Modern C++ - UB

什麼是未定義行為？

本文將講述未定義行為（Undefined Behavior, UB）與相關概念，包括：實現定義行為（Implementation-Defined Behavior）、非良構行為（Ill-Formed Behavior）。

未定義行為是指運行C++ 標準規定爲未定義的代碼時，結果可能無法預測，也沒有保證。這意味著程序可能：

• 正常執行，但結果不正確；
• 崩潰；
• 表現出看似隨機的行為；
• 引發任何其他不可預知的結果。

通俗來說，未定義行爲是一種不受限制的⌈實現定義⌋。

不少初學者遇到的難以理解的問題都是因爲使用到了未定義行爲，

未定義行為的存在是因為 C++ 的設計選擇：

1. 性能優化：允許編譯器假設程序不會觸發未定義行為，可以進行更激進的優化，而不必為處理無效代碼負責。
2. 支援不同的硬體架構：未定義行為允許語言適應不同硬件特性，避免標準對行為進行不必要的限制。

實現定義與未定義行為的區別

實現定義行為（Implementation-Defined Behavior）是指行為的具體結果由編譯器或運行環境決定，但必須在文檔中明確說明。如：

• 整數類型的大小（如 int 是否為 32 位或 64 位）。
• 移位操作對負數的行為。

簡而言之，實現定義者需要爲行爲的效果提供文檔說明，且保證按預期執行。

非良構行為的概念

除了未定義行為與實現定義行為，C++ 還有一個相關概念：非良構行為（Ill-formed Behavior）。這通常是指程序的代碼不符合語法或語義規則，無法通過編譯。

範例：

int x = "hello"; // 非良構，類型不匹配

與非良構行為不同，未定義行為在語法上可能是合法的，但其執行結果未被標準規定。

常見的未定義行為

以下是一些典型的未定義行為例子：

1. 訪問已被釋放的內存

   int* ptr = new int(42);
   delete ptr;
   int value = *ptr; // 未定義行為

2. 沒有順序保證的變數修改

    int i = 0;
    int x = i++ + i++; // 未定義行為，無保證先執行哪個操作

3. 數組越界訪問

   int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
   int value = arr[10]; // 未定義行為

未定義行爲具有以下問題：

• 難以調試：UB 的後果不可預測，可能僅在特定條件下表現為錯誤。
• 安全漏洞：UB 是許多安全漏洞的根源，如越界訪問可能導致緩衝區溢出。
• 移植性問題：不同平台的行為可能不同，不同編譯器，乃至同一編譯器的不同版本都可能不同。

總結

• 非良構行爲：通常代表代碼不符合語法或語義規則，無法通過編譯。
• 實現定義行爲： 行為的結果由編譯器或環境決定，但受到控制與保障。
• 未定義行爲： 無保證且不受任何限制的⌈實現定義⌋。

參閱：

• https://en.cppreference.com/w/cpp/language/ub