算术右移给出虚假结果？

Posted 2023-02-22

【中文标题】算术右移给出虚假结果？

【英文标题】：Arithmetic right shift gives bogus result?

【发布时间】：2013-10-28 13:49:27

【问题描述】：

我一定是疯了，但我机器上的gcc 4.7.3 给出了最荒谬的结果。这是我正在测试的确切代码：

#include <iostream>

using namespace std;

int main()
  unsigned int b = 100000;
  cout << (b>>b) << endl;
  b = b >> b;
  cout << b << endl;
  b >>= b;
  cout << b << endl;
  return 0;

现在，任何自行右移的数字都应该得到 0（n/(2^n) == 0 带有 整数除法、n>1 和 正/无符号），但不知何故这是我的输出：

100000
100000
100000

我疯了吗？可能发生了什么？

【问题讨论】：

@ShafikYaghmour：这假设编译器甚至会费心输入指令。拒绝这个计划是完全有权利的。

@MSalters 确实，此时我们正在进入特定于编译器/平台/版本的内容，但对于当前和最近的版本，情况就是如此，正如我已经说过的那样，它是未定义的，所以你显然是靠自己的, gcc 似乎只在使用-O0 时产生shr。

@ShafikYaghmour：英特尔只是 gcc 支持的众多平台之一，它们有不同的优化阶段。优化中的一个常见技巧是说“这个值只能在 0 和 31 之间，因为它用于移位，如果我按照代码路径 X 到达这里，值不会介于 0 和 31 之间，所以代码路径 X 是不可能的而且我什至不需要为它生成指令”。众所周知，GCC 会为空指针检查执行此操作。

@MSalters 有道理，所以这也会影响警告？

一个有趣的事实：虽然这是 C 中的 undefined 行为，但它是 C# 中的 defined 行为，但定义有些奇怪。在 C# 中，32 位整数 x 和 y 的 x>>y 计算为 x>>(y&0x1f) ！所以(x >> 16) >> 16 是零，但x >> 32 是x。

【参考方案1】：

在 C++ 中与在 C 中一样，移位仅限于移位值的大小（以位为单位）。例如，如果 unsigned int 是 32 位，则大于 31 的移位是未定义的。

在实践中，一个常见的结果是使用移位量的低5位，忽略高位；这是由于编译器生成的机器指令正是这样做的（例如 x86 上的 SHR）。

在这种情况下，移位值是100000（十进制），恰好是二进制的11000011010100000 - 低 5 位为零。因此，您实际上得到了 0 的转变。但是，您不应该依赖它；从技术上讲，您看到的是未定义的行为。

参考资料：

对于 C，N1570 第 6.5.7 节：

如果右操作数的值为负数或大于或 等于提升的左操作数的宽度，行为是 未定义。

对于 C++，N3690 第 5.8 节“[expr.shift]”：

如果右操作数为负数或更大，则行为未定义 大于或等于提升的左操作数的位长度。

N1570 是一个草案，与已发布的 ISO C11 标准几乎相同；自 1989 年 ANSI C 标准以来，此条款几乎相同。

N3690 是 C++ 标准的最新草案；我不确定它是否是最好的，但同样，这个子句没有改变。

【讨论】：

您是否使用不同的编译器观察到这种行为或从某些地方读取？

@GrijeshChauhan，这记录在 C 和 C++ 标准规范中。关于 SHR 指令的生成，我观察到了这一点。

编码之母...我刚刚测试了这个，100000的二进制是0b110000110101_00000。我尝试移动 100001，它确实移动了 1。

@Aggieboy 它还将取决于其他因素，例如优化级别 gcc 和 clang 在不同的优化级别有不同的输出，这与未定义的行为完全一致，即任何事情都可能真正发生。

【参考方案2】：

如果您的移位大于左操作数的位长度，则您正在调用undefined behavior，draft C++ standard 部分 5.8 移位运算符 段落 1 说（ 强调我的）：

操作数应为整数或非范围枚举类型，并执行整数提升。结果的类型是提升的左操作数的类型。 如果右操作数为负数，或者大于或等于提升的左操作数的位长度，则行为未定义。

有趣的是，gcc 和 clang 可能 如果移位量为 literal：

cout << (b>> 100000) ;

或者如果b 是一个const，gcc 的警告如下：

warning: right shift count >= width of type [enabled by default]

正如 MSalters 在问题的 cmets 中指出的那样，我们甚至可能无法依赖此警告，因为这是 未定义的行为，这与关于 未定义的标准说明一致术语和定义部分中的行为：

注意：[...] 允许的未定义行为范围从完全忽略具有不可预测结果的情况，到在翻译或程序执行期间以环境特征的记录方式表现（有或没有发出诊断消息），终止翻译或执行（发出诊断消息）。 [...]

平台具体细节

对于示例代码中明显缺乏移位的潜在解释可能是因为在某些平台上，移位计数将被屏蔽为5 bits，例如在x86 架构上，我们可以请参阅 IA-32 架构兼容性 部分中的 Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual 部分 SAL/SAR/SHL/SHR-Shift 说：

8086 不屏蔽移位计数。但是，所有其他 IA-32 处理器（从 Intel 286 处理器开始）都会将移位计数屏蔽为 5 位，从而导致最大计数为 31。[...]

【讨论】：

80286 故意允许移位量达到字长（含）。我想知道为什么 80386 没有这样做（当操作数大小为 32 位时使用 6 位 CL）？

有关 x86 的更多背景信息，另请参阅 this blog post。