为什么C++链接器允许未定义的函数？

Question

这段C++代码也许令人惊讶地打印出1。

#include <iostream>

std::string x();

int main() {

    std::cout << "x: " << x << std::endl;
    return 0;
}

x是一个函数原型，看起来像是一个函数指针，在C++标准第4.12节的布尔转换中说：

4.12 布尔转换 [conv.bool] 1 算术类型、未作用域的枚举类型、指针类型或成员指针类型的prvalue可以转换为bool类型的prvalue。零值、空指针值或空成员指针值转换为false；任何其他值转换为true。对于直接初始化（8.5），std::nullptr_t类型的prvalue可以转换为bool类型的prvalue；结果值为false。

然而，x从未绑定到一个函数。正如我所预期的，C链接器不允许这样做。但是在C++中，这根本不是问题。有人能解释一下这种行为吗？

- chmullig

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这是一种不需要诊断即可出现 ODR 违规的情况，意味着您的代码存在未定义行为。 - T.C.

这是一个不正确的NDR，因此根据[intro.compliance]/2的规定（“如果程序违反了不需要诊断的规则，则本国际标准不对实现该程序的要求做出任何规定”），它基本上是未定义行为（[defns.undefined]，“本国际标准没有规定的行为”）。 - T.C.

@T.C. 嗯，我想是这样的。不过让我想知道为什么他们要在第一次区分“格式错误，无需诊断”和“行为未定义”，虽然我相信肯定有人会问这个问题... - Lightness Races in Orbit

@LightnessRacesinOrbit 我认为这是ODR违规的特殊类别。 - M.M

@Columbo 那是显然不正确的，大多数类型的未定义行为只有在遇到其语句时才会被触发。(例如：int f() { return 1 / 0; } 只要 f() 从未被调用就可以了)。 - M.M

Answer 1

这里发生的情况是函数指针被隐式转换为bool。这是由[conv.bool]规定的：

零值、空指针值或空成员指针值被转换为false；任何其他值都被转换为true

其中，“空指针值”包括空函数指针。由于从函数名的衰减得到的函数指针不能为null，因此结果为true。通过在输出命令中包含<< std::boolalpha可看到这一点。

下面的代码在g++中会导致链接错误：(int)x;

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关于是否允许这种行为，C++14 [basic.odr.ref]/3说：

如果函数的名称出现在可能求值的表达式中，则该函数是odr-used， 如果它是唯一的查找结果或一组重载函数中选择的成员[...]。

这确实涵盖了这种情况，因为输出表达式中的x被查找到上面的x的声明，并且那是唯一的结果。然后，在/4中，我们有：

每个程序必须包含该程序中对其进行odr-used的每个非内联函数或变量的正好一个定义；不需要诊断。

因此，程序是有问题的，但不需要进行诊断，这意味着程序的行为完全未定义。

顺便说一下，这个条款意味着x();也不需要链接错误，然而从实现质量的角度来看，那样很愚蠢。在这里，g++选择的方式对我来说似乎是合理的。

- M.M

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@Columbo N3936 实际上（据我所知）与 C++14 完全相同。 - M.M

@Columbo，你有下载链接吗？（根据SO C++文档页面的建议，需要从CWG页面进行身份验证） - M.M

@Columbo：引用工作草案来证明标准行为并不是很有用，因为它们在标准之间可以显著地改变，同时添加和删除一些内容。最好引用标准或者必要时引用最后一个编辑成为标准的工作草案。这就是Matt所做的（是的，N3936实际上是C++14）。 - Lightness Races in Orbit

@LightnessRacesinOrbit N4140 与 N3936 相比仅包含编辑更改，其中一个更改对于引用（编号的项目符号）尤其有用。 - T.C.

@T.C. 是的，但一般来说，当意图引用标准时，为什么要推动某人放弃实际的国际标准措辞而选择草案呢？ - Lightness Races in Orbit

Answer 2

X不需要与函数"绑定"，因为您在代码中声明了该函数的存在。因此编译器可以安全地假定该函数地址不会为NULL。为了实现这一点，您必须将函数声明为弱符号，但是您没有这样做。链接器没有抗议，因为您从未调用过该函数（您从未使用其实际地址），因此它看不到任何问题。

- Freddie Chopin

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当然，编译器 可以做出这样的假设。但是 链接器 实际上将其链接起来并生成一个可执行文件。 - chmullig

不过，1并不是函数的地址。（如果你加入x1、x2、x3等等，它们都会变成1） - M.M

@chmullig - 请看已编辑的答案 - 链接器从未见过您的 x 符号，因为编译器从未使用它 - 它根据语言规则对此“测试”进行了优化，因为它总是为真。如果您有一个 extern 变量并测试其地址，它也会以同样的方式工作。 - Freddie Chopin

@FreddieChopin：什么意思是“你必须声明该函数为弱符号”？我不明白。这个弱符号是什么？ - Destructor

Answer 3

[basic.def.odr]/2:

如果一个函数名出现在潜在评估的表达式中，那么它是odr-used，前提是它是唯一的查找结果或者是重载函数的选定成员（3.4、13.3、13.4），除非它是一个纯虚函数并且其名称没有明确限定。

因此，严格来说，代码odr使用该函数，因此需要定义。但现代编译器将意识到该函数的确切地址实际上与程序的行为无关，并且因此省略使用并不需要定义。

[basic.def.odr]/3 还规定：

每个程序都应包含每个odr被用于该程序中的非内联函数或变量的一个定义；无需诊断。

实现没有义务停止编译并发出错误消息（=诊断）。它可以做出它认为最好的事情。换句话说，任何操作都是允许的且我们有UB。

- Columbo