C：如何迭代所有有符号的int值，从INT_MIN到INT_MAX？

Question

我想遍历从signed int到INT_MIN的INT_MAX的所有可能值。明显的代码

for (int x = INT_MIN; x <= INT_MAX; x++)
    do_something(x);

由于有符号整数溢出引起的不确定行为而被破坏。值得注意的是，它显然是聪明的变体。

int x = INT_MIN;
do {
    do_something(x);
} while (x++ < INT_MAX);

[有趣的是，在第二个示例中，clang -O2 -fsanitize=undefined正确报告了runtime error: signed integer overflow: 2147483647 + 1 cannot be represented in type 'int'，而gcc -O2 -fsanitize=undefined没有报告。我想象gcc的-fsanitize=signed-integer-overflow和-ftrapv一样坏。

我可以找到的表达这种迭代的唯一方法是使用goto：

int x = INT_MIN;
loop: {
    do_something(x);
    if (x < INT_MAX) {
        x++;
        goto loop;
    }
}

使用无限循环并手动break：

int x = INT_MIN;
while (1) {
    do_something(x);
    if (x < INT_MAX)
        x++;
    else
        break;
}

并且仅在安全的情况下利用短路评估来增加变量：

int x = INT_MIN;
do {
    do_something(x);
} while (x < INT_MAX && ++x != INT_MIN);

Steve Jessop指出，在do-while解决方案中，可以改用while (x < INT_MAX && (++x, 1));。

在这三个版本中，我不是特别反对goto版本，我不太喜欢do-while版本（尤其是++x != INT_MIN位...），但是总的来说，我更喜欢while (1)版本。我的问题是以下。

如果while (1)不执行输入/输出操作，也不访问易失性对象，是否允许C编译器完全消除无限do_something循环？

我知道它不能用于C11，但我不太确定以前的版本。

编辑

我将尝试更详细地描述我担心的事情。假设我正在使用此循环来验证其他一些代码的正确性。例如，我可能会这样做

#include <stdio.h>
#include <limits.h>

int add_wrap_unsigned(int x, int y) {
    return (unsigned) x + (unsigned) y;
}

int add_wrap_builtin(int x, int y) {
    int res;
    __builtin_add_overflow(x, y, &res);
    return res;
}

int check() {
    int x = INT_MIN;
    while (1) {
        if (add_wrap_unsigned(x, 1) != add_wrap_builtin(x, 1))
            return 1;
        if (x < INT_MAX)
            x++;
        else
            break;
    }
    return 0;
}

int main() {
    if (check())
        printf("counterexample found");
    else
        printf("no counterexample");
    return 0;
}

此正确将no counterexample报告为clang。 check被编译为简单的return 0。但是，将单行（第22行从break;更改为x = INT_MIN;）changes completely the behavior：check变为无循环无限循环，但是main现在显示counterexample found。即使使用-std=c11，所有这一切都发生。

我担心的是，我不能信任第一个版本，因为在第二种情况下，编译器可能未完成正确的操作。

Answer 1

问题是是否允许C编译器删除无限循环。不，不允许删除其控制表达式为常数的无限循环（for (;;) {}或while (1) { }），但是C标准[C11/C17 6.8.5p6中的[[明确说明]

[其控制表达式不是常数表达式的迭代语句，156）不执行输入/输出操作，不访问易失性对象，并且在其主体，控制表达式中（或在以下情况下）不执行同步或原子操作： for语句）其表达式3，可以被实现假定为终止。157）

即允许编译器优化一个没有

任何副作用且确实具有非恒定控制表达式的循环。即就as-if规则而言，它是完全没用的循环。在标准的C11修订版中已授予此例外。这在C11之前不适用，因此，如果存在该行为，则表明它不符合标准。您不需要保护增量，只需break：

---

for (int x = INT_MIN; ; x++) {
    do_something(x);
    if (x == INT_MAX) break;
}

在这种情况下，控制表达式是一个常数表达式（隐式真值），因此

必须根据C11 / C17 6.8.5p6进行优化，但编译器必须明确证明它可以终止。] >
现在优化的内容取决于编译器和标志-使用-O3 Clang 9.0会将其编译为等效的
for (int x = INT_MIN; x != INT_MIN; x++)
    do_something(x)

如果溢出是用环绕式定义的-但是我们知道，x86机器代码确实具有定义良好的环绕式。

[GCC 9.2产生的机器代码的行为类似于
int x = INT_MIN;
do_something(x);
do {
   do_something(++x);
} while (x < INT_MAX);
用C语言编写的代码将
没有未定义的行为
，并且其性能与Clang的性能几乎没有区别（但大小没有区别）。