为什么返回函数局部变量的引用不会导致编译错误？

Question

以下代码会引发未定义行为。

int& foo()
{
  int bar = 1234;
  return bar;
}

使用g++会发出警告：

warning: reference to local variable ‘bar’ returned [-Wreturn-local-addr]

clang++也一样：

warning: reference to stack memory associated with local variable 'bar' returned [-Wreturn-stack-address]

为什么这不是编译错误（忽略-Werror）？

是否存在可以返回本地变量引用的情况是有效的？

编辑正如指出的那样，规范要求此代码可编译。那么，为什么规范不禁止这样的代码？

- Drew Noakes

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如果函数中的代码有很多分支，那么可能很难弄清楚。 - juanchopanza

有很多现有的程序存在这个bug，但它们仍然可以正常运行，所以将其视为错误会导致不兼容性变更 :) - Hans Passant

@Basile：在这种情况下，您可以使用返回的值（因为它是引用而不是指针）。 - paxdiablo

什么指针？ - Angew is no longer proud of SO

@LokiAstari，我哪里说过我不是呢？ - Drew Noakes

Answer 1

我认为要求使程序无效（即将其编译错误）会使标准变得更加复杂，而收益却很小。你必须在标准中明确指出这种情况何时应该被诊断，并且所有编译器都必须实现它们。

如果你指定得太少，它将不太有用。而编译器可能已经检查到这一点并发出警告，而真正的程序员会使用 -Wall_you_can_give_me -Werror 进行编译。

如果你指定得太多，编译器实现标准将变得困难（或不可能）。

考虑以下这个类（你只有头文件和库）：

class Foo
{
  int x;

public:
  int& getInteger();
};

而这段代码：

int& bar()
{
  Foo f;
  return f.getInteger();
}

现在，应该将标准书写为使其不规范吗？可能不需要，如果Foo是这样实现的：

#include "Foo.h"

int global;

int& Foo::getInteger()
{
  return global;
}

同时，可以这样实现：

#include "Foo.h"

int& Foo::getInteger()
{
  return x;
}

当然，这会给你一个悬挂引用。

我的观点是，编译器不能真正知道返回引用是否可以，除了一些琐碎的情况（返回对函数作用域自动变量或非引用类型参数的引用）。 我认为没有必要为此复杂化标准。尤其是因为大多数编译器已经将其作为实现质量问题发出警告。

- Angew is no longer proud of SO

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这些例子真的有助于解释所涉及的复杂性。谢谢。似乎一些语言（D，Rust）具有明确的生命周期说明符，可以直接解决这个问题。 - Drew Noakes

我怀疑确定引用是否为本地变量实际上可能是停机问题。虽然我不100％确定。 - Mysticial

@Mysticial：确定引用实际上是否是本地引用将是停机问题。另一方面，我认为可以定义有用的引用语义，将引用参数分类为短暂的、可返回的或可持久化的，禁止将局部变量作为参数传递给可持久化参数，并将适用于函数返回值的最强限制应用于传递给可返回参数的参数。这样的规则将不允许一些在实践中永远不会创建悬空引用的构造，但将允许大多数有用的场景。 - supercat

@HongxuChen: 编写一个函数，该函数接受一个引用并同时执行两个计算。如果第一个计算先完成，则函数返回传入的引用。如果第二个计算先完成，则返回对静态对象的引用。如果第一个计算永远不是第一个完成的，则不会有未定义行为。即使在没有任何计算完成的情况下，也将出现Undefined Behavior，并且编译器可以假定至少有一个计算最终会完成，但确定哪个计算会获胜将成为停机问题。 - supercat

@HongxuChen：如果上述方法被一个方法调用，该方法将其传递给一个本地变量的引用，然后将返回值传递给其调用者，如果内部方法返回对传入参数的引用，则外部方法仅返回对其本地变量的引用；确定是否会发生这种情况相当于停机问题。 - supercat

Answer 2

此外，因为您可能想要获取当前堆栈指针（在您的特定实现中意味着什么），所以需要这个函数：

```` void *get_sp(void) { __asm__("mov %rsp,%rax"); } ```` 请注意，此代码是具有平台依赖性的，并且只适用于使用x86_64体系结构的计算机。

 void* get_stack_pointer (void) { int x; return &x; };

^{据我所知，如果不对结果指针进行解引用操作，这并不是未定义行为。}

比起这个，这种方式更加兼容性强:

 void* get_stack_pointer (void) { 
    register void* sp asm ("%esp"); return sp; }

关于为什么你可能想要获取堆栈指针：有些情况下你有正当理由去获取它，比如保守式的Boehm垃圾收集器需要扫描堆栈（因此需要堆栈指针和底部地址）。

如果你返回一个C++引用，并且只使用一元运算符&取该引用的地址，那么获得这样的地址是合法的。这是唯一合法的操作（在我看来）。

另一个获取堆栈指针的原因是为了获得一个非NULL指针地址（例如，您可以将其哈希），与任何堆、局部或静态数据不同。但是，您可以使用(void*)1或(void*)-1来实现此目的。

因此，编译器只对此发出警告是正确的。

我猜测C++编译器应该会接受。

int& get_sp_ref(void) { int x; return x; }

void show_sp(void) { 
   std::cout << (&(get_sp_ref())) << std::endl; }

- Basile Starynkevitch

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这可能对指针是正确的，但我问的是关于引用的。 - Drew Noakes

引用在很大程度上只是指针的语法糖。对于引用而言，“取消引用指针”的等效操作是“左值到右值转换”，而进行该操作会导致未定义行为。 - Jonathan Wakely

移除了无用的 static_cast。谢谢。 - Basile Starynkevitch

据我所知，如果您不解引用生成的指针，则不会出现未定义行为。从技术上讲，我认为您拥有的内容是可以安全调用的，但是在C语言中，即使仅仅将结果存储在另一个变量中，也肯定是未定义的行为，我认为C++遵循了C的规则。按照这些规则，您的最后一个示例肯定是无效的。 - user743382

如果您不对生成的指针执行任何操作，则此函数无法实现“您可能想要获取堆栈指针”的目标。 - M.M

Answer 3

出于同样的原因，C语言允许返回已经释放了的内存块的指针。

这在语言规范上是有效的。这是一个非常糟糕的想法（而且根本没有被保证能够正常工作），但它仍然有效，因为它并没有被禁止。

如果你问为什么标准允许这种做法，可能是因为当引用被引入时，它们的工作方式就是这样。每个版本的标准都有一些指导方针需要遵循（例如最小化“破坏性更改”的可能性，即使现有正确格式的程序变得无效），标准是用户和实现者之间的协议，其中委员会中实现者的人数肯定比用户多 :-)

把这个想法推向潜在的变化可能值得一试，看看ISO会有何反应，但我怀疑这将被视为那些“破坏性更改”之一，因此非常可疑。

- paxdiablo

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那么没有技术上的原因吗？指针和引用是不同的东西。指针更加灵活，允许很多无效的用法。如果你在处理指针，那就是你玩的游戏。然而，对于引用，有一定的保证。我希望编译器能够拒绝这样的代码。主要是希望学习一些我之前没有见过的边缘情况，以便在某些情况下可能会有用。 - Drew Noakes

@Drew，编译器不可能拒绝这段代码，因为标准规定它是可以的。gcc正确地警告你正在做一些危险的事情，但如果它拒绝这段代码，那么它就不符合标准。 - paxdiablo

@paxdiablo，我理解OP的问题是“为什么标准没有规定这个格式不正确？” - Angew is no longer proud of SO

@Angew，是的，那样措辞更好。谢谢。 - Drew Noakes

根据语言规范，返回指向已释放内存块的指针是无效的。（也许你的意思是“它不是非法的”？） - M.M

Matt，它是有效的，因为你被允许去做它，就像a++ + ++a一样是有效的。我所说的有效是指它不是非法的。它是未定义行为的事实是另一个问题。我会澄清的。 - paxdiablo

Answer 4

为了进一步解释之前的答案，ISO C++标准本身并没有区分警告和错误；当提到编译器必须在看到有问题的程序时发出什么内容时，它只是使用“诊断”这个术语。引用 N3337 1.4，第1和第2段：

可诊断规则集包括此国际标准中的所有句法和语义规则，但不包括那些包含明确注释“无需诊断”的规则或被描述为导致“未定义行为”的规则。虽然此国际标准仅规定了C++实现的要求，但如果将这些要求作为程序、程序部分或程序执行的要求来表述，则通常更易于理解。这些要求具有以下含义：如果一个程序不违反此国际标准中的任何规则，则符合要求的实现应在其资源限制内接受并正确执行该程序；如果程序违反了任何可诊断规则或出现了在此标准中描述为“有条件支持”的构造，而实现不支持该构造，则符合要求的实现应发出至少一条诊断消息；如果程序违反了不需要诊断的规则，则此国际标准对实现不对该程序施加任何要求。

- LThode

Answer 5

其他答案没有提到的一点是，如果从未调用该函数，则此代码是可以的。

编译器不需要诊断函数是否可能被调用。例如，您可能设置一个程序，寻找费马大定理的反例，并在找到一个时调用此函数。编译器拒绝这样的程序是错误的。

- M.M

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按照这种推理，只要我从未调用它，这个函数就应该编译通过吗？void neverCalled() { !"£$%^&*()_+; } - Drew Noakes

@DrewNoakes 这是一个语法错误。编译器必须诊断出任何不符合标准的代码（当然，是根据标准来判断）。 - M.M

Answer 6

将引用返回到局部变量是一个不好的主意，然而有些人可能会创建需要这样做的代码，所以编译器应该只是警告而不将有效（有效结构）的代码视为错误。

Angew已经发布了一个使用局部变量实际上是全局的示例。然而还有一些其他（我个人认为更好的）示例。

Object& GetSmth()
{
    Object* obj = new Object();
    return *obj;
}

在这种情况下，对本地对象的引用是有效的，调用者在使用后应该释放内存。

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重要提示 我不鼓励也不推荐使用这种编码风格，因为它是糟糕的，通常很难理解发生了什么，并且会导致一些问题，比如内存泄漏或崩溃。这只是一个示例，说明为什么不能将此特定情况视为错误。

- ST3