算术右移会产生错误的结果吗？

Question

我一定是疯了，但是我机器上的gcc 4.7.3却给出了荒谬的结果。以下是我正在测试的精确代码：

#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，任何一个数字如果被自己右移，应该会得到0 (n/(2^n) == 0 ，其中 n>1 ，且为正/无符号整数)，但是一些情况下我的输出结果如下：

100000
100000
100000

我是疯了吗？到底发生了什么事？

- Suedocode

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@ShafikYagmour：这假设编译器会费心去加入这个指令。它完全有权利拒绝这个程序。 - MSalters

@MSalters，确实，我们现在涉及到编译器/平台/版本特定的问题，但对于当前和最近的版本来说，情况是这样的，正如我已经说明的那样，这是未定义的，所以你显然是自己负责的。只有在使用-O0时，gcc似乎才会产生一个shr。 - Shafik Yaghmour

@ShafikYaghmour：Intel只是GCC支持的众多平台之一，它们有不同的优化阶段。在优化中的一个常见技巧是说：“这个值只能在0到31之间，因为它用于移位，如果我按照代码路径X到达这里，该值将不在0到31之间，所以代码路径X是不可能的，我甚至不需要为其生成指令”。GCC以空指针检查而闻名。 - MSalters

@MSalters，这有道理，那么这也会影响警告吗？ - Shafik Yaghmour

有趣的事实：虽然在C语言中这是未定义行为，但在C#中它是已定义行为，但定义有些奇怪。在C#中，对于32位整数x和y，x>>y的计算方式是x>>(y&0x1f)！因此，(x >> 16) >> 16为零，但x >> 32等于x。 - Eric Lippert

Answer 1

在C++中，与C类似，移位操作的位数限制于被移位值的位数。例如，如果unsigned int是32位，则超过31位的移位是未定义的。

实际上，常见结果是使用移位量的最低5位，并忽略高阶位；这是由编译器产生一条完全这样做的机器指令所致（例如，在x86上进行SHR操作）。

在这种情况下，移位值为100000（十进制），它恰好是11000011010100000二进制-较低的5位为零。因此，你实际上获得了一个0位移。但是，您不应该依赖它；从技术上讲，您看到的是未定义行为。

参考资料：

对于C语言，N1570第6.5.7节：

如果右操作数的值为负或大于或等于提升后的左操作数的宽度，则行为未定义。

对于C ++，N3690第5.8节"[expr.shift]":

如果右操作数为负或大于或等于提升后的左操作数的长度，则行为未定义。

N1570是一份草案，几乎与发布的ISO C11标准相同；此条款自1989年ANSI C标准以来基本上没有改变。

N3690是C ++标准的最新草案；我不确定它是否是最好的用法，但是，这个条款没有改变。

- davmac

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你是否观察到这种行为在不同的编译器中出现过，或者是从某个地方读取的信息？ - Grijesh Chauhan

@GrijeshChauhan，这在C和C++标准规范中有记录。关于SHR指令的生成，我已经观察到了。 - davmac

编程圣母啊...我刚测试了一下，100000的二进制是0b110000110101_00000。我试着将其左移100001位，结果它确实左移了1位。 - Suedocode

@Aggieboy 这也取决于其他因素，例如优化级别。gcc和clang在不同的优化级别下具有不同的输出，这完全符合未定义行为，即任何事情都可能发生。 - Shafik Yaghmour

Answer 2

如果您将位移大于左操作数的位长度，则会调用未定义行为，draft C ++标准第5.8节Shift operators第1段说（我强调）：

操作数必须是整数或无作用域枚举类型，并执行整数提升。结果的类型是提升后左操作数的类型。 如果右操作数为负数或大于或等于提升后左操作数的位长度，则行为未定义。

有趣的是，如果位移量是文字，则gcc和clang都可能为此代码生成警告：

cout << (b>> 100000) ;

如果b是一个const，那么gcc的警告如下：

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

根据MSalters在问题的评论中指出的，我们甚至可能不能依赖这个警告，因为这是未定义行为，这与标准中关于“未定义行为”的术语和定义部分的注释一致，该部分表示：

注意：[...] 可允许的未定义行为范围从完全忽略情况并产生不可预测的结果，到在翻译或程序执行期间以环境特征的记录方式行为（有或没有发出诊断消息），到终止翻译或执行（带有发出诊断消息）。[...]

平台特定细节

对于示例代码中似乎缺少移位的潜在解释是因为在某些平台上，移位计数将被掩码到5位，例如在x86架构上，我们可以在Intel® 64和IA-32体系结构软件开发人员手册中的SAL/SAR/SHL/SHR-Shift部分中看到，在IA-32体系结构兼容性部分中说：

8086不会掩码移位计数。但是，所有其他IA-32处理器（从Intel 286处理器开始）都会将移位计数掩码为5位，从而最多可计数31个。 [...]

- Shafik Yaghmour

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80286故意允许包括字长在内的移位量。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）？ - supercat

此外，有关x86的更多背景信息，请参阅此博客文章。 - Shafik Yaghmour