（なぜ）初期化されていない変数の未定義の動作を使用していますか？

Question 1

私が持っている場合：

unsigned int x;
x -= x;

この式の後でゼロになるx はずであることは明らかですが、私が見るところはどこでも、このコードの動作はx（減算の前まで）の値だけでなく、未定義であると言われています。

2つの質問：

このコードの動作は本当に未定義ですか？
（たとえば、準拠システムでコードがクラッシュする可能性がありますか？）
もしそうなら、ここでゼロであるべきであることが完全に明らかであるのに、なぜCは動作が未定義でxあると言うのですか？

つまり、ここで動作を定義しないことによって得られる利点は何ですか？

明らかに、コンパイラは、単に使用できるものは何でもそれは、変数内の「便利」とみなし、それが意図したとおりに動作します...そのアプローチと間違って何ガベージ値はありますか？

Question 2

はい、この動作は定義されていませんが、ほとんどの人が認識しているのとは異なる理由があります。

まず、単一化された値を使用すること自体は未定義の動作ではありませんが、値は単に不確定です。値がタイプのトラップ表現である場合、これにアクセスするのはUBです。符号なし型にトラップ表現が含まれることはめったにないため、その側では比較的安全です。

動作を未定義にするのは、変数の追加のプロパティです。つまりregister、アドレスが取得されないということです。このような変数は、「初期化されていない」一種の余分な状態を持ち、タイプドメインの値に対応しない実際のCPUレジスタを持つアーキテクチャがあるため、特別に扱われます。

編集：標準の関連フレーズは6.3.2.1p2です：

左辺値が、レジスタストレージクラスで宣言された可能性のある自動ストレージ期間のオブジェクトを指定し（アドレスが取得されなかった）、そのオブジェクトが初期化されていない（イニシャライザで宣言されておらず、使用前に割り当てが実行されていない）場合）、動作は未定義です。

また、明確にするために、次のコードはすべての状況で合法です。

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

ここでのアドレスaとは、bその価値がちょうど不確定であるので、撮影しています。
以来unsigned char不定値がちょうど指定されていないことをトラップ表現を持ったことがない、のいずれかの値がunsigned char発生する可能性があります。
最後に値を保持するa 必要があります0。

Edit2： aおよびb不特定の値があります：

3.19.3 この国際規格がどのインスタンスでもどの値を選択するかについての要件を課していない、関連するタイプの不特定の値の
有効な値

Question 3

C標準は、コンパイラーに最適化を実行するための多くの自由度を与えます。初期化されていないメモリがランダムなビットパターンに設定され、すべての操作が書き込まれた順序で実行されるプログラムの単純なモデルを想定した場合、これらの最適化の結果は驚くべきものになる可能性があります。

注：次の例はx、アドレスが取得されていないためにのみ有効であり、「レジスターのような」ものです。タイプにxトラップ表現がある場合にも有効です。これは、符号なしタイプの場合はめったになく（少なくとも1ビットのストレージを「浪費」する必要があり、文書化する必要があります）、では不可能ですunsigned char。x符号付きタイプの場合、実装では、-（2 ^n-1 -1）と2 ^n- 1-1の間の数値ではないビットパターンをトラップ表現として定義できます。JensGustedtの回答を参照してください。

レジスタはメモリよりも高速であるため、コンパイラはレジスタを変数に割り当てようとします。プログラムはプロセッサがレジスタを持っているよりも多くの変数を使用する可能性があるため、コンパイラはレジスタ割り当てを実行します。これにより、異なる時間に同じレジスタを使用する異なる変数が生成されます。プログラムフラグメントを検討してください

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

3行目が評価されるとき、xまだ初期化されていないため、（コンパイラーの理由で）3行目は、コンパイラーが理解するのに十分なほど賢くない他の条件のために発生しない、ある種のまぐれである必要があります。z4行目以降は使用されず、x5行目以前も使用されないため、両方の変数に同じレジスタを使用できます。したがって、この小さなプログラムは、レジスタに対する次の操作にコンパイルされます。

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

の最終値xはの最終値でr0あり、の最終値yはの最終値ですr1。これらの値はx = -3およびy = -4であり、x適切に初期化された場合のように5および4ではありません。

より複雑な例については、次のコードフラグメントを検討してください。

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

コンパイラがcondition副作用がないことを検出したとします。以来condition変更されることはありませんx、コンパイラはループを通る最初の実行はおそらくアクセスすることができないことを知っているx、それはまだ初期化されていないため。したがって、ループ本体の最初の実行はと同等x = some_value()であり、条件をテストする必要はありません。コンパイラは、あなたが書いたかのようにこのコードをコンパイルするかもしれません

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

これをコンパイラ内でモデル化する方法は、に依存する値は、初期化されていない限り、便利な値をx持っていると見なすことです。初期化されていない変数が未定義の場合の動作は、変数が単に未指定の値を持つのではなく、コンパイラーが便利な値の間の特別な数学的関係を追跡する必要がないためです。したがって、コンパイラは上記のコードを次のように分析できます。x

最初のループ反復中に、評価xされるまでに初期化されません-x。
-x 動作は未定義であるため、その値は何でも便利です。
最適化ルールが適用されるため、このコードはに簡略化できます。condition ? value : valuecondition; value

あなたの質問のコードに直面したとき、この同じコンパイラは、x = - x評価されたときにの値-xが何でも便利であると分析します。したがって、割り当てを最適化することができます。

上記のように動作するコンパイラーの例は探していませんが、これは優れたコンパイラーが実行しようとする一種の最適化です。私はそれに遭遇しても驚かないでしょう。これは、プログラムがクラッシュするコンパイラのもっともらしい例です。（ある種の高度なデバッグモードでプログラムをコンパイルする場合、それほど信じられないことではないかもしれません。）

この架空のコンパイラは、すべての変数を異なるメモリページにマップし、ページ属性を設定して、初期化されていない変数から読み取ると、デバッガを呼び出すプロセッサトラップが発生するようにします。変数への割り当ては、最初にそのメモリページが正常にマップされていることを確認します。このコンパイラは、高度な最適化を実行しようとはしません。デバッグモードであり、初期化されていない変数などのバグを簡単に見つけることを目的としています。ときにx = - x評価され、右側には、トラップを引き起こし、デバッガがアップし起動します。

Question 4

はい、プログラムがクラッシュする可能性があります。たとえば、CPU割り込みを引き起こす可能性のあるトラップ表現（処理できない特定のビットパターン）が存在する可能性があり、これを処理しないとプログラムがクラッシュする可能性があります。

（後期C11ドラフトの6.2.6.1によると）特定のオブジェクト表現は、オブジェクトタイプの値を表す必要はありません。オブジェクトの格納された値がそのような表現を持ち、文字タイプを持たない左辺値式によって読み取られる場合、動作は未定義です。そのような表現が、文字タイプを持たない左辺値式によってオブジェクトのすべてまたは一部を変更する副作用によって生成される場合、動作は定義されていません。50）このような表現はトラップ表現と呼ばれます。

（この説明は、unsigned intトラップ表現を持つことができるプラットフォームにのみ適用されます。これは、実際のシステムではまれです。詳細についてはコメントを参照し、標準の現在の表現につながる代替の、おそらくより一般的な原因への参照を参照してください。）

Question 5

（この回答はC 1999に対応しています。C2011については、Jens Gustedtの回答を参照してください。）

C標準では、初期化されていない自動保存期間のオブジェクトの値を使用することは未定義の動作であるとは述べていません。C 1999標準では、6.7.8 10で、「自動保存期間を持つオブジェクトが明示的に初期化されていない場合、その値は不確定です」と述べています。（この段落では、静的オブジェクトの初期化方法を定義しているため、初期化されていないオブジェクトは自動オブジェクトのみです。）

3.17.2では、「不定値」を「不特定の値またはトラップ表現のいずれか」と定義しています。3.17.3は、「未指定の値」を「この国際規格がどのインスタンスでどの値を選択するかについての要件を課していない、関連するタイプの有効な値」と定義しています。

したがって、初期化されunsigned int xていない値に不特定の値がある場合は、x -= xゼロを生成する必要があります。それはそれが罠の表現であるかもしれないかどうかという問題を残します。6.2.6.1 5に従って、トラップ値にアクセスすると、未定義の動作が発生します。

一部のタイプのオブジェクトには、浮動小数点数のシグナリングNaNなど、トラップ表現がある場合があります。しかし、符号なし整数は特別です。6.2.6.2に従い、unsigned intのN個の値ビットのそれぞれは2の累乗を表し、値ビットの各組み合わせは0から2 ^N -1までの値の1つを表します。したがって、符号なし整数は、パディングビット（パリティビットなど）の一部の値が原因でのみトラップ表現を持つことができます。

ターゲットプラットフォームで、unsigned intにパディングビットがない場合、初期化されていないunsigned intはトラップ表現を持つことができず、その値を使用しても未定義の動作が発生することはありません。

Question 6

はい、未定義です。コードがクラッシュする可能性があります。Cは、一般的な規則に例外を設ける特別な理由がないため、動作は未定義であると述べています。この利点は、未定義の動作の他のすべての場合と同じ利点です。コンパイラーは、これを機能させるために特別なコードを出力する必要はありません。

明らかに、コンパイラーは変数内で「便利」と見なされるガベージ値を使用するだけで、意図したとおりに機能します...そのアプローチの何が問題になっていますか？

なぜそれが起こらないと思いますか？それがまさに採用されたアプローチです。コンパイラはそれを機能させる必要はありませんが、失敗させる必要はありません。

Question 7

初期化されていない、またはその他の理由で不確定な値を保持している任意のタイプの変数の場合、その値を読み取るコードには以下が適用されます。

変数が自動保存期間を有する場合と、そのアドレスが取られていない、コードが常に未定義の動作[1]を呼び出します。
それ以外の場合、システムが特定の変数タイプのトラップ表現をサポートしている場合、コードは常に未定義の動作を呼び出します[2]。
それ以外の場合、トラップ表現がない場合、変数は不特定の値を取ります。この不特定の値が変数が読み取られるたびに一貫しているという保証はありません。ただし、トラップ表現ではないことが保証されているため、未定義の動作を呼び出さないことが保証されています[3]。

この値は、プログラムクラッシュを引き起こすことなく安全に使用できますが、そのようなコードはトラップ表現を備えたシステムに移植できません。

[1]：C11 6.3.2.1：

左辺値が、レジスタストレージクラスで宣言された可能性のある自動ストレージ期間のオブジェクトを指定し（アドレスが取得されなかった）、そのオブジェクトが初期化されていない（イニシャライザで宣言されておらず、使用前に割り当てが実行されていない）場合）、動作は未定義です。

[2]：C11 6.2.6.1：

特定のオブジェクト表現は、オブジェクトタイプの値を表す必要はありません。オブジェクトの格納された値がそのような表現を持ち、文字タイプを持たない左辺値式によって読み取られる場合、動作は未定義です。そのような表現が、文字タイプを持たない左辺値式によってオブジェクトのすべてまたは一部を変更する副作用によって生成される場合、動作は定義されていません。50）このような表現はトラップ表現と呼ばれます。

[3] C11：

3.19.2
不定値
または不特定の値またはトラップ表現

3.19.3 この国際規格がどのインスタンスでもどの値を選択するかについての要件を課していない、関連するタイプの
不特定の値の
有効な値
注不特定の値をトラップ表現にすることはできません。

3.19.4
トラップ表現
オブジェクトタイプの値を表す必要のないオブジェクト表現

Question 8

多くの回答は、初期化されていないレジスタアクセスをトラップするプロセッサに焦点を当てていますが、UBを悪用する特別な努力をしないコンパイラを使用すると、そのようなトラップがないプラットフォームでも奇妙な動作が発生する可能性があります。コードを考えてみましょう：

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;  
}

ロードとストア以外のすべての命令が32ビットレジスタで動作するARMのようなプラットフォーム用のコンパイラは、次と同等の方法でコードを合理的に処理する可能性があります。

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;  
}

いずれかの揮発性読み取りでゼロ以外の値が生成された場合、r0には0〜65535の範囲の値がロードされます。それ以外の場合は、関数が呼び出されたときに保持されていたもの（つまり、xに渡された値）が生成されます。これは、0..65535の範囲の値ではない可能性があります。この標準には、タイプがuint16_tであるが、値が0..65535の範囲外である値の動作を説明する用語がありません。ただし、そのような動作を生成する可能性のあるアクションはUBを呼び出すということを除きます。