当使用C++的-O3编译选项编译代码时，为什么我的编译器会将这个for循环优化成无限循环？

Question

我正在尝试理解优化过程是如何导致下列代码在使用 -O3 优化标志编译时产生无限循环的。顺带一提，我明白问题的真正原因在于该非 void 函数缺少返回，而我在嵌入式系统上实现这段代码的过程中遇到了这种有趣的行为，此时我还没有添加返回语句，因为那时我没有使用返回值。

我的问题更多地涉及优化过程，以及它是如何在其他情况下提高性能的/‘优化’逻辑的样子。额外提供信息，当我在 Ubuntu 使用 C++ 编译器（c++ (Ubuntu 9.4.0-1ubuntu1~20.04.1) 9.4.0）和 Xilinx Vitis 2020.2 提供的 aarch64-linux-gnu-g++ 编译器时（分别在它们各自的平台上运行），都能看到这种行为。

最小可重现示例（目前我已创建）：

#include <iostream>

int broken_for_loop(){
    for (int i = 0; i < 10000; i+= 1000){
        std::cout << i << std::endl;
    }
}

int main(int argc, char const *argv[]){
    broken_for_loop();
}

当使用c++ ./broken_loop_test.cpp -o test_local -O3或ARM相应的编译命令进行编译时，循环的输出是无限的，并且我已经运行了直到32位整数溢出。没有优化时，它的工作方式符合我的期望。如果在for循环后简单地return 0，则在进行优化时也可以正常工作。

我天真的怀疑是因为循环外没有返回，所以编译器希望我从循环内返回或中断，因此删除了测试循环条件的检查/分支，但我想知道可以查看什么内容以获取更多关于这个特定主题（以及优化的一般信息，自上次参加编译器设计课程以来，已经过了一段时间）的信息，而我对汇编语言不够自信，无法确定问题所在。

任何帮助都将不胜感激，谢谢！

由于需要此部分，我会注意到我尝试声明volatile i，并使用不同类型的整数，以及将常量值转换和在循环中执行更多/更少的操作。所有情况都没有返回语句会导致相同的行为。

- Douglas B

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如果你的函数中漏掉了返回某些整数值，会导致代码出现未定义行为（UB）... - Jarod42

你打破语言规则，语言规则反过来就会束缚你 ;) - NathanOliver

没有有效的return语句，代码就是不完整的，所以（大概）所有的赌注都是无效的。 - Adrian Mole

没有return语句，g++和clang都会删除循环边界检查，并且根本不会从函数中返回。一个不无道理的推断可能是：“这个函数永远不会返回，所以循环永远不会终止，因此没有必要检查循环条件”。 - molbdnilo

下次编译时，请允许您的gcc编译器告诉您一些警告。即使是开源代码编辑器...例如Qt Creator也会警告实际问题。 - Öö Tiib

Answer 1

未定义行为导致时间旅行。

你的代码是一个很好的例子。在循环后面有未定义行为（必须返回值的函数没有返回值）。由于编译器可以假设 UB 从不会发生，它会认为循环永远不会结束，并相应地编译它。

- n. m.

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你能否指引我查找有关代码优化方面的资料？我知道，正如之前所说，UB/缺少返回是根本问题，但我的问题更多的是想了解在我的情况下哪个优化过程导致UB成为问题，并且当遵循语言规则时它会出现在哪里。我早已解决了这个问题，现在只是想满足好奇心。 - Douglas B

UB总是有问题，因为编译器总是被允许做任何事情。你是否想知道为什么当不进行优化时，“任何事情”恰好与“按我预期工作”相符合？因为你那一次运气好而已。警察没有注意到，编译器也没有注意到循环结束时所有执行路径都会导致UB，因为检测这种情况的逻辑只有在开启优化时才会启用。 - n. m.

@DouglasB: -O0 编译每个 C 语句时都会单独处理，没有常量传播。使用调试器进行单步调试，退出循环是一个可见的效果，而 gcc -O0 提供了一致的调试功能。为什么 clang 在 -O0 下生成低效的汇编代码（对于这个简单的浮点数求和）？ 然而，在调试器中，没有真正的方法可以在没有 UB 的情况下从这个函数中退出，因为它没有任何返回语句，你也无法通过 j 或 set i = -1234 来设置值。 - Peter Cordes

@DouglasB：gcc -O0 可能只是对处理这种编译时可见 UB 实例的默认方式有所不同，因为它会发出一个 ret 指令，而不是让执行掉入下一个函数（即不发出任何 ret 指令，例如 int foo() {}，它编译成字面上零条指令，甚至没有 ret，带有优化）。https://godbolt.org/z/Kh64fqo3v - Peter Cordes

程序员有办法避免执行无必要指令。 - supercat