std::isinf不能与-ffast-math一起使用。如何检查无穷大。

Question

std::isinf不能与-ffast-math一起使用。如何检查无穷大。

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示例代码：

#include <iostream>
#include <cmath>
#include <stdint.h>

using namespace std;

static bool my_isnan(double val) {
    union { double f; uint64_t x; } u = { val };
    return (u.x << 1) > (0x7ff0000000000000u << 1);
}

int main() {
    cout << std::isinf(std::log(0.0)) << endl;
    cout << std::isnan(std::sqrt(-1.0)) << endl;
    cout << my_isnan(std::sqrt(-1.0)) << endl;
    cout << __isnan(std::sqrt(-1.0)) << endl;

    return 0;
}

在线编译器.

使用-ffast-math，该代码将打印“0, 0, 1, 1”，否则将打印“1, 1, 1, 1”。

这正确吗？我认为std::isinf/std::isnan在这些情况下仍应该与-ffast-math一起工作。

此外，我如何使用-ffast-math检查无穷大/NaN？您可以看到my_isnan执行此操作，实际上它是有效的，但这种解决方案当然非常依赖于架构。还有，为什么my_isnan在这里有效而std::isnan不行？__isnan 和 __isinf呢？它们总是有效吗？

使用-ffast-math，std::sqrt（-1.0）和std::log（0.0）的结果是什么？会变成未定义，还是应该是NaN / -Inf？

相关讨论：（GCC）[Bug libstdc++/50724] New: isnan broken by -ffinite-math-only in g++，（Mozilla）Bug 416287-使用isNaN的性能提高机会

- Albert

我认为这将取决于您使用的编译器和可能的操作系统。在OS X上使用clang 5.1，您的示例代码将打印1。 - Sylvain Defresne

@SylvainDefresne：是的，但问题主要是：我该如何以一种始终有效的方式进行检查？ - Albert

也许打印 std::log(0.0) 会有帮助，以查看是 std::log 还是 std::isinf 计算了错误的结果。 - microtherion

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你的 my_isnan 不正确：my_isnan(45.0) == 1。 - Jean-Michaël Celerier

@Jean-MichaëlCelerier 嗯，是的。我不知道这是从哪里来的。我认为它应该是(u.x << 1) > (0x7ff0000000000000u << 1)。 - Albert

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1个回答

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可以查看英文原文，
原文链接

- godfatherofpolka · Accepted Answer

请注意，-ffast-math 可能会使编译器忽略/违反 IEEE 规范，请参见 http://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc-4.8.2/gcc/Optimize-Options.html#Optimize-Options ：

除了 -Ofast 选项以外，任何 -O 选项都不会打开此选项，因为它可能导致依赖于精确实现 IEEE 或 ISO 数学函数规则/规范的程序输出不正确。但是，对于不需要这些规范保证的程序，它可能会产生更快的代码。

因此，使用 -ffast-math 不能保证您在应该看到无穷大时看到无穷大。

特别地，-ffast-math 打开了 -ffinite-math-only，参见 http://gcc.gnu.org/wiki/FloatingPointMath，意味着（来自http://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc-4.8.2/gcc/Optimize-Options.html#Optimize-Options）：

[...] 浮点算术的优化假定参数和结果不是 NaN 或 +-Inf

这意味着，通过启用 -ffast-math，您向编译器承诺您的代码永远不会使用无穷大或 NaN，从而允许编译器通过将对 isinf 或 isnan 的任何调用替换为常量 false（并进一步进行优化）来优化代码。如果您违反了对编译器的承诺，则编译器不需要创建正确的程序。

因此，答案很简单，如果您的代码可能具有无限大或NaN（这在您使用isinf和isnan的事实强烈暗示），则不能启用-ffast-math，否则您可能会得到不正确的代码。

您对my_isnan的实现（在某些系统上）有效，因为它直接检查浮点数的二进制表示。当然，处理器仍然可能进行（一些）实际计算（取决于编译器执行哪些优化），因此实际NaN可能出现在内存中，您可以检查其二进制表示，但如上所述，std::isnan可能已被替换为常量false。同样可能发生的是，编译器将sqrt等替换为某些版本，该版本甚至不会为输入-1产生NaN。为了查看编译器执行的优化，请将代码编译为汇编语言并查看该代码。

我来做一个（不完全相关的）比喻，如果你告诉编译器你的代码是用C++写的，那么你就不能期望它能正确编译C代码，反之亦然（实际上有一些例子，例如Can code that is valid in both C and C++ produce different behavior when compiled in each language?）。

启用-ffast-math并使用my_isnan是一个不好的主意，因为这会使一切都非常依赖于机器和编译器，你不知道编译器总体进行了什么优化，所以可能会有其他隐藏的问题与你使用非有限数学相关，但告诉编译器相反有关。

一个简单的解决方法是使用-ffast-math -fno-finite-math-only，这样仍然会给出一些优化。

也许你的代码看起来像这样：

过滤掉所有的无穷大和NaN
对筛选出来的值进行一些有限的数学运算（我的意思是保证不会产生无穷大或NaN的数学运算，这必须非常小心地检查）

在这种情况下，您可以分割您的代码，并使用优化的 #pragma 或 __attribute__ 来有选择地打开和关闭 -ffast-math（分别为 -ffinite-math-only 和 -fno-finite-math-only），用于给定的代码片段（但我记得某个版本的GCC与此相关存在一些问题），或者只需将您的代码拆分成单独的文件并使用不同的标志编译它们。当然，如果您能够隔离可能出现无穷大和NaN的部分，则这也适用于更一般的设置。如果您不能隔离这些部分，则这是您不能在此代码中使用 -ffinite-math-only 的强烈指示。

最后，重要的是要理解-ffast-math不是一种无害的优化，仅仅使程序更快而已。它不仅影响代码的性能，还会影响其正确性（除了浮点数已经存在的所有问题之外，如果我没记错William Kahan在他的主页上有一系列恐怖故事，请参阅每个程序员都应该知道的浮点运算知识）。简而言之，您可能会得到更快的代码，但也可能得到错误或意外的结果（请参见下面的示例）。因此，只有在确实知道自己在做什么并且已经确定要么：

这些优化不会影响特定代码的正确性，或者
由优化引入的错误对代码不是关键的时候，才应使用这些优化。

使用这种优化与否实际上会导致程序代码表现出不同的行为。特别是当启用像-ffast-math这样的优化时，它可能会表现出错误（或至少与您的期望完全相反）。例如，考虑以下程序：

#include <iostream>
#include <limits>

int main() {
  double d = 1.0;
  double max = std::numeric_limits<double>::max();
  d /= max;
  d *= max;
  std::cout << d << std::endl;
  return 0;
}

不使用任何优化标志编译时，将输出预期的1；但使用-ffast-math标志编译时，将输出0。