1.6 — Niezainicjowane zmienne i niezdefiniowane zachowanie

Niezainicjowane zmienne

W przeciwieństwie do niektórych języków programowania, C/C++ nie inicjuje automatycznie większości zmiennych do danej wartości (takiej jak zero). Kiedy zmienna, która nie została zainicjowana, otrzymuje adres pamięci, który ma być używany do przechowywania danych, domyślną wartością tej zmiennej jest wartość (śmieciowa), która już znajduje się w tym adresie pamięci! Zmienna, której nie nadano znanej wartości (w drodze inicjalizacji lub przypisania), nazywana jest zmienną niezainicjowaną.

int x;

Używanie wartości niezainicjowanych zmiennych może prowadzić do nieoczekiwanych rezultatów. Rozważmy następujący krótki program:

#include <iostream>

int main()
{
    // define an integer variable named x
    int x; // this variable is uninitialized because we haven't given it a value
    
    // print the value of x to the screen
    std::cout << x << '\n'; // who knows what we'll get, because x is uninitialized

    return 0;
}

W tym przypadku komputer przydzieli część nieużywanej pamięci do x. Następnie wyśle ​​wartość znajdującą się w tej lokalizacji pamięci do std::cout, która wydrukuje wartość (interpretowaną jako liczba całkowita). Ale jaką wartość wydrukuje? Odpowiedź brzmi „kto wie!”, a odpowiedź może (ale nie musi) zmieniać się przy każdym uruchomieniu programu. Gdy autor uruchomił ten program w Visual Studio, std::cout wypisał wartość 7177728 raz i 5277592 za drugim. Możesz samodzielnie skompilować i uruchomić program (twój komputer nie eksploduje).

Większość współczesnych kompilatorów będzie próbowała wykryć, czy zmienna jest używana bez podania wartości. Jeśli uda im się to wykryć, zazwyczaj wygenerują ostrzeżenie lub błąd w czasie kompilacji. Na przykład kompilacja powyższego programu w Visual Studio spowodowała wyświetlenie następującego ostrzeżenia:

c:\VCprojects\test\test.cpp(11) : warning C4700: uninitialized local variable 'x' used

Jeśli Twój kompilator nie pozwala na skompilowanie i uruchomienie powyższego programu (np. ponieważ traktuje problem jako błąd), oto możliwe rozwiązanie tego problemu:

#include <iostream>

void doNothing(int&) // Don't worry about what & is for now, we're just using it to trick the compiler into thinking variable x is used
{
}

int main()
{
    // define an integer variable named x
    int x; // this variable is uninitialized

    doNothing(x); // make the compiler think we're assigning a value to this variable

    // print the value of x to the screen (who knows what we'll get, because x is uninitialized)
    std::cout << x << '\n';

    return 0;
}

Używanie niezainicjowanych zmiennych jest jednym z najczęstszych błędów popełnianych przez początkujących programistów i niestety może być również jednym z najtrudniejszych do debugowania (ponieważ program może i tak działa poprawnie, jeśli zdarzy się, że niezainicjowana zmienna zostanie przypisana do miejsca w pamięci, które ma rozsądną wartość, np. 0).

To jest główny powód najlepszej praktyki „zawsze inicjuj swoje zmienne”.

Niezdefiniowane zachowanie

Użycie wartości z niezainicjowanej zmiennej jest naszym pierwszym przykładem niezdefiniowanego zachowania. Niezdefiniowane zachowanie (często w skrócie UB) jest wynikiem wykonania kodu, którego zachowanie nie jest zgodne z dobrze zdefiniowany przez język C++. W tym przypadku w języku C++ nie ma żadnych reguł określających, co się stanie, jeśli użyjesz wartości zmiennej, której nie nadano znanej wartości. W rezultacie, jeśli faktycznie to zrobisz, spowoduje to niezdefiniowane zachowanie.

Kod implementujący niezdefiniowane zachowanie może wykazywać dowolnego następujące symptomy:

• Twój program generuje inne wyniki przy każdym uruchomieniu.
• Twój program konsekwentnie generuje ten sam nieprawidłowy wynik.
• Twój program zachowuje się niespójnie (czasami generuje poprawny wynik, czasem nie).
• Twój program wydaje się działać, ale w dalszej części programu generuje nieprawidłowe wyniki.
• Twój program ulega awarii natychmiast lub później.
• Twój program działa na niektórych kompilatorach, ale nie na innych.
• Twój program działa, dopóki nie zmienisz innego pozornie niezwiązanego kodu.

Lub Twój kod i tak może generować prawidłowe zachowanie.

C++ zawiera wiele przypadków, które mogą skutkować niezdefiniowanym zachowaniem, jeśli nie będziesz ostrożny. Będziemy je podkreślać na przyszłych lekcjach, ilekroć je napotkamy. Zwróć uwagę, gdzie występują takie przypadki i pamiętaj, aby ich unikać.

Zachowanie zdefiniowane w implementacji i zachowanie nieokreślone

Określony kompilator i powiązana z nim biblioteka standardowa nazywane są implementacją (ponieważ to właśnie one faktycznie implementują język C++). W niektórych przypadkach standard języka C++ pozwala implementacji określić, jak zachowa się jakiś aspekt języka, dzięki czemu kompilator może wybrać zachowanie, które jest efektywne dla danej platformy. Zachowanie zdefiniowane przez implementację nazywa się zachowaniem zdefiniowanym przez implementację. Zachowanie zdefiniowane w implementacji musi być udokumentowane i spójne dla danej implementacji.

Spójrzmy na prosty przykład zachowania zdefiniowanego w implementacji:

#include <iostream>

int main()
{
	std::cout << sizeof(int) << '\n'; // print how many bytes of memory an int value takes

	return 0;
}

Na większości platform spowoduje to 4, ale na innych może spowodować 2.

Nieokreślone zachowanie jest prawie identyczne z zachowaniem zdefiniowanym w implementacji w tym sensie, że zachowanie zależy od implementacji do zdefiniowania, ale implementacja nie jest wymagana dokumentuj zachowanie.

Zasadniczo chcemy unikać zachowań zdefiniowanych w implementacji i nieokreślonych, ponieważ oznacza to, że nasz program może nie działać zgodnie z oczekiwaniami, jeśli zostanie skompilowany na innym kompilatorze (lub nawet na tym samym kompilatorze, jeśli zmienimy ustawienia projektu, które wpływają na zachowanie implementacji!)

Czas quizu