【C++20】编译期检测所有未定义行为undefined behavior和内存泄漏（不借助编译选项以及任何外部工具）

文章目录

  • 一、未定义行为Undefined Behavior(UB)
    • 1.返回一个未初始化的局部变量的值
    • 2.数组越界访问
    • 3.有符号数的常量表达式溢出
    • 4.new与delete
    • 5.vector
    • 6.空指针解引用
  • 参考

一、未定义行为Undefined Behavior(UB)

在C++中，未定义行为（Undefined Behavior）指的是程序的行为没有定义、不可预测或不符合C++标准的情况。当程序中存在未定义行为时，编译器和运行时环境不会对其进行任何保证，可能会导致程序产生意外的结果。

以下是一些常见的导致未定义行为的情况：

  • 访问未初始化的变量：如果使用未初始化的变量，其值是不确定的，可能包含任意的垃圾值。

  • 数组越界访问：当访问数组时，如果超出了数组的有效索引范围，将导致未定义行为。

  • 空指针解引用：当将空指针用作指针解引用，即访问其指向的内存区域时，将导致未定义行为。

  • 除以零：在C++中，除以零是一种未定义行为，可能导致程序崩溃或产生无效的结果。

  • 使用已释放的内存：如果使用已释放的内存，或者使用指向已释放内存的指针，将导致未定义行为。

  • 栈溢出：当递归调用或者使用过多的局部变量导致栈空间耗尽时，将导致未定义行为。

  • 多个线程之间的竞争条件：如果多个线程同时访问并修改共享数据而没有适当的同步机制，可能会导致未定义行为。

编译器使用x86_64 gcc13.2
C++版本：-std=c++20

1.返回一个未初始化的局部变量的值

UB写法：

#include <cstdio>int func()
{int i;return i;
}int main()
{int i = func();printf("%d\n",i);return 0;
}

编译及运行结果：

Program returned: 0
Program stdout
0

使用编译期constexpr检测UB：

#include <cstdio>constexpr int func()
{int i;return i;
}int main()
{constexpr int i = func();printf("%d\n",i);return 0;
}

编译及运行结果：

<source>: In function 'constexpr int func()':
<source>:6:9: error: uninitialized variable 'i' in 'constexpr' function6 |     int i;|         ^
<source>: In function 'int main()':
<source>:12:27: error: 'constexpr int func()' called in a constant expression12 |     constexpr int i = func();|                       ~~~~^~

通过constexpr 进行UB检测：

#include <cstdio>constexpr int func(int i)
{if (i >= 0)return 0;}int main()
{constexpr int _1 = func(1);constexpr int _2 = func(-1);return 0;
}

编译及运行：

Could not execute the program
Compiler returned: 1
Compiler stderr
<source>: In function 'int main()':
<source>:14:28:   in 'constexpr' expansion of 'func(-1)'
<source>:14:31: error: 'constexpr' call flows off the end of the function14 |     constexpr int _2 = func(-1);|

编译期使用constexpr 检测UB 写法（关于移位的例子）：

  • int类型的数据（4Bytes），最多只能移动31bit
#include <cstdio>constexpr int func(int i)
{return 1 << i;
}int main()
{constexpr int _1 = func(32);constexpr int _2 = func(-1);printf("%d\n",_1);return 0;
}

编译及运行：


<source>: In function 'int main()':
<source>:11:28:   in 'constexpr' expansion of 'func(32)'
<source>:6:14: error: right operand of shift expression '(1 << 32)' is greater than or equal to the precision 32 of the left operand [-fpermissive]6 |     return 1 << i;|            ~~^~~~
<source>:12:28:   in 'constexpr' expansion of 'func(-1)'
<source>:6:14: error: right operand of shift expression '(1 << -1)' is negative [-fpermissive]

2.数组越界访问

编译期通过constexpr检测UB写法：

#include <cstdio>constexpr int func(int i)
{int a[32]={};return a[i];
}int main()
{constexpr int _1 = func(0);constexpr int _2 = func(32);printf("%d\n",_1);return 0;
}

编译及运行：

<source>: In function 'int main()':
<source>:14:28:   in 'constexpr' expansion of 'func(32)'
<source>:8:15: error: array subscript value '32' is outside the bounds of array 'a' of type 'int [32]'8 |     return a[i];|            ~~~^
<source>:6:9: note: declared here6 |     int a[32]={};|         ^

使用编译期constexpr检测UB：

#include <cstdio>
#include <cmath>
#include <array>
#include <algorithm>constexpr int func(int i)
{int a[32]={};// std::fill(a, a+2,0);//编译期检测：直接访问数组外的数据并不会出错,但是在return中使用就会出错int* b= a+32;*b;return *std::end(a);
}int main()
{constexpr int _1 = func(0);constexpr int _2 = func(32);printf("%d\n",_1);return 0;
}

编译以及运行：


<source>: In function 'int main()':
<source>:20:28:   in 'constexpr' expansion of 'func(0)'
<source>:20:30: error: array subscript value '32' is outside the bounds of array type 'int [32]'20 |     constexpr int _1 = func(0);|                              ^
<source>:21:28:   in 'constexpr' expansion of 'func(32)'
<source>:21:31: error: array subscript value '32' is outside the bounds of array type 'int [32]'21 |     constexpr int _2 = func(32);

编译期使用constexpr检测UB行为：

#include <cstdio>
#include <cmath>
#include <array>
#include <algorithm>constexpr int func(int i)
{int a[32]={};return *(char*)a;
}int main()
{constexpr int _1 = func(0);constexpr int _2 = func(32);printf("%d\n",_1);return 0;
}

编译及运行：

  • 如果不使用constexpr就无法检测出这个指针强潜在的UB行为
  • C语言可以跨平台，如果Host主机是大端的，而不是小端的，那么强转后的地址一定是数据的低位吗？

<source>: In function 'int main()':
<source>:16:28:   in 'constexpr' expansion of 'func(0)'
<source>:11:13: error: a reinterpret_cast is not a constant expression11 |     return *(char*)a;|             ^~~~~~~~
<source>:17:28:   in 'constexpr' expansion of 'func(32)'
<source>:11:13: error: a reinterpret_cast is not a constant expression

3.有符号数的常量表达式溢出

编译期使用constexpr检测UB行为：

#include <cstdio>
#include <cmath>
#include <array>
#include <algorithm>// #define constexprconstexpr int func(int i)
{ return i + 1;
}int main()
{constexpr int _1 = func(2147483647);constexpr int _2 = func(-2147483648);printf("%d\n",_1);return 0;
}

编译及运行：


<source>: In function 'int main()':
<source>:15:28:   in 'constexpr' expansion of 'func(2147483647)'
<source>:15:39: error: overflow in constant expression [-fpermissive]15 |     constexpr int _1 = func(2147483647);|                                       ^

4.new与delete

使用constexpr检测UB行为：

#include <cstdio>
#include <cmath>
#include <array>
#include <algorithm>// #define constexprconstexpr int func(int n)
{ int *p=new int[n];delete p;return 0;
}int main()
{// constexpr int _1 = func(0);constexpr int _2 = func(1);printf("%d\n",_2);return 0;
}

编译及运行：

<source>: In function 'int main()':
<source>:19:28:   in 'constexpr' expansion of 'func(1)'
<source>:11:12: error: non-array deallocation of object allocated with array allocation11 |     delete p;|            ^
<source>:10:21: note: allocation performed here10 |     int *p=new int[n];|                     ^

使用constexpr检测UB行为：

#include <cstdio>
#include <cmath>
#include <array>
#include <algorithm>// #define constexprconstexpr int func(int n)
{ int *p=new int[n]{};delete[] p;return p[0];
}int main()
{// constexpr int _1 = func(0);constexpr int _2 = func(1);printf("%d\n",_2);return 0;
}

编译及运行：


<source>: In function 'int main()':
<source>:19:28:   in 'constexpr' expansion of 'func(1)'
<source>:19:30: error: use of allocated storage after deallocation in a constant expression19 |     constexpr int _2 = func(1);|                              ^
<source>:10:23: note: allocated here10 |     int *p=new int[n]{};|                       ^

使用constexpr检测UB行为：

#include <cstdio>
#include <cmath>
#include <array>
#include <algorithm>// #define constexprconstexpr int func(int n)
{ int *p=new int[n]{};// delete[] p;return p[0];
}int main()
{// constexpr int _1 = func(0);constexpr int _2 = func(1);printf("%d\n",_2);return 0;
}

编译以及运行：

<source>: In function 'int main()':
<source>:10:23: error: 'func(1)' is not a constant expression because allocated storage has not been deallocated10 |     int *p=new int[n]{};|                       ^

使用智能指针在consexpr中自动析构

#include <cstdio>
#include <cmath>
#include <array>
#include <algorithm>// #define constexpr
//return 之后才会调用所有成员的析构函数
constexpr int func(int n)
{ int *p=new int[n]{};struct guard{int* p;constexpr ~guard() noexcept{delete[] p;}}_v(p);return p[0];
}int main()
{// constexpr int _1 = func(0);constexpr int _2 = func(1);printf("%d\n",_2);return 0;
}

使用constexpr检测UB：

#include <cstdio>
#include <cmath>
#include <array>
#include <algorithm>// #define constexprconstexpr int func(int n)
{ int *p=new int[n]{};delete[] p;delete[] p;return p[0];
}int main()
{// constexpr int _1 = func(0);constexpr int _2 = func(1);printf("%d\n",_2);return 0;
}

编译及运行：

<source>: In function 'int main()':
<source>:19:28:   in 'constexpr' expansion of 'func(1)'
<source>:12:14: error: deallocation of already deallocated storage12 |     delete[] p;|

delete 空指针不会造成UB

#include <cstdio>
#include <cmath>
#include <array>
#include <algorithm>// #define constexprconstexpr int func(int n)
{ int *p=nullptr;delete p;return 0;
}int main()
{// constexpr int _1 = func(0);constexpr int _2 = func(1);printf("%d\n",_2);return 0;
}

5.vector

#include <cstdio>
#include <cmath>
#include <array>
#include <algorithm>
#include <vector>// #define constexprconstexpr int func(int n)
{ std::vector<int> v(n);return v[0];
}int main()
{constexpr int _1 = func(0);constexpr int _2 = func(1);printf("%d\n",_2);return 0;
}

编译及运行：

In file included from /opt/compiler-explorer/gcc-13.2.0/include/c++/13.2.0/vector:66,from <source>:5:
/opt/compiler-explorer/gcc-13.2.0/include/c++/13.2.0/bits/stl_vector.h: In function 'int main()':
<source>:17:28:   in 'constexpr' expansion of 'func(0)'
<source>:12:15:   in 'constexpr' expansion of 'v.std::vector<int>::operator[](0)'
/opt/compiler-explorer/gcc-13.2.0/include/c++/13.2.0/bits/stl_vector.h:1126:41: error: dereferencing a null pointer1126 |         return *(this->_M_impl._M_start + __n);|                 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~^~~~~~

std::vector v(n);并不将所有成员都初始化为0，vector的resize()方法可以初始化vector内部的成员都初始化为0

#include <cstdio>
#include <cmath>
#include <array>
#include <algorithm>
#include <vector>// #define constexprconstexpr int func(int n)
{ std::vector<int> v(n);v.reserve(2);v.resize(20);return v[0];
}int main()
{constexpr int _1 = func(0);constexpr int _2 = func(1);// std::vector<int> v(0);// v.reserve(20);// v.resize(2);// printf("%u\n", v.size());// printf("%u\n", v.capacity());printf("%d\n",_2);return 0;
}

6.空指针解引用

#include <cstdio>
#include <cmath>
#include <array>
#include <algorithm>
#include <vector>// #define constexprconstexpr int func(int n)
{ int* p=nullptr;return *p;
}int main()
{constexpr int _1 = func(0);constexpr int _2 = func(1);printf("%d\n",_2);return 0;
}

编译及运行：

<source>: In function 'int main()':
<source>:17:28:   in 'constexpr' expansion of 'func(0)'
<source>:17:30: error: dereferencing a null pointer17 |     constexpr int _1 = func(0);|                              ^
<source>:18:28:   in 'constexpr' expansion of 'func(1)'
<source>:18:30: error: dereferencing a null pointer18 |     constexpr int _2 = func(1);|                              ^

参考

  • 【C++20】编译期检测所有未定义行为和内存泄漏，不借助任何外部工具

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