GCC的BUG讨论(Rev.3)

发于CSDN《GCC的BUG研究(Rev.3)》(CSDN BLOG今天多次崩溃)。

====在CSDN BLOG未完全修复崩溃问题之前,这里备份一下====

Solidot报道GCC在Linux平台下有一个BUG。但是原文中说只有Linux平台有这个问题是不正确的,经过令狐的实际测试,在HP-UX(GCC 4.0.2),LINUX(UBUNTU,GCC 4.1.2),WINDOWS(GCC 3.4.5)下都存在在这个问题。

为了调查研究一下这个问题究竟是如何造成的,我们一帮人展开了一番讨论,经过对汇编代码的分析,结果看来是GCC的代码优化实现有问题。

测试的C源程序如下:

int main () {
int i=2;
if( -10*abs (i-1) == 10*abs(i-1) )
printf ("OMG,-10==10 in linux!\n");
else
printf ("nothing special here\n");
}

在X86 Linux平台下的汇编代码片段如下:

19     mov    DWORD PTR [%ebp-8], 2
20 mov %edx, DWORD PTR [%ebp-8]
21 mov %eax, %edx
22 sal %eax, 2
23 add %eax, %edx
24 add %eax, %eax
25 sub %eax, 10
26 mov %edx, %eax
27 sar %edx, 31
28 mov %ecx, %edx
29 xor %ecx, %eax
30 sub %ecx, %edx
31 mov %eax, DWORD PTR [%ebp-8]
32 imul %eax, %eax, -10
33 add %eax, 10
34 mov %edx, %eax
35 sar %edx, 31
36 xor %eax, %edx
37 sub %eax, %edx
38 cmp %ecx, %eax
39 jne .L2

(完整的代码在这里:X86 LinuxHP-UX——由令狐虫友情提供)

代码并不难理解:

其中 DWORD PTR [%ebp-8] 就是变量 i 。21行到25行之间是计算 i * 10 – 10 ,结果保存在 eax 中。26行到30行是 abs() 函数的实现,我以前对这个倒还真没研究过,现在一看之下发现这个实现还真是有创意啊(回头细说)。31行到33行是计算 i * -10 + 10 ,结果保存在 eax 中。34行到37行同样是 abs() 函数的实现。38行到39行是比较跳转。

所以结果已经很清楚了,GCC把:

-10 * abs( i - 1 ) 和 10 * abs( i - 1 )

优化成了:

abs( -10 * i + 10 ) 和 abs( 10 * i - 10 )

结果当然就不正确了。

结论就是:不是 abs() 函数实现的问题,也不是代码解析的问题,是优化的问题——编译器最容易出问题的地方就是优化。

现在最不能理解的就是:这样做并不见得更“优”,何必要这样“优化”呢?

补充(Rev.2):

后来经三火指点,这种优化被称为Const Foldering,也就是说把常量提取出来在编译时计算,以优化运行时的性能。本来对于取绝对值这种情况是不应该这么做的,因为 abs() 本身是一个函数,但是与令狐讨论后,他认为GCC在这里实际上是把它优化为一个操作,所以同时对它进行了Const Foldering。

关于在这个Const Foldering的BUG,有人提供了一个补丁:《[PATCH] Fix PR34130, extract_muldiv broken》,其中的修正代码是这一段:

*** fold-const.c (revision 130238)
--- fold-const.c (working copy)
*************** extract_muldiv_1 (tree t, tree c, enum t
*** 6095,6100 ****
--- 6095,6103 ----
}
break;
}
+ /* If the constant is negative, we cannot simplify this. */
+ if (tree_int_cst_sgn (c) == -1)
+ break;
/* FALLTHROUGH */
case NEGATE_EXPR:
if ((t1 = extract_muldiv (op0, c, code, wide_type, strict_overflow_p))

在这个补丁代码里,是简单地对要处理的常量进行判断,如果是负数就跳过Const Foldering优化部分。但我和令狐都认为,这种解决方案只是一种权宜之计,是一种明显的坏味道。

我觉得根本的解决方案是将 abs() 从Const Foldering优化的操作列表中去除——但是将 abs()
优化为一个操作的确是很有用的,如果Const
Foldering是对所有操作都进行优化的话,这种修改也可能会带来别的坏味道。我不知道GCC中还把什么函数优化为操作,但是如果是对所有操作进行
Const Foldering的话,潜在风险还会有的,因为Const Foldering只对线性函数正确,而 abs() 出问题正是因为它是一个非线性函数。

补充(Rev.3):

关于优化选项的问题,我们刚才又做了一下研究。使用 -O0 选项关闭优化,仍然生成与无优化选项类似的代码,看来这种是属于默认优化的部分。使用 -O1-O2 选项生成的目标代码很相似,都是高度优化的(但结果仍然是错误的):

        mov    DWORD PTR [esp], OFFSET FLAT:LC0
call _puts

(完整的代码在这里:X86 Linux——由Mike友情提供)

可见只剩下一句 printf("OMG…"); 。这也就意味着这个最优化代码是在Const Foldering 之后,编译器又发现了 i 本质上也是一个常量,所以优化成了现在这个样子。如果编译器是先发现 i 是常量,再作Const Foldering 的话,结果就会是正确的了——令狐昨天已经试过,把 i – 1 换成 1 以后,默认优化生成的代码与现在最优化生成的代码差不多,只不过输出结果是正确的 printf("nothing…");

====附录的分割线====

附一段关于这个 abs() 函数实现的说明:

整数取绝对值的方法基本上就是判断是否小于0,如果是则取负,否则直接返回。GCC里的实现则比较巧妙,没有判断跳转的过程(我猜测是基于CPU运行优化考虑)。它的做法是用 sar
指令填充符号位得到一个数,对于正数,这个符号数为0,对于负数,这个符号数为全1(即-1)。然后用这个符号数与原数异或,如果是正数将不变(与0异或
不变),如果是负数将取反(与1异或取反)。最后将异或结果减符号数,对于正数来说,减0原值仍然不变,对于负数来说,减-1相当于+1——在补码中,一
个整数取反加1的结果正是等于对其取负。于是实现了绝对值的计算。

要汗一下的是,我今天刚在豆瓣上跟人说:不做底层工作不需要了解汇编。结果这就碰到一个反例。

《GCC的BUG讨论(Rev.3)》有2个想法

  1. For Why asb() there.
    gnu/gcc/gcc/fold-const.c
    6076 case ABS_EXPR:
    6077 /* If widening the type changes it from signed to unsigned, then we
    6078 must avoid building ABS_EXPR itself as unsigned. */
    6079 if (TYPE_UNSIGNED (ctype) && !TYPE_UNSIGNED (type))
    6080 {
    6081 tree cstype = (*signed_type_for) (ctype);
    6082 if ((t1 = extract_muldiv (op0, c, code, cstype, strict_overflow_p))
    6083 != 0)
    6084 {
    6085 t1 = fold_build1 (tcode, cstype, fold_convert (cstype, t1));
    6086 return fold_convert (ctype, t1);
    6087 }
    6088 break;
    6089 }

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