为何无符号左移位运算在编译期与运行期溢出表现不同？

我编写了如下C++代码：

#include <iostream>
using namespace std;
int main(){
    unsigned long long a;
    cin>>a;
    cout<< (1ull<<64ull) << ' ' << (1ull<<a) << endl;
}

当输入64时，输出为：

0 1

我原本以为编译器在运行期应该和编译期一样，遵循模运算直接丢弃溢出位，但实际运行期似乎是循环移位。我在GCC 11、GCC 12和Clang 14上都测试过，不太可能是编译器Bug，请问我忽略了什么？

• 核心原因：移位位数超过类型比特位时属于未定义行为
  C++标准规定，对于无符号整数的移位操作，如果右操作数的值大于等于该类型的比特位数（这里unsigned long long是64位，所以移位64位及以上），行为是未定义的。这意味着编译器可以按照任意合理的方式处理，不需要保证编译期和运行期行为一致。

• 编译期与运行期的不同处理逻辑

  1. 编译期常量移位：1ull << 64ull是编译期可计算的常量表达式，编译器会直接进行常量折叠。此时编译器通常会按照“左移n位后溢出的位直接丢弃”的逻辑，计算结果为0（因为64位无符号数左移64位后所有位都是0）。
  2. 运行期变量移位：当移位位数是运行时输入的变量a（值为64），编译器会生成CPU的原生移位指令（比如x86架构的shlq）。这类硬件指令的规则是：移位位数会被取模为类型的比特位数（64位的话取模64），所以64取模64等于0，相当于执行1ull << 0，结果就是1。

• 总结
  因为移位64位属于未定义行为，编译器在编译期和运行期采用不同的处理方式是符合标准的。要避免这种情况，必须确保移位位数严格小于目标类型的比特位数（比如对于unsigned long long，移位位数要小于64）。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者acupoftea