一个永远不终止的程序是一个有效的C++程序吗？

Question

是否需要一个程序来终止？换句话说，永远运行的程序在技术上是未定义行为吗？注意，这不是关于空循环的问题。讨论的是那些永远执行“操作”（即可观察行为）的程序。

例如，像这样的内容：

int main()
{
    while (true)
    {
        try
        {
            get_input(); // calls IO
            process();
            put_output(); // calls IO, has observable behavior

            // never break, exit, terminate, etc
        } catch(...)
        {
            // ignore all exceptions
            // don't (re)throw
            // never go out of loop
        }
    }
}

这更多是一个学术问题，因为实证上，所有正常的编译器都将为上述程序生成预期的代码（当然，假设没有其他UB来源）。当然，有很多程序永远不会终止（操作系统、嵌入式系统、服务器等）。但是标准有时候很古怪，所以才会有这个问题。

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旁观者：许多（一些？）算法定义要求算法必须终止，即一系列永远不会终止的操作不被视为算法。

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旁观者。停机问题指出，不存在一种算法能够确定任意程序是否在给定输入下结束。然而，对于这个特定的程序，由于没有任何分支导致离开main函数，编译器可以轻松确定程序永远不会结束。但这与问题的语言法律无关。

- bolov

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评论不适合进行长时间的讨论；此对话已被移至聊天室。 - Samuel Liew

Answer 1

C++标准中没有要求程序或任何给定线程终止的内容。最接近的是[intro.progress]p1，其中提到：

实现可以假设任何线程最终都会执行以下操作之一： - 终止， - 调用库I/O函数， - 通过易失性glvalue进行访问，或 - 执行同步操作或原子操作。

只要有一些可观察的行为，或者只要它花费所有时间阻塞在I/O操作或另一个阻塞的库调用上，这就不适用，并且程序是有效的（假设它满足所有其他有效性标准）。

- Daniel H

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“一个I/O操作或另一个阻塞库调用” - 标准非常明确，只列出了I/O操作。为什么您要添加“或另一个阻塞库调用”？此外，该I/O操作已经包含在您早期提到的 “某些可观察行为”中。 - MSalters

@MSalters std::mutex::lock() 是一个同步操作的库调用，属于第四个要点。因此，并不是只有 I/O 调用被提到了。 - Igor Tandetnik

如果程序一直停留在“输入”状态，但却没有得到任何输入，那么这是否算作可观察的情况还有待商榷。 - Daniel H

Answer 2

是的。来自[intro.progress]。

实现可以假定任何线程最终都会执行以下操作之一：

• 终止，
• 调用库I/O函数，
• 通过易失性glvalue进行访问，或者
• 执行同步操作或原子操作。

[注意：这旨在允许编译器转换，例如删除空循环，即使无法证明终止。—注解]

- Caleth

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我认为最好加上一点描述，说明该程序进行输入/输出操作。 - KamilCuk

只要OP示例中的“get_input”和“put_output”函数“调用库I/O函数”，即使程序不终止，它也应该是有效的？ - Some programmer dude

@Someprogrammerdude 或访问一个 volatile 或 atomic 值，是的。 - Caleth

编译器不知道 - 这并不重要。从语言层面来看，编译器可能知道也可能不知道，问题在于它是否有效。 - KamilCuk

@ Damon 注释不是规范性的；我认为“实现可以假设”意味着“否则行为未定义”。 - Daniel H