释放模式下安全 Rust 中的有符号整数溢出是否被视为未定义行为？

Question

Rust 在调试和发布模式下以不同的方式处理有符号整数溢出。当它发生时，Rust 在调试模式下会发生恐慌，而在发布模式下默默地执行二进制补码包装。

据我所知，C/C++ 将有符号整数溢出视为未定义行为，部分原因是：

1. 在 C 标准化的那个时候，表示有符号整数的不同底层体系结构，例如补码，可能仍在某处使用。编译器无法假设硬件中如何处理溢出。
2. 后来的编译器因此做出假设，例如两个正整数之和也必须为正数才能生成优化的机器代码。

因此，如果 Rust 编译器确实在有符号整数方面执行与 C/C++ 编译器相同类型的优化，那么为什么The Rustonomicon指出：

无论如何，Safe Rust 不会导致未定义行为。

或者即使 Rust 编译器不执行这样的优化，Rust 程序员仍然不希望看到有符号整数环绕。不能称为“未定义行为”吗？

Answer 1

问：那么，如果 Rust 编译器确实对有符号整数执行了与 C/C++ 编译器相同类型的优化

锈没有。因为，正如您所注意到的，它无法执行这些优化，因为整数溢出是明确定义的。

对于发布模式的添加，Rust 将发出以下 LLVM 指令（您可以查看Playground）：

add i32 %b, %a

另一方面，clang 将发出以下 LLVM 指令（您可以通过查看clang -S -emit-llvm add.c）：

add nsw i32 %6, %8

不同之处在于nsw（无签名换行）标志。正如LLVM 参考中add所指定的：

如果和有无符号溢出，返回的结果是数学结果模 2n，其中 n 是结果的位宽。

由于 LLVM 整数使用二进制补码表示，因此该指令适用于有符号和无符号整数。

nuw并分别nsw代表“No Unsigned Wrap”和“No Signed Wrap”。如果nuw和/或nsw关键字存在，并且分别发生无符号和/或有符号溢出，则加法的结果值是毒值。

毒值是导致未定义行为的原因。如果标志不存在，则结果很好地定义为 2 的补码包装。

问：或者即使 Rust 编译器不执行这样的优化，Rust 程序员仍然不希望看到有符号整数环绕。不能称为“未定义行为”吗？

在此上下文中使用的“未定义行为”具有非常具体的含义，与这两个词的直观英文含义不同。UB 在这里具体意味着编译器可以假设永远不会发生溢出，并且如果发生溢出，则允许任何程序行为。这不是 Rust 规定的。

然而，通过算术运算符的整数溢出被认为是 Rust 中的一个错误。那是因为，正如你所说，它通常是无法预料的。如果您有意想要包装行为，可以使用诸如i32::wrapping_add.

一些额外的资源：

• RFC 560规定了 Rust 中关于整数溢出的所有内容。简而言之：调试模式下的恐慌，发布模式下的 2 的补码包装。
• 关于 Rust 中整数溢出的神话和传说。关于这个话题的好博文。