在布尔中设置额外的位可使其同时为真和为假

Question

如果我得到一个bool变量并将其第二位设置为1，则变量同时评估为true和false。使用带有-g选项（gcc-v6.3.0/Linux/RHEL6.0-2016-x86_64/bin/g++ -g main.cpp -o mytest_d）的gcc6.3编译以下代码，然后运行可执行文件。您得到以下内容。

T如何同时等于真和假？

       value   bits 
       -----   ---- 
    T:   1     0001
after bit change
    T:   3     0011
T is true
T is false

当您使用不同的语言（例如fortran）调用函数时，可能会发生这种情况，其中对和错的定义与C ++不同。对于fortran，如果任何位都不为0，则该值为true；如果所有位为零，则该值为false。

#include <iostream>
#include <bitset>

using namespace std;

void set_bits_to_1(void* val){
  char *x = static_cast<char *>(val);

  for (int i = 0; i<2; i++ ){
    *x |= (1UL << i);
  }
}

int main(int argc,char *argv[])
{

  bool T = 3;

  cout <<"       value   bits " <<endl;
  cout <<"       -----   ---- " <<endl;
  cout <<"    T:   "<< T <<"     "<< bitset<4>(T)<<endl;

  set_bits_to_1(&T);


  bitset<4> bit_T = bitset<4>(T);
  cout <<"after bit change"<<endl;
  cout <<"    T:   "<< T <<"     "<< bit_T<<endl;

  if (T ){
    cout <<"T is true" <<endl;
  }

  if ( T == false){
    cout <<"T is false" <<endl;
  }


}

//////////////////////////////// //使用ifort编译时，Fortran函数与C ++不兼容。

       logical*1 function return_true()
         implicit none

         return_true = 1;

       end function return_true

Answer 1

在C ++中，a的位表示（甚至大小）bool是实现定义的；通常将其实现为char-size类型，将1或0作为可能的值。

如果将其值设置为与允许值不同的任何值（在此特定情况下，bool通过对a 进行别名char并修改其位表示形式），将破坏该语言的规则，因此任何事情都可能发生。特别是，在标准中明确规定，“中断” bool可能同时表现为true和false（或都不true是false）。

bool以本国际标准描述为“未定义”的方式使用值，例如通过检查未初始化的自动对象的值，可能导致其行为既不是也不true是false

（C ++ 11，[基本]，注释47）

在这种特殊情况下，您可以看到它是如何在这种奇怪的情况下结束的：第一个if被编译为

    movzx   eax, BYTE PTR [rbp-33]
    test    al, al
    je      .L22

其负载T在eax（零扩展），并跳过打印，如果这一切都为零; 下一个是

    movzx   eax, BYTE PTR [rbp-33]
    xor     eax, 1
    test    al, al
    je      .L23

测试if(T == false)转换为if(T^1)，仅翻转低位。对于有效的服务器来说bool，这是可以的，但是对于您的“破损”服务器，它并不能解决问题。

注意，这个奇怪的序列仅在低优化级别下生成；在更高级别上，这通常可以归结为零/非零检查，并且像您这样的序列很可能会成为单个测试/条件分支。在其他情况下，无论如何，您都会得到奇怪的行为，例如，将bool值求和为其他整数时：

int foo(bool b, int i) {
    return i + b;
}

变成

foo(bool, int):
        movzx   edi, dil
        lea     eax, [rdi+rsi]
        ret

这里dil是“信任”是0/1。

如果您的程序全部是C ++，则解决方案很简单：不要以bool这种方式破坏值，避免弄乱它们的位表示，一切都会顺利进行；特别是，即使您从整数分配给，bool编译器也会发出必要的代码，以确保结果值是有效bool，因此您bool T = 3的确是安全的，并且T最终会冒出a true。

如果相反，如果您需要与用其他语言编写的可能互不相同的代码互操作bool，请避免bool使用“边界”代码，并将其编组为适当大小的整数。它将在有条件的条件下工作。一样好。

有关问题的Fortran /互操作性方面的更新

免责声明我对Fortran的了解是我今天早上在标准文档上读到的，并且我有一些带有Fortran列表的打孔卡，我将它们用作书签，所以请放轻松。

首先，这种语言互操作性不是语言标准的一部分，而是平台ABI的一部分。当我们谈论Linux x86-64时，相关文档是System V x86-64 ABI。

首先，没有任何地方指定C _Bool类型（bool在3.1.2注†处定义为与C ++相同）与Fortran兼容LOGICAL。特别是在9.2.2中，表9.2指定将“普通” LOGICAL映射到signed int。关于TYPE*N类型说

“ TYPE*N”符号指定类型的变量或聚合成员TYPE应占用N存储字节。

（同上）

没有为显式指定等效类型LOGICAL*1，这是可以理解的：它甚至不是标准的。的确，如果您尝试编译包含LOGICAL*1符合Fortran 95兼容模式的Fortran程序，则会收到有关该警告的警告，两者均由ifort发出。

./example.f90(2): warning #6916: Fortran 95 does not allow this length specification.   [1]

    logical*1, intent(in) :: x

------------^

并通过努力

./example.f90:2:13:
     logical*1, intent(in) :: x
             1
Error: GNU Extension: Nonstandard type declaration LOGICAL*1 at (1)

所以水已经浑浊了；因此，结合以上两个规则，我会signed char很安全。

但是：ABI还指定：

类型的值LOGICAL被.TRUE.实现为1和.FALSE. 0来实现。

因此，如果您有一个程序可以存储1和0以外的LOGICAL值，那么您在Fortran方面已经超出规格了！你说：

fortran logical*1与相同bool，但在fortran中，如果位为00000011，则为trueC，在C ++中未定义。

最后一条陈述是不正确的，Fortran标准与表示无关，而ABI明确表示相反。实际上，通过检查gfort的输出以进行LOGICAL比较，您可以轻松地看到这一点：

integer function logical_compare(x, y)
    logical, intent(in) :: x
    logical, intent(in) :: y
    if (x .eqv. y) then
        logical_compare = 12
    else
        logical_compare = 24
    end if
end function logical_compare

变成

logical_compare_:
        mov     eax, DWORD PTR [rsi]
        mov     edx, 24
        cmp     DWORD PTR [rdi], eax
        mov     eax, 12
        cmovne  eax, edx
        ret

您会注意到，cmp两个值之间存在一条直线，而无需先对其进行规范化（与相比ifort，这方面更保守）。

更有趣的是：无论ABI怎么说，默认情况下，ifort都使用非标准表示形式LOGICAL；-fpscomp logicals交换机文档中对此进行了解释，该文档还指定了一些有趣的细节LOGICAL以及跨语言兼容性：

指定将具有非零值的整数视为true，将具有零值的整数视为false。文字常量.TRUE。的整数值为1，文字常量为.FALSE。具有0的整数值。此表示形式由8.0之前的Intel Fortran版本和Fortran PowerStation使用。

默认值为fpscomp nologicals，它指定将奇数整数值（低位1）视为true，将偶数整数值（低位0）视为false。

文字常量.TRUE。具有-1的整数值和文字常量.FALSE。具有0的整数值。Compaq Visual Fortran使用此表示形式。Fortran标准未指定LOGICAL值的内部表示形式。在LOGICAL上下文中使用整数值或将LOGICAL值传递给用其他语言编写的过程的程序是不可移植的，可能无法正确执行。英特尔建议您避免依赖于LOGICAL值的内部表示形式的编码实践。

（添加了重点）

现在，LOGICAL正常情况下的内部表示形式应该不成问题，因为据我了解，如果您“按规则”玩游戏并且不跨越语言界限，您将不会注意到。对于符合标准的程序，在INTEGER和之间没有“直接转换” LOGICAL；我认为您可以INTEGER将a 推入LOGICAL似乎的唯一方法是TRANSFER，它本质上是不可移植的，没有任何真正的保证，或者在赋值时提供非标准的INTEGER<-> LOGICAL转换。

后一种情况由gfort记录，始终会导致非零-> .TRUE.，零-> .FALSE.，并且您可以看到在所有情况下都会生成代码来实现此目的（即使在使用遗留表示的ifort情况下也是费时的代码），因此您似乎无法LOGICAL以这种方式将任意整数推入。

logical*1 function integer_to_logical(x)
    integer, intent(in) :: x
    integer_to_logical = x
    return
end function integer_to_logical

integer_to_logical_:
        mov     eax, DWORD PTR [rdi]
        test    eax, eax
        setne   al
        ret

a的逆向转换LOGICAL*1是一个整数零扩展（gfort），因此，为了兑现上面链接的文档中的合同，很显然，它的LOGICAL期望值为0或1。

但在一般情况下，这些转换的情况是有点的一塌糊涂，所以我只希望远离他们。

因此，长话短说：避免将INTEGER数据放入LOGICAL值中，因为即使在Fortran中它也很糟糕，并确保使用正确的编译器标志来获取布尔值的ABI兼容表示形式，并且与C / C ++的互操作性应该很好。但是为了更加安全，我只char在C ++方面使用纯文本。

最后，根据我从文档中收集到的信息，在ifort中提供了对与C互操作性的内置支持，其中包括布尔值。您可以尝试利用它。

Answer 2

当您违反了语言和编译器的合同时，就会发生这种情况。

您可能在某处听说过“零为假”和“非零为真”。当您坚持使用该语言的参数，将静态转换int为bool或反之时，这一点成立。

当您开始弄乱位表示形式时，它不成立。在这种情况下，您将打破合同，并输入（至少）实现定义的行为的领域。

根本不要那样做。

如何将a bool存储在内存中不取决于您。这取决于编译器。如果要更改bool的值，请分配true/ false或分配一个整数，并使用C ++提供的适当转换机制。

C ++标准实际上用于明确指出以bool这种方式使用是顽皮的，坏的和坏的（“ bool以本文档描述为'undefined'的方式使用值，例如通过检查未初始化的auto对象，可能会导致它的行为好像既不是也不true是false。”），尽管出于编辑原因在C ++ 20中将其删除。