32位GCC下long long与double转换的异常行为问询

以下是测试代码：

#include <iostream>
int main() {
    long long x = 123456789123456789;
    std::cout << std::fixed;
    auto y = static_cast<double>(x);  // (1)
    std::cout << static_cast<long long>(y) << "\n";  // (2)
    std::cout << y << "\n";
    std::cout << (x == static_cast<long long>(y)) << "\n";  // (3)
    std::cout << static_cast<long long>(static_cast<double>(x)) << "\n";  // (4)
    std::cout << (x == static_cast<long long>(static_cast<double>(x))) << "\n";  // (5)
}

不同编译场景的输出情况 #

32位GCC无优化编译（g++ -m32 a.cpp） #

执行程序后输出：

123456789123456784
123456789123456784.000000
0
123456789123456789
1

注意到一个关键矛盾：

• 通过单独的double变量*y*将*x*转换回long long时，结果末尾为4；
• 但在单个表达式中直接做long long→double→long long转换时，结果却和原值*x*完全一致（末尾为9）。

已知不存在能转回得到123456789123456789的double值——第(3)行的比较结果也验证了这一点，但第(5)行的比较却返回了真（1）。

添加-O2优化后编译 #

此时所有表达式被编译器优化，输出变为：

123456789123456784
123456789123456784.000000
0
123456789123456784
0

从std::cin读取x并保留-O2优化 #

修改代码让x从标准输入读取后，输出如下：

123456789123456789
123456789123456784.000000
1
123456789123456789
1

这里中间变量*y*的值末尾是4，但转回long long后却得到了末尾为9的结果。

关于未定义行为的判断 #

我认为这段程序不存在未定义行为：

• 整数转浮点类型的结果是舍入后的浮点值，合法结果应为123456789123456784或123456789123456790；
• 这两个值都能被long long类型容纳。

该异常行为从GCC 9开始出现，GCC 8表现正常。请问这是GCC的bug还是程序本身的问题？

内容的提问来源于stack exchange，提问作者yeputons