Warum ist a = (a+b) – (b=a) eine schlechte Wahl, um zwei ganze Zahlen zu vertauschen?

Ich bin auf diesen Code gestoßen, um zwei Ganzzahlen auszutauschen, ohne eine temporäre Variable oder die Verwendung bitweiser Operatoren zu verwenden.

int main(){

    int a=2,b=3;
    printf("a=%d,b=%d",a,b);
    a=(a+b)-(b=a);
    printf("\na=%d,b=%d",a,b);
    return 0;
}

Aber ich denke, dieser Code hat ein undefiniertes Verhalten in der Swap-Anweisung a = (a+b) - (b=a); da es keine enthält Sequenzpunkte um die Reihenfolge der Auswertung festzulegen.

Meine Frage ist: Ist dies eine akzeptable Lösung, um zwei Ganzzahlen auszutauschen?

Nein. Dies ist nicht akzeptabel. Dieser Code ruft auf Undefiniertes Verhalten. Dies liegt an der Operation b ist nicht definiert. Im Ausdruck

a=(a+b)-(b=a);  

es ist nicht sicher, ob b wird zuerst modifiziert oder sein Wert wird im Ausdruck verwendet (a+b) wegen des Fehlens der Sequenzpunkt.
Sehen Sie, welche Standard-Syas:

C11: 6.5 Ausdrücke:

Wenn eine Nebenwirkung auf ein skalares Objekt relativ zu entweder einer anderen Nebenwirkung auf dasselbe skalare Objekt oder nicht sequenziert ist eine Wertberechnung unter Verwendung des Werts desselben skalaren Objektsist das Verhalten undefiniert. Wenn es mehrere zulässige Reihenfolgen der Unterausdrücke eines Ausdrucks gibt, ist das Verhalten undefiniert, wenn ein solcher nicht sequenzierter Nebeneffekt in einer der Reihenfolgen auftritt.84)₁.

Lesen C-FAQ-3.8 und diese Antwort für eine detailliertere Erklärung des Sequenzpunkts und des undefinierten Verhaltens.

_{1. Die Betonung liegt bei mir.}

Meine Frage ist: Ist dies eine akzeptable Lösung, um zwei Ganzzahlen auszutauschen?

Akzeptabel für wen? Wenn Sie fragen, ob es für mich akzeptabel ist, würde das an keiner Codeüberprüfung vorbeikommen, an der ich teilgenommen habe, glauben Sie mir.

Warum ist a=(a+b)-(b=a) eine schlechte Wahl, um zwei ganze Zahlen auszutauschen?

Aus den folgenden Gründen:

1) Wie Sie bemerken, gibt es in C keine Garantie dafür, dass es dies tatsächlich tut. Es könnte alles tun.

2) Nehmen wir aus Gründen der Argumentation an, dass es wirklich zwei Ganzzahlen vertauscht, wie es in C# der Fall ist. (C# garantiert, dass Nebeneffekte von links nach rechts auftreten.) Der Code wäre immer noch inakzeptabel, da seine Bedeutung völlig unklar ist! Code sollte kein Haufen cleverer Tricks sein. Schreiben Sie Code für die Person, die nach Ihnen kommt, die ihn lesen und verstehen muss.

3) Angenommen, es funktioniert. Der Code ist immer noch nicht akzeptabel, weil dies einfach falsch ist:

Ich bin auf diesen Code gestoßen, um zwei Ganzzahlen auszutauschen, ohne eine temporäre Variable oder die Verwendung bitweiser Operatoren zu verwenden.

Das ist einfach falsch. Dieser Trick verwendet eine temporäre Variable, um die Berechnung von zu speichern a+b. Die Variable wird vom Compiler für Sie generiert und hat keinen Namen, aber sie ist da. Wenn das Ziel darin besteht, Provisorien zu eliminieren, wird es dadurch schlimmer, nicht besser! Und warum wollen Sie überhaupt auf Provisorien verzichten? Sie sind billig!

4) Dies funktioniert nur für ganze Zahlen. Viele Dinge müssen außer ganzen Zahlen getauscht werden.

Kurz gesagt, verbringen Sie Ihre Zeit damit, sich darauf zu konzentrieren, Code zu schreiben, der offensichtlich korrekt ist, anstatt zu versuchen, clevere Tricks zu entwickeln, die die Dinge tatsächlich verschlimmern.

Es gibt mindestens zwei Probleme mit a=(a+b)-(b=a).

Eine erwähnen Sie selbst: Das Fehlen von Sequenzpunkten bedeutet, dass das Verhalten undefiniert ist. Als solches könnte überhaupt alles passieren. Beispielsweise gibt es keine Garantie dafür, was zuerst ausgewertet wird: a+b oder b=a. Der Compiler kann sich dafür entscheiden, zuerst Code für die Zuweisung zu generieren oder etwas völlig anderes zu tun.

Ein weiteres Problem ist die Tatsache, dass der Überlauf der vorzeichenbehafteten Arithmetik ein undefiniertes Verhalten ist. Wenn a+b Überläufe gibt es keine Garantie für die Ergebnisse; sogar eine Ausnahme könnte geworfen werden.

Abgesehen von den anderen Antworten zu undefiniertem Verhalten und Stil kann der Compiler, wenn Sie einfachen Code schreiben, der nur eine temporäre Variable verwendet, wahrscheinlich die Werte verfolgen und sie nicht tatsächlich im generierten Code austauschen und die ausgetauschten Werte später in einigen verwenden Fälle. Das geht mit deinem Code nicht. Der Compiler ist in der Regel besser als Sie bei Mikrooptimierungen.

Es ist also wahrscheinlich, dass Ihr Code langsamer, schwerer zu verstehen und wahrscheinlich auch unzuverlässiges undefiniertes Verhalten aufweist.

Wenn Sie gcc und -Wall Der Compiler warnt Sie bereits

ac:3:26: Warnung: Operation auf ‘b’ kann undefiniert sein [-Wsequence-point]

Ob ein solches Konstrukt verwendet werden soll, ist auch unter Leistungsgesichtspunkten umstritten. Beim Anschauen

void swap1(int *a, int *b)
{
    *a = (*a + *b) - (*b = *a);
}

void swap2(int *a, int *b)
{
    int t = *a;
    *a = *b;
    *b = t;
}

und untersuchen Sie den Assemblercode

swap1:
.LFB0:
    .cfi_startproc
    movl    (%rdi), %edx
    movl    (%rsi), %eax
    movl    %edx, (%rsi)
    movl    %eax, (%rdi)
    ret
    .cfi_endproc

swap2:
.LFB1:
    .cfi_startproc
    movl    (%rdi), %eax
    movl    (%rsi), %edx
    movl    %edx, (%rdi)
    movl    %eax, (%rsi)
    ret
    .cfi_endproc

Sie sehen keinen Vorteil darin, den Code zu verschleiern.

Betrachten Sie den C++ (g++) Code, der im Grunde dasselbe tut, aber dauert move berücksichtigen

#include <algorithm>

void swap3(int *a, int *b)
{
    std::swap(*a, *b);
}

gibt identische Assembly-Ausgabe

_Z5swap3PiS_:
.LFB417:
    .cfi_startproc
    movl    (%rdi), %eax
    movl    (%rsi), %edx
    movl    %edx, (%rdi)
    movl    %eax, (%rsi)
    ret
    .cfi_endproc

Wenn man die Warnung von gcc berücksichtigt und keinen technischen Vorteil sieht, würde ich sagen, bleiben Sie bei Standardtechniken. Wenn dies jemals zu einem Engpass wird, können Sie immer noch untersuchen, wie Sie dieses kleine Stück Code verbessern oder vermeiden können.

Die Aussage:

a=(a+b)-(b=a);

ruft undefiniertes Verhalten auf. Der zweite Satz im zitierten Absatz wird verletzt:

(C99, 6.5p2) „Zwischen dem vorherigen und dem nächsten Sequenzpunkt darf ein Objekt seinen gespeicherten Wert höchstens einmal durch die Auswertung eines Ausdrucks ändern. Außerdem soll der vorherige Wert nur gelesen werden, um den zu speichernden Wert zu bestimmen.“

Eine Frage wurde bereits 2010 mit genau demselben Beispiel gepostet.

a = (a+b) - (b=a);

Steve Jessop warnt davor:

Das Verhalten dieses Codes ist übrigens undefiniert. Sowohl a als auch b werden ohne dazwischenliegenden Sequenzpunkt gelesen und geschrieben. Für den Anfang hätte der Compiler durchaus das Recht, b=a auszuwerten, bevor er a+b auswertet.

Hier ist eine Erklärung aus einer Frage, die 2012 gepostet wurde. Beachten Sie, dass das Beispiel dies nicht ist exakt das gleiche wegen des Fehlens von Klammern, aber die Antwort ist trotzdem relevant.

In C++ haben Teilausdrücke in arithmetischen Ausdrücken keine zeitliche Reihenfolge.

a = x + y;

Wird x zuerst ausgewertet oder y? Der Compiler kann entweder wählen, oder er kann etwas völlig anderes wählen. Die Reihenfolge der Auswertung ist nicht dasselbe wie die Operatorpriorität: Die Operatorpriorität ist streng definiert, und Die Reihenfolge der Auswertung ist nur in der Granularität definiert, in der Ihr Programm Sequenzpunkte hat.

Tatsächlich ist es auf einigen Architekturen möglich, Code auszugeben, der sowohl x als auch y gleichzeitig auswertet – zum Beispiel VLIW-Architekturen.

Jetzt für C11-Standardzitate von N1570:

Anlage J.1/1

Es handelt sich um nicht spezifiziertes Verhalten, wenn:

— Die Reihenfolge, in der Teilausdrücke ausgewertet werden, und die Reihenfolge, in der Seiteneffekte auftreten, außer wie für den Funktionsaufruf angegeben (), &&,
||, ? :und Kommaoperatoren (6.5).

— Die Reihenfolge, in der die Operanden eines Zuweisungsoperators ausgewertet werden (6.5.16).

Anlage J.2/1

Es ist ein undefiniertes Verhalten, wenn:

— Eine Nebenwirkung auf ein Skalarobjekt ist relativ entweder zu einer anderen Nebenwirkung auf dasselbe Skalarobjekt oder zu einer Wertberechnung unter Verwendung des Werts desselben Skalarobjekts (6.5) nicht sequenziert.

6,5/1

Ein Ausdruck ist eine Folge von Operatoren und Operanden, die die Berechnung eines Werts angibt oder ein Objekt oder eine Funktion bezeichnet oder Nebeneffekte erzeugt oder eine Kombination davon ausführt. Die Wertberechnungen der Operanden eines Operators werden vor der Wertberechnung des Ergebnisses des Operators sequenziert.

6,5/2

Wenn eine Nebenwirkung auf ein skalares Objekt relativ zu einer anderen Nebenwirkung auf dasselbe skalare Objekt oder einer Wertberechnung unter Verwendung des Werts desselben skalaren Objekts nicht sequenziert ist, ist das Verhalten undefiniert. Wenn es mehrere zulässige Reihenfolgen der Unterausdrücke eines Ausdrucks gibt, ist das Verhalten undefiniert, wenn ein solcher nicht sequenzierter Nebeneffekt in einer der Reihenfolgen auftritt.84)

6,5/3

Die Gruppierung von Operatoren und Operanden wird durch die Syntax angegeben.85) Außer wie später angegeben, sind Seiteneffekte und Wertberechnungen von Teilausdrücken unsequenzt.86)

Sie sollten sich nicht auf undefiniertes Verhalten verlassen.

Einige Alternativen: In C++ können Sie verwenden

  std::swap(a, b);

XOR-Swap:

  a = a^b;
  b = a^b;
  a = a^b;