C/C++ 中的未定义行为（Undefined Behavior, UB）
0. 简介
在 C/C++ 编程中，理解未定义行为（UB）及其相关概念至关重要。本文将对未定义行为进行详细解析，并通过实例展示其影响与处理方法。
1. 概念辨析
在 C/C++ 中，未定义行为容易与以下两个概念混淆：
1.1 实现定义行为
实现定义行为是指程序的行为依赖于具体的实现，而标准要求实现必须为每种行为提供文档说明。例如，int 类型在不同环境下的大小可能不同，标准要求至少为 16 位，而大多数环境下为 32 位。
1.2 未指明行为
未指明行为也是依赖于具体实现，但标准并不要求提供文档说明。虽然行为可能变化，但其结果应是合法的。比如，变量的分配方式和位置可以是连续的，也可以是分开的。
1.3 未定义行为
未定义行为则是对程序行为没有任何限制，标准不要求程序产生任何合法或有意义的结果。例如，访问非法内存就是未定义行为。
当然可以，下面是对之前代码的修改和未定义行为检测方法的详细说明。
2. 为什么会有未定义行为？
C/C++ 的设计目标之一是高效，因此未定义行为的存在使得编译器能够优化程序。检测未定义行为的难度较大，例如，带符号整数溢出并不总是会在编译阶段显现出来。若编译器必须处理这些未定义行为，可能会影响程序的优化能力。
因此，将某些操作定义为未定义行为，编译器可以在优化时忽略这些情况，从而生成更高效的代码。这也是为何在开启优化选项后，程序可能会表现出意料之外的行为。
3. 未定义行为的例子
3.1 带符号整数算术溢出
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
int x;
cout << "请输入一个整数: ";
cin >> x;
// 检查溢出
if (x > 0 && x + 1 < x) {
cout << "Overflow!" << endl;
} else {
cout << "Not overflow!" << endl;
}
return 0;
}
在开启优化选项时，可能会发现预期的 “Overflow!” 并未出现。原因在于带符号整数溢出被视为未定义行为，编译器因此可能忽略了该情况。
3.2 越界访问
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
int arr[5] = {0, 1, 2, 3, 4};
int index;
cout << "请输入数组索引（0-4之间的数字）: ";
cin >> index;
// 检查越界
if (index >= 0 && index < 5) {
cout << "数组中的值: " << arr[index] << endl;
} else {
cout << "索引越界!" << endl;
}
return 0;
}
C/C++ 并不自动进行数组越界检查，导致可能出现以下后果：
- 访问非法内存引发运行时错误（RE）
- 意外修改其他变量的值
不进行越界检查的原因在于其成本较高，并可能影响程序的优化机会。
3.3 无可视副作用的无限循环
#include <iostream>
using namespace std;
bool checkCondition() {
unsigned cnt = 0;
while (true) {
if (cnt < 0) return true; // 这个条件永远不会为真
}
return false;
}
int main() {
if (checkCondition()) {
cout << "This program has been terminated." << endl;
} else {
cout << "Some strange things happened!" << endl;
}
return 0;
}
由于 checkCondition() 函数中的无限循环为未定义行为，编译器可能会将其优化掉，从而导致不同的行为表现。
3.4 无法确定的运算顺序
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
int x = 1;
int result = (x++ + ++x); // 无法确定的运算顺序
cout << "结果: " << result << endl;
return 0;
}
在此例中，x++ 和 ++x 的副作用无顺序，因此结果是未定义的。
3.5 访问未初始化变量
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
int x; // 未初始化
cout << "未初始化变量的值: " << x << endl; // 结果未定义
return 0;
}
访问未初始化的变量同样是未定义行为，可能导致不确定的输出。
4. 如何检测未定义行为？
虽然编译期检测未定义行为较为困难，但运行时可以通过一些工具来捕捉。以下是一些常用的方法：
4.1 使用 -fsanitize=undefined
在使用 Clang 或 GCC 编译器时，可以添加 -fsanitize=undefined 选项来启用未定义行为检测。例如：
g++ -fsanitize=undefined -o my_program my_program.cpp
这将帮助你在运行时捕获未定义行为。如果想要将编译器切换成更严格的clang，则可以按照下面的操作：CLion设置Clang为默认编译器 (Ubuntu平台)
4.2 使用 Valgrind
Valgrind 是一个强大的内存调试工具，可以帮助检测内存错误，包括未定义行为。可以通过以下命令运行程序：
valgrind ./my_program
Valgrind 将报告内存访问错误、未初始化变量的使用等问题。
4.3 使用 AddressSanitizer
AddressSanitizer 也是一个运行时检测工具，专门用于检测内存错误和未定义行为。可以通过以下方式编译：
g++ -fsanitize=address -o my_program my_program.cpp
然后运行程序，AddressSanitizer 会报告内存错误。
4.3.1 在 CLion 下使用
在 CLion 中，集成了对 Google Sanitizers 的支持，使得开发人员能够有效地检测和调试代码中的内存问题。通过简单的配置，你可以在项目中启用 AddressSanitizer（ASan）等工具，以帮助识别内存泄漏和其他相关问题。要在 CLion 中使用 ASan，首先需要在 CMakeLists.txt 文件中添加一个开关。以下是一个示例配置：
cmake_minimum_required(VERSION 3.21)
project(mem_leak_test)
set(CMAKE_CXX_STANDARD 14)
if (ENABLE_ASAN)
message(STATUS "build with ASAN")
set(CMAKE_CXX_FLAGS "${CMAKE_CXX_FLAGS} -fsanitize=address")
endif ()
add_executable(mem_leak_test main.cpp)
在这段代码中，我们定义了一个名为 ENABLE_ASAN 的选项，若该选项被启用，编译器将会添加 -fsanitize=address 编译标志，这样就可以启用 AddressSanitizer。在 CLion 中配置 CMake 时，可以通过以下步骤传入 ENABLE_ASAN
同理，如果你在 macOS 上使用 llvm clang++，也可以在配置中指定 compiler 的路径：
设置完毕后，之间运行代码，如果出现内存问题，CLion 会在 Sanitizers 窗口中提示信息：
