C++ 的 GMP：`auto` 带来更多麻烦

Question

这里有更多关于 GMP C++ 类接口 的奇怪行为，与 C++

auto

关键字相关。我的上一个问题也是关于这个关键字的，它的删除解决了我的问题。然而，这是编译问题，但现在是运行时问题。

下面的简单测试编译正常，但出现 coredumps。

#include <iostream>
#include <gmpxx.h>

auto test()
{
  return mpz_class(2) * 2;
}

int main()
{
  std::cout << test() << std::endl;
}

如果将关键字

auto

替换为

mpz_class

，则测试将正确运行。另外 - 如果省略编译标志

-O3

，那么测试将运行，但会打印错误的数字，该数字会随每次执行而变化（这通常在执行依赖于随机未初始化数据时发生）。

看起来

gmpxx.h

标头包含 something，这使得 C++ 编译器在这种情况下生成错误的代码。如何中和这个东西？

一个可能的答案是“不要使用

auto

返回类型”，但我更喜欢使用它 - 这可以简化修改。

系统环境：

• 操作系统：Ubuntu 22.04.4 LTS
• 编译器：g++ (Ubuntu 12.3.0-1ubuntu1~22.04) 12.3.0
• 编译器/链接器标志：-O3 -Wall -std=c++20 -lgmpxx -lgmp
• GMP版本：6.2.1

Answer 1

GMP C++ 绑定的文档非常清楚：避免对 GMP 表达式使用

auto

。 （事实上，即使是普通的模板也会出现问题）。

问题是GMP依赖于“表达模板”技术。对于

mpz_class a, b

，这意味着

a + b

本身不是

mpz_class

，而是代表

a

和

b

之和的某种其他类型的对象，而无需实际计算它。这样的对象通常会通过引用来引用

a

和

b

。该对象可以隐式转换为

mpz_class

。这个想法是，这种技术允许根据生成其操作数的函数来专门化函数。例如。这是一个玩具示例：

struct my_num { double num; };
template<typename... Ts>
struct my_num_sum { // expression template representing sums
   Ts&... summands;
   operator my_num() {
       // pretend that there is a more efficient method to add together multiple values of my_num at once than just repeatedly using +
       return my_num((0.0 + ... + my_num(summands).num));
   }
};
auto operator+(my_num &a, my_num &b) { return my_num_sum(a, b); }
// this specializes the addition operator to do something different (i.e. more efficient) when one of the operands is itself a sum
template<typename... Ts, typename U>
auto operator+(my_num_sum<Ts...> as, U &b) {
    return my_num_sum(as.summands..., b);
}
// th

在此示例中，对于

my_num a, b, c

，表达式

a + b + c

不是

my_num

，而是

my_num_sum<my_num, my_num, my_num>

。

my_num d = a + b + c

行一次性将

a

、

b

和

c

相加（一次调用

my_num_sum::operator my_num()

），这比将

a

和

b

添加到中间对象中更高效然后添加

c

。 （这对于

double

来说并非如此，但对于向量等较大类型确实有意义）。

你看现在有一个很大的危险：用户函数很容易产生悬空引用：

auto oops(my_num a, my_num b) { return a + b; }
// returns a my_num_sum containing dangling references to parameters!

但是如果您要求实际数字，问题就会消失，因为现在使用从表达式模板到实际数据类型的隐式转换。

my_num fine(my_num a, my_num b) { return a + b; }

如果您确实坚持使用

auto

返回类型，那很好，但现在您仍然需要在不希望表达式模板泄漏的地方向

my_num

添加强制转换。

auto okay(my_num a, my_num b) { return my_num(a + b); }

这正是 GMP 文档针对您的问题建议的两个修复方法。编写以下任一内容以正确定义

test

：

mpz_class test() { return mpz_class(2) * 2; }
auto test() { return mpz_class(mpz_class(2) * 2); }

你必须在某个地方说

mpz_class

，否则就没有什么可以触发从表达式模板到数字的隐式转换。