(WWDC) 理解 Undefined Behavior

内容概览

• 什么是 undefined behavior?
• 编译器 和 undefined behavior
• 安全性问题
• 使用工具进行问题检测
• Swift 更安全

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什么是 undefined behavior?

本国际标准中未作任何规定的行为 —— ISO C++14 Standard

当你的代码语法正确，但是执行的行为不在语言准许的范围内，这种行为就是Undefined behavior。
比如：除数为0、数组越界、数值类型溢出、更改字符串字面量

编译器如何处理Undefined Behavior？

• 诊断并给出 warning 或 error
• 按照文档中的规则执行
• 产生不可预料的结果

为什么会有Undefined Behavior?

这其实是一个权衡的结果，C、C++、Objective-C这些语言更看重性能而不是安全。
也正因如此，我们的操作系统才能这么高效地运行。
不过，开发者需要为此付出代价。
所以，开发者需要知道这些行为并且知道如何解决他们。

Undefined Behavior 示例

使用未初始化的变量

int uninitialized_variable(int arg) {
    int value;
    if (arg <= 0)
        value = 42;
    return arg + value;
}

如果为该函数传入正数，就会导致 Undefined Behavior，因为value未初始化就被使用。
这时候编译器会捕获问题并发出warning。静态分析器(static analyzer) 可以针对更复杂的情况给出详细的信息。

编译器会捕获问题并发出warning

未对齐的指针

char *serialize_misaligned(char *buffer, int a, int b) {
    *(int *)buffer = a;
    buffer += sizeof(a);
    *(int *)buffer = b;
    buffer += sizeof(b);
    return buffer;
} 

该函数传入的是char类型的指针，但是使用时却变成了int类型。
问题在于，不是所有的char类型的指针都可以变成int类型的指针。
int类型需要对齐，也就是，在内存中的地址偏移量是4。

int类型需要对齐

在不同的硬件架构下迁移代码时，这个问题会更容易发生。因为不同的硬件有不同的对齐约束。
不过，从Xcode 9开始，你可以使用 Undefined Behavior Sanitizer 来捕获这些问题。

Undefined Behavior Sanitizer

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编译器 和 Undefined Behavior

Undefined Behavior 可以提供信息

在第一行中，因为Undefined Behavior指出Signed int不能溢出，所以编译器就可以假设 x 一定小于 x + 1。
所以编译器可以直接按照整数偏移量去内存寻址，这可以使代码运行更高效。

在最后一行中，因为Undefined Behavior指出空指针不能取值，所以编译器断定被取值的指针一定不为NULL，然后就可以对代码进行优化。

编译器如何优化代码

编译器读入你的源代码，然后生成中间代码并进行分析和优化，最后输出二进制。

优化无用代码

无用代码：不执行或者不对执行结果造成影响的代码。
移除无用代码可以缩减应用的体积。

示例代码：

int foo(int *P) {
    int var = *P;
    return 42;
} 

消除无用代码后：

int foo(int *P) {
   return 42;
} 

所以，即使对该函数传入NULL，也不会发生错误。
因为该段代码无用，编译器已经将其消除。

优化顺序

void contains_null_check(int *P) {
    int unused = *P;
    ...
    if (P == NULL)
        return;
    *P = 4;
} 

对上面的代码进行优化时，可能有不同的优化方案。

方案一

1.消除多余的NULL检查：

void contains_null_check(int *P) {
    int unused = *P;
    ...
    *P = 4;
}

2.消除无用代码：

void contains_null_check(int *P) {
    ...
    *P = 4;
} 

方案二

1.消除无用代码：

void contains_null_check(int *P) {
    ...
    if (P == NULL)
        return;
    *P = 4;
}

2.消除多余的NULL检查：

void contains_null_check(int *P) {
    ...
    if (P == NULL)
        return;
    *P = 4;
}

可以看出，不同的优化方案可以有差别极大的优化结果！

不同的编译器版本，可能有不同的优化方案。

在这些情况下，优化方案会发生变化：

• 切换debug和release模式

• 切换优化选项

  
  
  
• 切换不同的编译器

• 切换模拟器和真机

  
  
  
• 切换Xcode的主要版本

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安全性问题

• 缓冲区溢出
• 使用未初始化的变量
• 使用释放后的变量
• 重复释放
• 多线程数据竞争

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使用工具进行问题检测

Static Analyzer：

使用建议：

• 在每次build的时候运行
• 在CI平台中运行

Runtime Sanitizers：

• Address Sanitizer (缓冲区溢出、使用释放后的变量、重复释放)
• Thread Sanitizer (数据竞争)
• Undefined Behavior Sanitizer (未对齐的指针、对NULL指针取值、整数溢出、类型不匹配等)

在Scheme - diagnostics中开启：

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Swift 更安全

使用Swift也会遭遇Undefined Behavior：

• 需要和C语言家族的API交互
• 使用UnsafePointer<T>, UnsafeMutableRawBufferPointer类型

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参考内容：
Understanding Undefined Behavior

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