从函数返回结构体可能存在GCC缺陷

Question

我在实现O'Neill的PCG PRNG时，发现了GCC中的一个bug。（在Godbolt's Compiler Explorer上的初始代码）

在将oldstate乘以MULTIPLIER之后（结果存储在rdi中），GCC没有将该结果加到INCREMENT上，而是将INCREMENT movabs到rdx中，然后将其用作rand32_ret.state的返回值。

最小可重现示例（Compiler Explorer）：

#include <stdint.h>

struct retstruct {
    uint32_t a;
    uint64_t b;
};

struct retstruct fn(uint64_t input)
{
    struct retstruct ret;

    ret.a = 0;
    ret.b = input * 11111111111 + 111111111111;

    return ret;
}

生成的汇编代码(GCC 9.2, x86_64, -O3)：

fn:
  movabs rdx, 11111111111     # multiplier constant (doesn't fit in imm32)
  xor eax, eax                # ret.a = 0
  imul rdi, rdx
  movabs rdx, 111111111111    # add constant; one more 1 than multiplier
     # missing   add rdx, rdi   # ret.b=... that we get with clang or older gcc
  ret
# returns RDX:RAX = constant 111111111111 : 0
# independent of input RDI, and not using the imul result it just computed

有趣的是，将结构体修改为uint64_t作为第一个成员会产生正确的代码，同时将两个成员都改为uint64_t也可以。

当结构体可以被简单复制时，x86-64 System V会返回小于16字节的结构体到RDX:RAX寄存器中。在这种情况下，第二个成员位于RDX寄存器中，因为RAX的高半部分是对齐或.b的填充，当.a是更窄的类型时。(sizeof(retstruct)无论如何都是16；我们没有使用__attribute__((packed))，所以它遵循alignof(uint64_t) = 8。) 这段代码是否包含任何未定义的行为，使得GCC能够生成“不正确”的汇编代码？ 如果没有，应该在https://gcc.gnu.org/bugzilla/上报告此问题。

- vitorhnn

---

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

我这里看不到任何未定义行为；因为你的类型是无符号的，所以有符号溢出的未定义行为是不可能的，并且没有什么奇怪的地方。即使是带符号的，它也必须为那些不引起溢出未定义行为的输入产生正确的输出，比如rdi=1。GCC的C++前端也存在问题。

此外，GCC8.2可以正确地编译AArch64和RISC-V（使用movk构造常量后转换为madd指令，或在加载常量后进行RISC-V乘法和加法）。如果GCC发现了UB，我们通常会预期它也会在其他ISA中找到并破坏您的代码，至少对于具有类似类型宽度和寄存器宽度的ISA。

Clang也可以正确编译它。

这似乎是从GCC 5到6的一个退步；GCC 5.4编译正确，6.1及更高版本则不行。(Godbolt)。

你可以使用你问题中的MCVE在GCC的bugzilla上报告此问题。 看起来这就像是x86-64 System V结构返回处理中的一个错误，可能是由于包含填充的结构体。 这就解释了为什么内联时它能够工作，并且当将a扩展为uint64_t（避免填充）时也能工作。

- Peter Cordes

---

我已经报告了它。 - vitorhnn

看起来在“主分支”上已经修复了。 - S.S. Anne

Answer 2

这个问题已经在trunk/master上得到了修复。

这里是相关的提交。

这是一个补丁来解决这个问题。

根据补丁中的一条评论，reload_combine_recognize_pattern函数正在尝试调整USE insns。

- S.S. Anne

Answer 3

这段代码是否存在任何未定义的行为，使得GCC会生成“错误”的汇编代码？

问题中提供的代码在C99及以后的C语言标准下是良好定义的。特别地，C允许函数无限制地返回结构体值。

- John Bollinger

---

GCC确实会生成函数的独立定义；无论是否与其他函数一起在翻译单元中编译，我们都在查看这个，这是我们正在寻找的。您可以通过将其单独编译到翻译单元中并在没有LTO的情况下链接，或者通过使用-fPIC进行编译来轻松测试它，这意味着所有全局符号（默认情况下）都是可互换的，因此不能内联到调用者中。但是，从生成的汇编代码中看，问题确实是可以检测到的，而不管调用者如何。 - Peter Cordes

好的，@PeterCordes，虽然我非常有信心这个细节是在Godbolt下改变了。 - John Bollinger

问题的第一个版本链接到了Godbolt，只有函数本身在翻译单元中，就像你回答时问题本身的状态一样。我没有检查你可能正在查看的所有修订或评论。水已经过桥了，但我认为从来没有声称独立的asm定义仅在源使用__attribute__((noinline))时才会出现问题。（这将是令人震惊的，不仅仅是GCC正确性错误的方式）。可能只是为了制作一个打印结果的测试调用者而提到了这一点。 - Peter Cordes