है और उनके लिखे जाने के क्रम में सभी ऑपरेशन किए जाते हैं।

नोट: निम्नलिखित उदाहरण केवल मान्य हैं क्योंकि xइसका पता कभी नहीं लिया गया है, इसलिए यह "रजिस्टर-लाइक" है। यदि उनके xपास ट्रैप अभ्यावेदन का प्रकार है तो वे भी मान्य होंगे ; यह शायद ही कभी अहस्ताक्षरित प्रकारों के लिए होता है (इसमें कम से कम एक बिट भंडारण के लिए "बर्बाद करना" आवश्यक होता है, और इसे प्रलेखित किया जाना चाहिए), और इसके लिए असंभव है unsigned char। यदि xकोई हस्ताक्षरित प्रकार था, तो कार्यान्वयन बिट पैटर्न को परिभाषित कर सकता है जो कि एक संख्या नहीं है - (2 ^एन -1 -1) और 2 ^एन -1 -1 एक जाल प्रतिनिधित्व के रूप में। देखिए जेन्स गुस्तेद का जवाब ।

कंपाइलर रजिस्टरों को वेरिएबल्स में असाइन करने की कोशिश करते हैं, क्योंकि रजिस्टर मेमोरी की तुलना में तेज होते हैं। चूंकि प्रोग्राम में प्रोसेसर की तुलना में अधिक चर का उपयोग हो सकता है, इसलिए कंपाइलर रजिस्टर आवंटन का प्रदर्शन करते हैं, जिसके कारण अलग-अलग समय में एक ही रजिस्टर का उपयोग करके अलग-अलग चर होते हैं। कार्यक्रम के टुकड़े पर विचार करें

unsigned x, y, z;   /* 0 */
y = 0;              /* 1 */
z = 4;              /* 2 */
x = - x;            /* 3 */
y = y + z;          /* 4 */
x = y + 1;          /* 5 */

जब लाइन 3 का मूल्यांकन किया जाता है, तो xइसे अभी तक आरंभ नहीं किया जाता है, इसलिए (कंपाइलर का कारण) लाइन 3 कुछ प्रकार की होनी चाहिए, जो अन्य स्थितियों के कारण नहीं हो सकती है जो संकलक का पता लगाने के लिए पर्याप्त स्मार्ट नहीं था। चूंकि zलाइन 4 के बाद उपयोग नहीं किया जाता है, और xलाइन 5 से पहले उपयोग नहीं किया जाता है, इसलिए समान रजिस्टर का उपयोग दोनों चर के लिए किया जा सकता है। इसलिए इस छोटे से कार्यक्रम को रजिस्टरों के निम्नलिखित कार्यों के लिए संकलित किया गया है:

r1 = 0;
r0 = 4;
r0 = - r0;
r1 += r0;
r0 = r1;

का अंतिम मान xअंतिम मान है r0, और अंतिम मूल्य का yअंतिम मूल्य है r1। ये मान x = -3 और y = -4 हैं, और 5 और 4 नहीं हैं जैसा कि अगर xठीक से आरंभीकृत किया गया होता ।

अधिक विस्तृत उदाहरण के लिए, निम्नलिखित कोड के टुकड़े पर विचार करें:

unsigned i, x;
for (i = 0; i < 10; i++) {
    x = (condition() ? some_value() : -x);
}

मान लीजिए कि संकलक पता लगाता है कि conditionकोई दुष्प्रभाव नहीं है। चूंकि conditionसंशोधित नहीं होता है x, इसलिए कंपाइलर जानता है कि लूप के माध्यम से पहला रन संभवत: एक्सेस नहीं किया जा सकता है xक्योंकि यह अभी तक आरंभीकृत नहीं है। इसलिए लूप बॉडी का पहला निष्पादन के बराबर है x = some_value(), हालत का परीक्षण करने की कोई आवश्यकता नहीं है। कंपाइलर इस कोड को संकलित कर सकता है जैसे कि आपने लिखा है

unsigned i, x;
i = 0; /* if some_value() uses i */
x = some_value();
for (i = 1; i < 10; i++) {
    x = (condition() ? some_value() : -x);
}

जिस तरह से इस संकलक के अंदर तैयार किया जा सकता है पर विचार करने के लिए कि के आधार पर किसी भी मूल्य है xहै जो कुछ भी मूल्य सुविधाजनक है जब तक xअप्रारंभीकृत है। चूँकि व्यवहार जब एक अनियंत्रित चर अपरिभाषित होता है, तो चर के बजाय केवल अनिर्दिष्ट मूल्य होने के कारण, संकलक को जो कुछ भी सुविधाजनक मान है, के बीच किसी विशेष गणितीय संबंध पर नज़र रखने की आवश्यकता नहीं है। इस प्रकार संकलक ऊपर दिए गए कोड का इस प्रकार विश्लेषण कर सकता है:

पहले लूप पुनरावृत्ति के दौरान, xसमय -xका मूल्यांकन किया जाता है।
-x अपरिभाषित व्यवहार किया है, इसलिए इसका मूल्य जो भी है-सुविधाजनक है।
अनुकूलन नियम लागू होता है, इसलिए इस कोड को सरल बनाया जा सकता है ।condition ? value : valuecondition; value

जब आपके प्रश्न में कोड के साथ सामना किया जाता है, तो यह उसी संकलक का विश्लेषण करता है कि जब x = - xमूल्यांकन किया जाता है, तो -xजो कुछ भी है वह सुविधाजनक है। तो असाइनमेंट दूर अनुकूलित किया जा सकता है।

मैंने एक संकलक के उदाहरण की तलाश नहीं की है जो ऊपर वर्णित के अनुसार व्यवहार करता है, लेकिन यह उस तरह का अनुकूलन है जो अच्छे संकलक करने की कोशिश करते हैं। मैं एक का सामना करने के लिए आश्चर्यचकित नहीं होगा। यहां एक संकलक का कम प्रशंसनीय उदाहरण है जिसके साथ आपका प्रोग्राम क्रैश हो जाता है। (यदि आप किसी तरह के उन्नत डिबगिंग मोड में अपने प्रोग्राम को संकलित करते हैं, तो ऐसा नहीं हो सकता है।)

यह काल्पनिक संकलक प्रत्येक चर को एक अलग मेमोरी पेज में मैप करता है और पेज की विशेषताओं को सेट करता है ताकि एक असिंचित चर से पढ़ने से एक प्रोसेसर ट्रैप हो जाता है जो डिबगर को आमंत्रित करता है। एक चर के लिए कोई भी असाइनमेंट पहले सुनिश्चित करता है कि उसका मेमोरी पेज सामान्य रूप से मैप किया गया है। यह संकलक किसी भी उन्नत अनुकूलन को करने की कोशिश नहीं करता है - यह एक डिबगिंग मोड में है, जिसका उद्देश्य आसानी से असंसाधित चर जैसे बग का पता लगाना है। जब x = - xमूल्यांकन किया जाता है, तो दाएं हाथ की तरफ जाल का कारण बनता है और डिबगर ऊपर फायर करता है।

Question 4

हां, प्रोग्राम क्रैश हो सकता है। उदाहरण के लिए, ट्रैप अभ्यावेदन हो सकता है (विशिष्ट बिट पैटर्न जिसे संभाला नहीं जा सकता है) जो सीपीयू में रुकावट का कारण हो सकता है, जो कि अनहेल्डेड प्रोग्राम को क्रैश कर सकता है।

(6.2.6.1 देर से C11 मसौदे में कहा गया है) कुछ वस्तु प्रतिनिधित्वों को वस्तु प्रकार के मूल्य का प्रतिनिधित्व नहीं करना चाहिए। यदि किसी वस्तु के संग्रहित मूल्य में ऐसा प्रतिनिधित्व होता है और उसे एक वर्णनात्मक अभिव्यक्ति द्वारा पढ़ा जाता है जिसमें वर्ण प्रकार नहीं होता है, तो व्यवहार अपरिभाषित होता है। यदि इस तरह के प्रतिनिधित्व को एक साइड इफेक्ट द्वारा उत्पादित किया जाता है जो वस्तु के सभी या किसी हिस्से को एक वर्णनात्मक अभिव्यक्ति द्वारा संशोधित करता है जिसमें चरित्र प्रकार नहीं होता है, तो व्यवहार अपरिभाषित 50 है) इस तरह के प्रतिनिधित्व को एक ट्रैप प्रतिनिधित्व कहा जाता है।

(यह स्पष्टीकरण केवल उन प्लेटफार्मों पर लागू होता है, जहां unsigned intट्रैप अभ्यावेदन हो सकते हैं, जो वास्तविक विश्व प्रणालियों पर दुर्लभ है। वैकल्पिक और शायद अधिक सामान्य कारणों के लिए विवरण और संदर्भ के लिए टिप्पणियां देखें जो मानक के वर्तमान शब्द को आगे बढ़ाते हैं।)

Question 5

(यह उत्तर सी 1999 को संबोधित करता है। सी 2011 के लिए, जेन्स गुस्तेद का जवाब देखें।)

सी मानक यह नहीं कहता है कि स्वचालित भंडारण अवधि की एक वस्तु के मूल्य का उपयोग जो कि आरंभिक नहीं है अपरिभाषित व्यवहार है। सी 1999 मानक मानक 6.7.8 10 में कहता है, "यदि किसी वस्तु की स्वचालित भंडारण अवधि स्पष्ट रूप से प्रारंभ नहीं की गई है, तो इसका मूल्य अनिश्चित है।" (यह पैराग्राफ यह परिभाषित करने के लिए जाता है कि स्थैतिक वस्तुओं को कैसे आरम्भ किया जाता है, इसलिए एकमात्र असंगठित वस्तुएं जिनके बारे में हम चिंतित हैं, वे स्वचालित वस्तुएँ हैं।)

3.17.2 "अनिर्धारित मूल्य" को "अनिर्दिष्ट मूल्य या जाल प्रतिनिधित्व" के रूप में परिभाषित करता है। 3.17.3 "अनिर्दिष्ट मूल्य" को "उस प्रासंगिक प्रकार के वैध मूल्य के रूप में परिभाषित करता है, जहां यह अंतर्राष्ट्रीय मानक कोई आवश्यकता नहीं रखता है, जिस पर किसी भी उदाहरण में मूल्य चुना जाता है"।

इसलिए, यदि असिंचित unsigned int xका अनिर्दिष्ट मूल्य है, तो x -= xशून्य का उत्पादन करना चाहिए। यह सवाल छोड़ देता है कि क्या यह एक ट्रैप प्रतिनिधित्व हो सकता है। एक जाल मूल्य तक पहुँचने के लिए 6.2.6.1 5 प्रति अपरिभाषित व्यवहार होता है।

कुछ प्रकार की वस्तुओं में ट्रैप अभ्यावेदन हो सकते हैं, जैसे फ्लोटिंग-पॉइंट संख्याओं के संकेतन NaN। लेकिन अहस्ताक्षरित पूर्णांक विशेष हैं। 6.2.6.2 के अनुसार, एक अहस्ताक्षरित इंट के एन मान बिट्स में से प्रत्येक 2 की शक्ति का प्रतिनिधित्व करता है, और मूल्य बिट्स के प्रत्येक संयोजन 0 से 2 ^एन -1 के मूल्यों में से एक का प्रतिनिधित्व करता है । इसलिए अहस्ताक्षरित पूर्णांकों में केवल उनके पैडिंग बिट्स (जैसे समता बिट) में कुछ मूल्यों के कारण ट्रैप अभ्यावेदन हो सकते हैं।

यदि, आपके लक्षित प्लेटफ़ॉर्म पर, एक अहस्ताक्षरित int में कोई पैडिंग बिट्स नहीं हैं, तो एक अनइंस्टाल्यूट किए गए अहस्ताक्षरित int में ट्रैप प्रतिनिधित्व नहीं हो सकता है, और इसके मूल्य का उपयोग करने से अपरिभाषित व्यवहार नहीं हो सकता है।

Question 6

हां, यह अपरिभाषित है। कोड क्रैश हो सकता है। C का कहना है कि व्यवहार अपरिभाषित है क्योंकि सामान्य नियम को अपवाद बनाने का कोई विशेष कारण नहीं है। यह लाभ अपरिभाषित व्यवहार के अन्य मामलों के समान ही है - संकलक को इस कार्य को करने के लिए विशेष कोड का उत्पादन करने की आवश्यकता नहीं है।

स्पष्ट रूप से, कंपाइलर बस चर के अंदर "काम" के रूप में जो भी कचरा मूल्य समझा, उसका उपयोग कर सकता है, और यह इरादा के अनुसार काम करेगा ... उस दृष्टिकोण के साथ क्या गलत है?

आपको क्यों लगता है कि ऐसा नहीं होता है? ठीक यही तरीका अपनाया गया। संकलक को इसे काम करने की आवश्यकता नहीं है, लेकिन इसे विफल करने के लिए आवश्यक नहीं है।

Question 7

किसी भी प्रकार के किसी भी चर के लिए, जो कि आरंभिक नहीं है या अन्य कारणों से एक अनिश्चित मान रखता है, निम्नलिखित कोड के लिए लागू होता है:

यदि वैरिएबल में स्वचालित संग्रहण अवधि है और उसका पता नहीं है, तो कोड हमेशा अपरिभाषित व्यवहार [1] को आमंत्रित करता है।
अन्यथा, यदि सिस्टम दिए गए वैरिएबल प्रकार के लिए ट्रैप अभ्यावेदन का समर्थन करता है, तो कोड हमेशा अपरिभाषित व्यवहार को आमंत्रित करता है [2]।
अन्यथा यदि कोई ट्रैप प्रतिनिधित्व नहीं हैं, तो चर अनिर्दिष्ट मूल्य लेता है। इस बात की कोई गारंटी नहीं है कि चर पढ़ने के बाद यह अनिर्दिष्ट मूल्य सुसंगत है। हालांकि, यह एक ट्रैप प्रतिनिधित्व नहीं होने की गारंटी है और इसलिए यह अपरिभाषित व्यवहार न करने की गारंटी है [3]।

मान तब प्रोग्राम क्रैश के बिना सुरक्षित रूप से उपयोग किया जा सकता है, हालांकि इस तरह के कोड ट्रैप अभ्यावेदन के साथ सिस्टम के लिए पोर्टेबल नहीं है।

[१]: सी ११ ६.३.२.१:

यदि लवल्यू स्वचालित भंडारण अवधि की एक वस्तु को डिजाइन करता है जिसे रजिस्टर स्टोरेज क्लास के साथ घोषित किया जा सकता है (इसका पता कभी नहीं लिया गया था), और उस वस्तु को अनइंस्टाल्यूट किया गया है (प्रारंभिक के साथ घोषित नहीं किया गया है और इसका उपयोग करने से पहले कोई असाइनमेंट नहीं किया गया है ), व्यवहार अपरिभाषित है।

[२]: सी ११ ६.२.६.१:

कुछ वस्तु प्रतिनिधित्वों को वस्तु प्रकार के मूल्य का प्रतिनिधित्व नहीं करना चाहिए। यदि किसी वस्तु के संग्रहित मूल्य में ऐसा प्रतिनिधित्व होता है और उसे एक वर्णनात्मक अभिव्यक्ति द्वारा पढ़ा जाता है जिसमें वर्ण प्रकार नहीं होता है, तो व्यवहार अपरिभाषित होता है। यदि इस तरह के प्रतिनिधित्व को एक साइड इफेक्ट द्वारा उत्पादित किया जाता है जो वस्तु के सभी या किसी हिस्से को एक वर्णनात्मक अभिव्यक्ति द्वारा संशोधित करता है जिसमें चरित्र प्रकार नहीं होता है, तो व्यवहार अपरिभाषित 50 है) इस तरह के प्रतिनिधित्व को एक ट्रैप प्रतिनिधित्व कहा जाता है।

[३] सी ११:

3.19.2
अनिश्चित मान
या तो अनिर्दिष्ट मूल्य या जाल प्रतिनिधित्व है

3.19.3 संबंधित प्रकार का
अनिर्दिष्ट मूल्य
मान्य मान जहां यह अंतर्राष्ट्रीय मानक कोई आवश्यकता नहीं लगाता है जिस पर किसी भी उदाहरण में मूल्य चुना जाता है
नोट अनिर्दिष्ट मूल्य एक जाल प्रतिनिधित्व नहीं हो सकता है।

3.19.4
ट्रैप प्रतिनिधित्व
एक वस्तु प्रतिनिधित्व है जिसे ऑब्जेक्ट प्रकार के मूल्य का प्रतिनिधित्व करने की आवश्यकता नहीं है

Question 8

हालांकि, कई उत्तर प्रोसेसर पर ध्यान केंद्रित करते हैं जो कि अनइंस्टॉलिज्ड-रजिस्टर एक्सेस पर फंस जाते हैं, क्वर्की व्यवहार उन प्लेटफार्मों पर भी उत्पन्न हो सकते हैं जिनके पास कोई ऐसा जाल नहीं है, जो कंपाइलरों का उपयोग करके यूबी के दोहन का कोई विशेष प्रयास नहीं करते हैं। कोड पर विचार करें:

volatile uint32_t a,b;
uin16_t moo(uint32_t x, uint16_t y, uint32_t z)
{
  uint16_t temp;
  if (a)
    temp = y;
  else if (b)
    temp = z;
  return temp;  
}

एआरएम जैसे प्लेटफॉर्म के लिए एक कंपाइलर जहां 32-बिट रजिस्टरों पर लोड और स्टोर के अलावा अन्य सभी निर्देश यथोचित रूप से कोड को फैशन के बराबर प्रोसेस कर सकते हैं:

volatile uint32_t a,b;
// Note: y is known to be 0..65535
// x, y, and z are received in 32-bit registers r0, r1, r2
uin32_t moo(uint32_t x, uint32_t y, uint32_t z)
{
  // Since x is never used past this point, and since the return value
  // will need to be in r0, a compiler could map temp to r0
  uint32_t temp;
  if (a)
    temp = y;
  else if (b)
    temp = z & 0xFFFF;
  return temp;  
}

यदि या तो वाष्पशील एक गैर-शून्य मान प्राप्त करता है, तो r0 0 मान में लोड किया जाएगा ... 65535। अन्यथा जब यह कहा जाता है तो यह जो भी आयोजित करेगा उसे उपज देगा (अर्थात x में दिया गया मान), जिसका मान 0..65535 सीमा में नहीं हो सकता है। मानक के पास मूल्य के व्यवहार का वर्णन करने के लिए किसी भी शब्दावली का अभाव है जिसका प्रकार uint16_t है, लेकिन जिसका मूल्य 0..65535 की सीमा के बाहर है, सिवाय इसके कि कोई कार्रवाई जो ऐसे व्यवहार का उत्पादन कर सकती है, वह यूबी को आमंत्रित करता है।