for 循环在 switch case 之间拆分的行为

Question

在玩代码时，我注意到一个奇怪的行为，我不知道解释背后的逻辑

void foo(int n)
{
    int m = n;
    while (--n > 0)
    {
        switch (n)
        {
            case -1:
            case 0:
                for (int j = 0; j < m; ++j)
            default:
                    printf(":-)");
                break;
        }
    }
}

int main()
{
    foo(10);
    return 0;
}

我希望printf执行比方说的10时间。然后，我看到它继续运行（想象一下100000，而不是10），并假定开发（VS）解释了printf 内部的for（漂亮的预期），因此输出由n次，每次入口switch。

但后来证明j从未初始化。

所以我的问题是为什么？这是未定义的行为吗？这不是一个，据说，标准代码？

Answer 1

default只是一个标签（如果n不是 -1 或 0 ，则代码跳转的地址）。因此，当n不是 -1 或 0 时，流程进入for循环体，跳过 的初始化j。您也可以编写与此相同的代码，因此这里发生的事情会更清楚：

int m = n;
while (--n > 0)
{
    switch (n)
    {
        case -1:
        case 0:
            for (int j = 0; j < m; ++j)
            {
        default: printf(":-)");
            }
            break;
    }
}

（注意，正如@alagner 在评论中提到的，它不会用 C++ 编译器编译，但可以用 C 编译器完美编译，所以这足以说明我的观点并解释代码的外观）。

所以是的，由于j未初始化，它是未定义的行为。如果您启用编译器警告，它会警告您（https://godbolt.org/z/rzGraP）：

warning: 'j' may be used uninitialized in this function [-Wmaybe-uninitialized]
   12 |                 for (int j = 0; j < m; ++j)
      |                          ^                  

Answer 2

一个switch块实际上是一组美化的goto语句。不同的情况不会向代码引入范围或任何逻辑结构。它们实际上只是switch语句跳转到的目标。

在此程序中，default:标签位于嵌套for循环内。当default遇到 case 时，程序会跳转到循环内，就好像那里有一条goto语句一样。该switch块相当于：

if (n == -1 || n == 0) {
    goto before_loop;
}
else {
    goto inside_loop;
}

before_loop:
for (int j = 0; j < m; ++j) {
    inside_loop:
    printf(":-)");
}

这是危险的，因为跳转到inside_loop:跳过j = 0。正如您所观察到的，j仍然是声明的，但没有初始化，访问它会导致未定义的行为。

Answer 3

正如发布的那样，代码具有未定义的行为，因为当switch跳转到语句体default:内部的标签时，for它会跳过j内部循环中的初始化，在j测试时导致未定义行为，并在循环迭代时递减。

在 C++ 中不允许通过直接跳转到新作用域来跳过初始化。在 C 语言中不存在这样的约束，因为与历史代码的兼容性不一定会引起问题，但现代编译器会检测到此错误并抱怨。我建议使用-Wall -Wextra -Werror以避免愚蠢的错误。

请注意，修改如下，它变得完全定义，打印:)90 次（外循环的 9 次迭代，内循环的 10 次迭代）并成功完成：

#include <stdio.h>

void foo(int n) {
    int m = n;
    while (--n > 0) {
        int j = 0;
        switch (n) {
            case -1:
            case 0:
                for (j = 0; j < m; ++j)
            default:
                    printf(":-)");
                break;
        }
    }
}

int main() {
    foo(10);
    printf("\n");
    return 0;
}

Answer 4

对于初学者来说，foo具有返回类型的函数不int返回任何内容。

该while循环：

while (--n > 0)
{
    //..
}

仅在 pre-decrement 表达式的--n值大于的情况下获得控制权0。

也就是说，在while循环中，变量n既不等于0也不到-1。

因此，控制将立即向标签传递default的范围内switch声明。

    switch (n)
    {
        case -1:
        case 0:
            for (int j = 0; j < m; ++j)
        default:
                printf(":-)");
            break;
    }

您可以通过以下方式等效地重写while没有switch语句的循环，以使其更清晰：

while (--n > 0)
{
    goto Default;

    for (int j = 0; j < m; ++j)
    {
        Default: printf(":-)");
    } 
}

也就是说，控制立即在for循环内部传递。根据 C 标准（6.8.5 迭代语句）

4 迭代语句使称为循环体的语句重复执行，直到控制表达式比较等于 0。无论循环体是从迭代语句输入还是通过跳转，都会发生重复。

这意味着for循环将包含一个语句：

printf(":-)");

将被执行。

然而，该变量的初始初始化j在for环路被旁路。来自 C 标准（6.2.4 对象的存储持续时间）

6 对于这种没有可变长度数组类型的对象，其生命周期从进入与其关联的块开始，直到该块的执行以任何方式结束。（进入封闭块或调用函数会挂起，但不会结束当前块的执行。）如果递归进入块，则每次都会创建对象的一个​​新实例。对象的初始值是不确定的。如果为对象指定了初始化，则在块的执行中每次到达声明或复合文字时都会执行它；否则，每次到达声明时，该值都会变得不确定。

因此，该变量j 具有不确定的值。这意味着for循环以及函数本身具有未定义的行为。