为啥 GCC 生成的代码会从堆栈中读取垃圾？

Posted 2023-02-22

【中文标题】为啥 GCC 生成的代码会从堆栈中读取垃圾？

【英文标题】：Why does GCC-generated code read junk from stack?为什么 GCC 生成的代码会从堆栈中读取垃圾？

【发布时间】：2015-06-26 12:56:28

【问题描述】：

考虑以下代码（使用Eigen）：

#include <Eigen/Dense>
#include <iostream>

template<int rows, int cols, int row, class R, class Rv, int N, class... Rs>
inline typename std::enable_if<sizeof...(Rs)==0>::type
    setRow(Eigen::Matrix<R,rows,cols>&)


template<int rows, int cols, int row, class R, class Rv, int N=0, class... Rs>
inline typename std::enable_if<sizeof...(Rs)==cols-N-1>::type
    setRow(Eigen::Matrix<R,rows,cols>& m, Rv val, Rs...args)

    m(row,N)=val;
    setRow<rows,cols,row,R,Rv,N+1>(m,args...);

template<class T, int R, int C, int CUR_ROW>
class MatrixConstructor

    Eigen::Matrix<T,R,C> m;
public:
    MatrixConstructor(const Eigen::Matrix<T,R,C>& m)
        : m(m)
    
    MatrixConstructor()
    
    template<class...Ts>
    typename std::enable_if<sizeof...(Ts)==C && CUR_ROW<R-1,
    MatrixConstructor<T,R,C,CUR_ROW+1>>::type operator()(Ts... vals)
    
        setRow<R,C,CUR_ROW>(m,vals...);                                                                                                                                                                                 
        return MatrixConstructor<T,R,C,CUR_ROW+1>(m);
    

    template<class...Ts>
    typename std::enable_if<sizeof...(Ts)==C && CUR_ROW==R-1,
    Eigen::Matrix<T,R,C>>::type operator()(Ts... vals)
    
        setRow<R,C,CUR_ROW>(m,vals...);
        return m;
    
;

void test()

    Eigen::Matrix<double,4,3> m=MatrixConstructor<double,4,3,0>()(1,2,3)
                                                                 (4,5,6)
                                                                 (7,8,9)
                                                                 (5,4,3);
    std::cout << m;


int main()
 test(); 

我用 gcc-4.8 编译它，并带有完整的优化和生成程序集列表的选项。这是我使用的命令：

g++ minitest.cpp -I/usr/include/eigen3 -std=c++0x -O3 -march=native -S -masm=intel

（我的 CPU 是 Intel(R) Xeon(R) CPU E3-1226 v3，运行 64 位 Linux 系统——希望现在-march=native 对读者有意义。）

让我感到奇怪的是，使用此命令行生成的一些指令似乎是荒谬的，甚至是多余的。参见例如设置堆栈后test() 函数如何启动（有关test() 和main() 的完整代码，请参阅here）：

vmovsd   xmm4, QWORD PTR .LC6[rip] # 1.0
lea      rsi, [rsp+96]
vmovsd   xmm5, QWORD PTR .LC7[rip] # 2.0
vmovsd   QWORD PTR [rsp], xmm4
vmovapd  xmm3, XMMWORD PTR [rsp+16] # What does it read?!
vmovapd  xmm1, XMMWORD PTR [rsp]    # And this!
vmovsd   QWORD PTR [rsp+32], xmm5
vmovsd   xmm0, QWORD PTR .LC8[rip] # 3.0
vmovapd  XMMWORD PTR [rsp+304], xmm3 # And now even save this junk?!
vmovapd  XMMWORD PTR [rsp+192], xmm1
vmovapd  xmm3, XMMWORD PTR [rsp+48]
vmovapd  xmm1, XMMWORD PTR [rsp+32]
vmovsd   QWORD PTR [rsp+64], xmm0
vmovsd   xmm7, QWORD PTR .LC12[rip] # 7.0
vmovapd  XMMWORD PTR [rsp+336], xmm3
vmovapd  XMMWORD PTR [rsp+224], xmm1
vmovapd  xmm3, XMMWORD PTR [rsp+80]
vmovsd   QWORD PTR [rsp+304], xmm7   # Even stranger — overwrites the junk

我已经在调试器中逐步读取了这些垃圾，并确认在它们之后xmm3 和xmm1 寄存器确实具有无意义的值。看着这个未定义值的读数，我开始怀疑我的程序确实试图访问一些应该无法访问的内存。但为什么？我在某处介绍过 UB 吗？

我也尝试运行使用-fsanitize=address 编译的程序，但它运行时没有任何崩溃。

【问题讨论】：

这不只是英特尔组装订单吗？也就是说，vmovapd xmm3, XMMWORD PTR [rsp+16] 不会进入 xmm3吗？

@Barry 完全正确，这就是之谜：它将[rsp+16] 的垃圾读入xmm3！然后将其保存到[rsp+304]，然后用来自[rip+.LC12] 的7.0 覆盖这个保存的值。

【参考方案1】：

您的代码执行以下步骤：

使用未初始化的 Eigen::Matrix 成员创建未初始化的 MatrixConstructor 对象 设置 Eigen::Matrix 成员的一行 创建一个新的 MatrixConstructor 对象，其 Eigen::Matrix 成员使用旧 MatrixConstruction 对象的 Eigen::Matrix 成员进行初始化

因此，在第 3 步中，您将复制一个仅设置了第一行的 Eigen::Matrix 对象。对象的其余值仍未初始化。由于这些都是临时对象，它们都分配在堆栈中，因此您看到从堆栈中读取垃圾也就不足为奇了。

请注意，这假定 Eigen::Matrix() 构造函数不会初始化对象，从快速查看源代码来看，默认情况下它似乎不会这样做。

【讨论】：

嗯，你似乎是对的。我将尝试在构造函数之间通过引用传递它并查看结果。现在仍然奇怪的是，冗余操作还没有在-O3 级别进行优化。

确实，存储对正在构造的矩阵的引用而不是副本会导致代码小几倍，这也利用了 AVX 四双指令。