C按位计算，并给出与-O0和-O2不同的结果

我正在使用Bochs和DOSBox作为参考的PC仿真器上工作

当模拟“NEG-Ed”指令（双字的两个补码否定）时，如果使用

-O0

而不是

-O2

编译，我会得到不同的结果

这是一个仅包含相关位的测试程序：

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>

int main(int argc, const char **argv)
{
    uint32_t value = strtol(argv[1], NULL, 16);
    uint32_t negation = -(int32_t)(value);
    bool sign = negation & 0x80000000;

    printf("value=%X, negation=%X, sign=%X\n", value, negation, sign);
    
    return 0;
}

#包括
#包括
#包括
#包括
int main（int argc，常量字符**argv）
{
uint32_t value=strtol（argv[1]，NULL，16）；
uint32_t否定=-（int32_t）（值）；
布尔符号=否定&0x8000000；
printf（“值=%X，否定=%X，符号=%X\n”，值，否定，符号）；
返回0；
}

-（int32_t）（值）零件取自Bochs的
NEG_EdM（）
函数；对于等效操作，DOSBox不强制转换为带符号的int

如果您使用GCC 10使用
-O2
选项编译此程序，并使用十六进制值
0x8000000
作为输入，您将得到错误的
符号结果：

值=80000000，否定=80000000，符号=0

使用
-O0
编译时，结果是正确的：

值=80000000，否定=80000000，符号=1

这是未定义的行为吗

据我所知，向有符号整数和无符号整数转换/从有符号整数和无符号整数转换的定义很好，按位&对无符号值转换也是如此。
您的代码中存在一些问题：


strtol（“0x8000000”，NULL，16）
返回的值取决于类型
long
的范围：如果类型
long
有32位，则返回值应为
long\u MAX
，即
2147483647
，而如果
long
更大，则返回
2147483648
。将这些值转换为
uint32\u t
不会更改值，因为两者都在
uint32\u t
范围内。在系统上键入
long
似乎有64位。您可以使用
strtoul（）
而不是
strtol（）
来避免这种实现定义的行为


无需将中介强制转换为
（int32\u t）
：对无符号值求反定义良好，并且
-0x8000000
具有类型
uint32\u t
的值
0x8000000


此外，这种转换会适得其反，并且可能导致观察到的行为，如否定值
INT32_MIN
由于有符号算术溢出而具有未定义的行为。启用优化后，编译器确定您正在提取符号，就像通过
bool sign=-（int32_t）value<0
提取符号一样，并将此表达式简化为
bool sign=（int32_t）value>0
，这对于编译器认为任何行为正常的
int32_MIN
之外的所有值都是正确的，因为行为是未定义的。您可以在上查看代码


使用type
bool
时不包括
：程序不应编译。这是复制/粘贴错误，还是编译为C++？C99
\u Bool
语义在initialization语句中添加了隐式测试，但最好将其显式化并编写：

bool sign = (negation & 0x80000000) != 0;


最后，将
uint32\u t
值传递给
%X
转换说明符的
printf
。如果类型
int
在您的平台上少于32位，则这是不正确的。使用
中的宏



请尝试此修改版本：

#include <stdbool.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>
#include <inttypes.h>

int main(int argc, const char **argv)
{
    uint32_t value = strtoul(argv[1], NULL, 16);
    uint32_t negation = -value;
    bool sign = (negation & 0x80000000) != 0;

    printf("value=%"PRIX32", negation=%"PRIX32", sign=%d\n", value, negation, sign);
    
    return 0;
}

#包括
#包括
#包括
#包括
#包括
int main（int argc，常量字符**argv）
{
uint32_t value=strtoul（argv[1]，NULL，16）；
uint32_t否定=-值；
布尔符号=（否定&0x8000000）！=0；
printf（“值=%“PRIX32”，否定=%“PRIX32”，符号=%d\n”，值，否定，符号）；
返回0；
}

您的不幸经历源于有符号算术溢出的未定义行为。编译器可以利用未定义的行为来实现高级优化，例如在（int i=0；i>0；i++）
中删除
for（int i=0；i>0；i++）中的结束测试，以及转换
void f（int i）等更明显但非琐碎的优化{int j=i*2/2；..
到
int j=i；
对于超过
0x3fffff
的值，可能表现出不同的行为

其他语言（例如：java）尝试删除未定义的行为，并完全指定两种语言的补充实现和行为，因此不会执行这些优化

标准C语言委员会似乎倾向于进行更多的优化，但在边境案件中可能会出现一些意外情况，这可能很难发现和解决。您的示例完美地说明了这个问题。
未定义行为的来源
问题的关键部分在于对
-（int32_t）值的否定

此时，
值
为80000016（231）。由于该值在
int32_t
中不可表示，因此转换受C 2018 6.3.1.3 3的控制，表示行为由实现定义。将80000016包装到
int32_t
模232产生−80000016

然后应用否定运算符
-
−80000016当然是80000016，但这在
int32\t
中不可表示。2该行为受C 2018 6.5的约束：

如果在表达式求值期间出现异常情况（即，如果结果未在数学上定义或不在其类型的可表示值范围内），则行为未定义

因此，求反具有未定义的行为。当使用
-O0
时，编译器生成简单的直接代码。这将进行包装，为输入位80000016（表示−80000016作为有符号32位整数）。使用
-O2
时，编译器将对
bool sign = - (uint32_t) x & 0x80000000u;
bool sign = - (uint32_t) x >> 31;