为什么整数除以-1（负1）会产生FPE？

Question

我有一项任务，阐述C代码（在x86上运行）的一些看似奇怪的行为。我可以很容易地完成其他一切，但这件事真的让我困惑。

代码段1输出-2147483648

int a = 0x80000000;
int b = a / -1;
printf("%d\n", b);

int a = 0x80000000;
int b = -1;
int c = a / b;
printf("%d\n", c);

Answer 1

这里发生了四件事：

>

GCC-O0行为解释了您的两个版本之间的差异:IDIV和NEG。（而clang-o0恰好使用idiv编译它们）。以及为什么即使使用编译时常量操作数也能得到这个结果。

ARM上x86IDIV错误行为与除法指令行为的比较

-O0减少编译时间并使调试产生预期结果。这是默认值。

这解释了您的两个版本之间的差异：

gcc-o0不仅不尝试优化，而且主动地去优化，以生成在函数中独立实现每个C语句的asm。这允许gdb的jump命令安全地工作，使您可以跳转到函数中的另一行，并像在C源代码中跳转一样。为什么clang用-O0生成低效的asm（对于这个简单的浮点和）？详细说明-o0如何编译以及为什么编译。

int a = 0x80000000;
int b = -1;
  // debugger can stop here on a breakpoint and modify b.
int c = a / b;        // a and b have to be treated as runtime variables, not constants.
printf("%d\n", c);

但是，Clang5.0-O0不进行这种优化。它仍然使用idiv来表示a/-1，因此这两个版本在x86上都会出现clang错误。海合会为什么要“优化”？请参见禁用GCC中的所有优化选项。gcc总是通过内部表示进行转换，而-o0只是生成二进制文件所需的最小工作量。它没有试图使asm尽可能像源代码的“哑巴和文字”模式。

x86-64:

    # int c = a / b  from x86_fault()
    mov     eax, DWORD PTR [rbp-4]
    cdq                                 # dividend sign-extended into edx:eax
    idiv    DWORD PTR [rbp-8]           # divisor from memory
    mov     DWORD PTR [rbp-12], eax     # store quotient

与IMUL r32、r32不同，没有2个操作数IDIV没有红利的上半部分输入。不管怎样，这并不重要；gcc只在edx=eax中符号位的副本中使用它，所以它实际上是在做32b/32b=>32b商+余数。正如Intel手册中所述，IDIV引发#de on：

null

AARCH64:

    # int c = a / b  from x86_fault()  (which doesn't fault on AArch64)
    ldr     w1, [sp, 12]
    ldr     w0, [sp, 8]          # 32-bit loads into 32-bit registers
    sdiv    w0, w1, w0           # 32 / 32 => 32 bit signed division
    str     w0, [sp, 4]

ARM硬件除法指令不会引发被零除或int_min/-1溢出的异常。内特·埃尔德里奇评论道：

完整的ARM体系结构参考手册指出，UDIV或SDIV在被零除时，只返回零作为结果，“没有任何被零除发生的迹象”(Armv8-A版本中的C3.4.8)。没有异常，也没有标志--如果您想要捕获除零，您必须编写一个显式测试。同样，int_min被-1带符号的除法返回int_min，但没有溢出指示。

启用优化后，编译器可以假设a和b在运行a/b时仍然具有它们的设置值。然后它可以看到程序有未定义的行为，因此可以做任何它想做的事情。gcc选择生成int_min，就像从-int_min生成一样。

在2的补系统中，最负的数是它自己的负数。对于2的补码来说，这是一个令人讨厌的拐角处，因为它意味着abs(x)仍然可以是负数。https://en.wikipedia.org/wiki/two%27s_complement#most_negative_number

int x86_fault() {
    int a = 0x80000000;
    int b = -1;
    int c = a / b;
    return c;
}

使用gcc6.3-o3对x86-64进行编译

x86_fault:
    mov     eax, -2147483648
    ret

x86_fault:
    ret

int *local_address(int a) {
    return &a;
}

local_address:
    xor     eax, eax     # return 0
    ret

void foo() {
    int *p = local_address(4);
    *p = 2;
}

 foo:
   mov     DWORD PTR ds:0, 0     # store immediate 0 into absolute address 0
   ud2                           # illegal instruction

还请参见每个C程序员应该了解的关于未定义行为的内容（与Basile链接的LLVM博客文章相同）。