Tanımsız davranış - Undefined behavior

İçinde bilgisayar Programlama, tanımlanmamış davranış (UB) bir programın çalıştırılmasının sonucudur. davranış tahmin edilemez olması öngörülüyor, dil belirtimi hangisine bilgisayar kodu yapışır. Bu farklı belirtilmemiş davranış, dil spesifikasyonunun, başka bir bileşenin dokümantasyonunu erteleyen bir sonuç ve uygulama tanımlı davranış öngörmediği durumlarda platform (benzeri ABI ya da çevirmen belgeler).

İçinde C topluluğu, tanımlanmamış davranış şakayla ""burun iblisleri", sonra comp.std.c tanımlanmamış davranışı derleyicinin "iblisleri burnunuzdan uçurmak için" bile istediği her şeyi yapmasına izin vermek olarak açıklayan yazı.^[1]

Genel Bakış

Biraz Programlama dilleri bir programın farklı şekilde çalışmasına veya hatta farklı bir kontrol akışına sahip olmasına izin verin. kaynak kodu aynı kullanıcı tarafından görülebilir olduğu sürece yan etkiler, program yürütülürken tanımsız bir davranış asla gerçekleşmezse. Tanımlanmamış davranış, programın karşılamaması gereken bir koşul listesinin adıdır.

İlk versiyonlarında C, tanımlanmamış davranışın birincil avantajı, yüksek performanslı derleyiciler çok çeşitli makineler için: belirli bir yapı, makineye özgü bir özellikle eşleştirilebilir ve derleyicinin, yan etkileri dil tarafından empoze edilen anlambilimle eşleşecek şekilde uyarlamak için çalışma zamanı için ek kod üretmesi gerekmez. Program kaynak kodu, belirli bir derleyicinin ve platformlar destekleyeceğini.

Bununla birlikte, platformların aşamalı standardizasyonu, özellikle C'nin daha yeni sürümlerinde bunu daha az bir avantaj haline getirmiştir.Şimdi, tanımlanmamış davranış durumları tipik olarak belirsizliği temsil eder. böcekler kodda, örneğin sınırlarının dışındaki bir diziyi indeksleme. Tanım olarak, Çalışma süresi tanımsız davranışın asla gerçekleşmediğini varsayabilir; bu nedenle, bazı geçersiz koşulların kontrol edilmesine gerek yoktur. Bir derleyici bu aynı zamanda çeşitli program dönüşümleri geçerli hale gelir veya doğruluk kanıtları basitleştirilir; bu, çeşitli türlerde erken optimizasyon ve mikro optimizasyon, program durumu bu tür koşullardan herhangi birini karşıladığında hatalı davranışa yol açar. Derleyici, programcıya haber vermeden kaynak kodda bulunabilecek açık kontrolleri de kaldırabilir; örneğin, tanımsız davranışın olup olmadığını test ederek tespit etmek, tanımı gereği işe yaraması garanti edilmez. Bu, taşınabilir bir hata korumalı seçeneği programlamayı zor veya imkansız kılar (bazı yapılar için taşınabilir olmayan çözümler mümkündür).

Mevcut derleyici geliştirme, genellikle genel amaçlı masaüstü ve dizüstü bilgisayar pazarında (amd64 gibi) kullanılan platformlarda bile, derleyici performansını mikro optimizasyonlara göre tasarlanmış karşılaştırmalarla değerlendirir ve karşılaştırır. Bu nedenle, belirli bir kaynak kodu ifadesinin kaynak kodunun çalışma zamanında herhangi bir şeye eşlenmesine izin verildiğinden tanımsız davranış, derleyici performansının iyileştirilmesi için geniş bir alan sağlar.

C ve C ++ için, derleyicinin bu durumlarda bir derleme zamanı teşhisi vermesine izin verilir, ancak şunlara gerek yoktur: uygulama, bu gibi durumlarda ne yaparsa yapsın doğru kabul edilecektir. umursamayan terimler dijital mantıkta. Tanımlanmamış davranışları asla çağırmayan kod yazmak programcının sorumluluğundadır, ancak bu olduğunda derleyici uygulamalarının tanılama vermesine izin verilir. Derleyicilerin günümüzde bu tür tanılamayı etkinleştiren bayrakları vardır, örneğin, -fsanite "tanımlanmamış davranış temizleyicisini" etkinleştirir (UBSan ) içinde gcc 4.9^[2] ve clang. Ancak, bu bayrak varsayılan değildir ve etkinleştirilmesi, kodu kimin oluşturacağının bir seçimidir.

Bazı durumlarda, tanımlanmamış davranışta belirli kısıtlamalar olabilir. Örneğin, komut seti bir İşlemci bir komutun bazı biçimlerinin davranışını tanımsız bırakabilir, ancak CPU destekliyorsa hafıza koruması bu durumda belirtim muhtemelen kullanıcı tarafından erişilebilen hiçbir talimatın bir delik açmayacağını belirten bir genel kural içerecektir. işletim sistemi güvenliği; bu nedenle, gerçek bir CPU'nun, böyle bir talimata yanıt olarak kullanıcı kayıtlarını bozmasına izin verilecek, ancak örneğin, gözetmen modu.

Çalışma zamanı platform ayrıca tanımlanmamış davranışlar için bazı kısıtlamalar veya garantiler sağlayabilir. alet zinciri ya da Çalışma süresi içinde bulunan belirli yapıların açıkça belgelendirilmesi kaynak kodu çalışma zamanında kullanılabilen, iyi tanımlanmış belirli mekanizmalarla eşlenir. Örneğin, bir çevirmen dil belirtiminde tanımlanmayan bazı işlemler için belirli bir davranışı belgeleyebilirken, aynı dil için diğer yorumlayıcılar veya derleyiciler olmayabilir. Bir derleyici üretir çalıştırılabilir kod belirli bir ABI, doldurmak anlamsal boşluk Derleyici sürümüne bağlı olan şekillerde: bu derleyici sürümünün belgeleri ve ABI belirtimi tanımlanmamış davranışlar üzerinde kısıtlamalar sağlayabilir. Bu uygulama ayrıntılarına güvenmek, yazılımıtaşınabilir ancak yazılımın belirli bir çalışma süresinin dışında kullanılması bekleniyorsa taşınabilirlik bir sorun oluşturmayabilir.

Tanımlanmamış davranış, bir programın çökmesine veya hatta sessiz veri kaybı ve yanlış sonuçların üretilmesi gibi algılanması ve programın normal çalışıyormuş gibi görünmesine neden olan hatalarla sonuçlanabilir.

Faydaları

Bir işlemi tanımlanmamış davranış olarak belgelemek, derleyicilerin bu işlemin uygun bir programda asla gerçekleşmeyeceğini varsaymasına olanak tanır. Bu, derleyiciye kod hakkında daha fazla bilgi verir ve bu bilgi daha fazla optimizasyon fırsatı sağlayabilir.

C dili için bir örnek:

int foo(imzasız kömür x){     int değer = 2147483600; / * 32 bit int ve 8 bit karakter varsayılarak * /     değer += x;     Eğer (değer < 2147483600)        bar();     dönüş değer;}

Değeri x olumsuz olamaz ve imzalı olduğu sürece tamsayı taşması C'de tanımsız bir davranıştır, derleyici şunu varsayabilir: değer <2147483600 her zaman yanlış olacaktır. Böylece Eğer işlev çağrısı dahil ifade bar, derleyici tarafından göz ardı edilebilir çünkü içindeki test ifadesi Eğer yok yan etkiler ve durumu asla tatmin olmayacak. Bu nedenle kod, anlamsal olarak şuna eşdeğerdir:

int foo(imzasız kömür x){     int değer = 2147483600;     değer += x;     dönüş değer;}

Derleyici, imzalı tamsayı taşmasının etrafına sarmak davranış, o zaman yukarıdaki dönüşüm yasal olmazdı.

Kod daha karmaşık olduğunda ve diğer optimizasyonlar gibi optimizasyonların insanlar tarafından fark edilmesi zorlaşır. satır içi, yer almak. Örneğin, başka bir işlev yukarıdaki işlevi çağırabilir:

geçersiz run_tasks(imzasız kömür *ptrx) {    int z;    z = foo(*ptrx);    süre (*ptrx > 60) {        run_one_task(ptrx, z);    }}

Derleyici, süre-uygulayarak buraya döngü yapın değer aralığı analizi: inceleyerek foo ()ile gösterilen başlangıç ​​değerinin ptrx muhtemelen 47'yi geçemez (çünkü daha fazlası, foo ()), bu nedenle ilk kontrol * ptrx> 60 uygun bir programda her zaman yanlış olacaktır. Sonuçtan beri daha ileri gidiyoruz z artık hiç kullanılmıyor ve foo () hiçbir yan etkisi yoktur, derleyici optimize edebilir run_tasks () hemen dönen boş bir işlev olmak. Kaybolması süre-döngü özellikle şaşırtıcı olabilir foo () bir ayrı olarak derlenmiş nesne dosyası.

İşaretli tamsayı taşmasının tanımsız olmasına izin vermenin bir başka yararı da, bir değişkenin değerini bir değişken içinde depolamayı ve değiştirmeyi mümkün kılmasıdır. işlemci kaydı kaynak koddaki değişkenin boyutundan daha büyüktür. Örneğin, kaynak kodda belirtildiği gibi bir değişkenin türü yerel kayıt genişliğinden daha darsa ("int "bir 64 bit makine, ortak bir senaryo), ardından derleyici, değişken için imzalı 64 bitlik bir tamsayıyı güvenli bir şekilde kullanabilir. makine kodu kodun tanımlı davranışını değiştirmeden üretir. Bir program 32 bitlik tamsayı taşma davranışına bağlıysa, bir derleyicinin 64 bitlik bir makine için derleme yaparken ek mantık eklemesi gerekir, çünkü çoğu makine talimatının taşma davranışı kayıt genişliğine bağlıdır.^[3]

Tanımlanmamış davranış ayrıca hem derleyiciler hem de derleyiciler tarafından daha fazla derleme zamanı denetimine izin verir. statik program analizi.^{[kaynak belirtilmeli ]}

Riskler

C ve C ++ standartları, derleyici uygulamalarında daha fazla özgürlük ve varsa tanımsız çalışma zamanı davranışı pahasına derleme zamanı denetimleri sunan çeşitli tanımlanmamış davranış biçimlerine sahiptir. Özellikle, ISO C standardı, tanımlanmamış davranışların ortak kaynaklarını listeleyen bir eke sahiptir.^[4] Dahası, derleyicilerin tanımlanmamış davranışa dayanan kodu teşhis etmesi gerekmez. Bu nedenle, programcıların, hatta deneyimli olanların bile, yanlışlıkla ya da sadece yüzlerce sayfaya yayılabilen dilin kurallarını iyi bilmedikleri için tanımlanmamış davranışlara güvenmeleri yaygındır. Bu, farklı bir derleyici veya farklı ayarlar kullanıldığında ortaya çıkan hatalara neden olabilir. Test veya tüylü dinamik tanımsız davranış kontrolleri etkinken, ör. Clang dezenfektanlar, derleyici veya statik çözümleyiciler tarafından teşhis edilmeyen tanımlanmamış davranışların yakalanmasına yardımcı olabilir.^[5]

Tanımlanmamış davranışlar yol açabilir güvenlik yazılımdaki güvenlik açıkları. Örneğin, büyük çapta arabellek taşmaları ve diğer güvenlik açıkları internet tarayıcıları tanımlanmamış davranıştan kaynaklanmaktadır. 2038 yılı sorunu nedeniyle başka bir örnek imzalı tamsayı taşması. Ne zaman GCC geliştiricileri, 2008'de derleyicilerini, tanımsız davranışa dayanan belirli taşma kontrollerini atlayacak şekilde değiştirdiler. CERT derleyicinin yeni sürümlerine karşı bir uyarı yayınladı.^[6] Haftalık Linux Haberleri aynı davranışın, PathScale C, Microsoft Visual C ++ 2005 ve diğer birkaç derleyici;^[7] uyarı daha sonra çeşitli derleyiciler hakkında uyarmak için değiştirildi.^[8]

C ve C ++ örnekleri

C'de tanımlanmamış davranışların başlıca biçimleri genel olarak şu şekilde sınıflandırılabilir:^[9] uzamsal bellek güvenlik ihlalleri, geçici bellek güvenlik ihlalleri, tamsayı taşması, katı örtüşme ihlalleri, hizalama ihlalleri, sırasız değişiklikler, veri yarışları ve ne G / Ç gerçekleştiren ne de sonlandıran döngüler.

C'de herhangi bir otomatik değişken tamsayı gibi, başlatılmadan önce tanımlanmamış davranış verir sıfıra bölüm, işaretli tamsayı taşması, bir diziyi tanımlanmış sınırlarının dışında indeksleme (bkz. arabellek taşması ) veya boş işaretçisi başvuruyu kaldırma. Genel olarak, tanımlanmamış herhangi bir davranış örneği, soyut yürütme makinesini bilinmeyen bir durumda bırakır ve tüm programın davranışının tanımsız kalmasına neden olur.

Bir değiştirmeye çalışılıyor dize değişmezi tanımlanmamış davranışa neden olur:^[10]

kömür *p = "wikipedia"; // geçerli C, C ++ 98 / C ++ 03'te kullanımdan kaldırıldı, C ++ 11'den itibaren kötü biçimlendirildip[0] = 'W'; // tanımsız davranış

Tamsayı sıfıra bölüm tanımlanmamış davranışla sonuçlanır:^[11]

int x = 1;dönüş x / 0; // tanımsız davranış

Belirli işaretçi işlemleri tanımsız davranışa neden olabilir:^[12]

int arr[4] = {0, 1, 2, 3};int *p = arr + 5;  // sınırların dışında indeksleme için tanımsız davranışp = 0;int a = *p;        // bir boş göstericiye başvuruda bulunmak için tanımsız davranış

C ve C ++ 'da, ilişkisel karşılaştırması işaretçiler nesnelere (karşılaştırmadan küçük veya büyüktür) yalnızca işaretçiler aynı nesnenin üyelerini veya aynı nesnenin öğelerini işaret ederse kesin olarak tanımlanır. dizi.^[13] Misal:

int ana(geçersiz){  int a = 0;  int b = 0;  dönüş &a < &b; / * tanımsız davranış * /}

Değer döndüren bir işlevin sonuna ulaşmak ( ana()) işlev çağrısının değeri arayan tarafından kullanılıyorsa, return ifadesi olmadan tanımlanmamış davranışla sonuçlanır:^[14]

int f(){}  / * işlev çağrısının değeri kullanılıyorsa tanımsız davranış * /

Bir nesneyi ikisi arasında değiştirme sıra noktaları birden fazla kez tanımlanmamış davranış üretir.^[15] C ++ 11'den itibaren sıra noktalarına göre tanımlanmamış davranışa neyin neden olduğu konusunda önemli değişiklikler var.^[16] Ancak aşağıdaki örnek, hem C ++ hem de C'de tanımsız davranışa neden olacaktır.

ben = ben++ + 1; // tanımsız davranış

İki sıra noktası arasında bir nesneyi değiştirirken, saklanacak değeri belirlemekten başka herhangi bir amaçla nesnenin değerini okumak da tanımsız bir davranıştır.^[17]

a[ben] = ben++; // tanımsız davranışprintf("% d% d n", ++n, güç(2, n)); // ayrıca tanımlanmamış davranış

C / C ++ dilinde bitsel kaydırma ya negatif bir sayı olan ya da bu değerdeki toplam bit sayısından daha büyük ya da ona eşit olan bir bit sayısı ile bir değer, tanımlanmamış davranışla sonuçlanır. En güvenli yol (derleyici satıcısından bağımsız olarak), her zaman kaydırılacak bit sayısını tutmaktır ( << ve >> bitsel operatörler ) aralık dahilinde: <0, boyutu (değer) * CHAR_BIT - 1> (nerede değer sol operanddır).

int num = -1;imzasız int val = 1 << num; // negatif bir sayıya göre kaydırma - tanımsız davranışnum = 32; // veya 31'den büyük olan sayıval = 1 << num; // '1' değişmez değeri 32 bitlik bir tamsayı olarak yazılır - bu durumda 31 bitten fazla kaydırma tanımsız bir davranıştırnum = 64; // veya 63'ten büyük olan sayıimzasız uzun uzun val2 = 1ULL << num; // '1ULL' değişmezi 64 bitlik bir tamsayı olarak yazılır - bu durumda 63 bitten fazla kaydırma tanımsız bir davranıştır

Ayrıca bakınız

• Derleyici
• Durdur ve Ateşi Yakala
• Belirtilmemiş davranış

Referanslar

daha fazla okuma

• Peter van der Linden, Uzman C Programlama. ISBN  0-13-177429-8
• UB Kanaryaları (Nisan 2015), John Regehr (Utah Üniversitesi, ABD)
• 2017'de Tanımsız Davranış (Temmuz 2017) Pascal Cuoq (TrustInSoft, Fransa) ve John Regehr (Utah Üniversitesi, ABD)

Dış bağlantılar

• C99 standardının düzeltilmiş versiyonu. #Pragma için 6.10.6 bölümüne bakın