C++中实现定义行为操作是否允许多次执行选择不同合法结果？

相关标准条款依据 #

• [conv.fpint] 第2款规定

若待转换值处于可表示值范围内但无法被精确表示，则选择相邻更低或更高可表示值的行为属于**implementation-defined（实现定义）**行为。

• [intro.abstract] 第2款规定

本标准将抽象机的特定方面与操作描述为实现定义（例如sizeof(int)），这些内容构成抽象机的参数。每个实现必须附带文档，说明其在这些方面的特征与行为，该文档需定义对应该实现的抽象机实例（以下简称“对应实例”）。

• [intro.abstract] 第5款规定

执行良构程序的符合标准实现，产生的可观测行为必须与同一程序、同一输入下对应抽象机实例的某一可能执行路径的可观测行为一致。但若任意执行路径包含未定义操作，本标准对该输入下执行该程序的实现无任何约束（即使对首个未定义操作之前执行的操作也无要求）。

问题 #

被定义为实现定义行为的操作是否可以存在多种可能执行结果？
考虑如下场景：某实现的float类型无法精确表示值16777217，按标准该场景下可选择相邻的16777216或16777218作为转换结果，但该实现设定规则为：该转换奇数次求值时选择更低的可表示值，偶数次求值时选择更高的可表示值，示例代码如下：

float a1 = 16777217; // 16777216
float a2 = 16777217; // 16777218
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float a<2n-1> = 16777217; // 16777216
float a<2n> = 16777217; // 16777218

更新补充场景 #

另一同类场景示例：

sizeof(int);  // 4
sizeof(int);  // 8
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sizeof(int);  // 4
sizeof(int);  // 8

即sizeof(int)奇数次求值结果均为4，偶数次求值结果均为8。上述两种场景下的实现是否属于符合C++标准的合规实现？

解答 #

这两种场景下的实现都不符合C++标准的合规要求，判断依据非常明确：

• 首先要明确实现定义行为的核心约束：标准规定实现定义的内容是抽象机的固定参数，实现必须通过公开文档明确这些参数、对应行为规则，最终定义出一个确定的抽象机实例。所谓“实现可自行选择”，指的是实现在标准划定的可选范围内选定一套固定、可复现的规则，绝非允许实现随意输出不稳定的随机结果。
• 针对sizeof(int)的场景：int是C++的基础算术类型，类型大小是类型本身的固有属性，同一类型的大小在整个程序生命周期内必须保持一致。如果奇数次求值sizeof(int)返回4、偶数次返回8，等于int类型本身的定义都处于跳变状态，根本无法构造出一个符合标准要求的确定抽象机实例，这种实现从基础逻辑上就不合规。
• 针对浮点数转换的场景：标准确实允许无法精确表示值时选择相邻的低值或高值，但这个选择规则必须是确定的。比如实现可以文档明确规定“所有这类转换一律舍入到更低的可表示值”，或者“按照当前浮点控制寄存器设置的舍入模式选择结果”，这些都是合规的实现。但如果规则是随求值次数奇偶来回跳，意味着同样的转换操作、相同的输入、相同的程序状态下没有确定结果，这种规则根本无法作为抽象机的固定参数，也满足不了“文档明确定义行为”的强制要求，自然不属于合规实现。
• 注意不要混淆实现定义行为和未定义行为的边界：实现定义是给实现划定了可选的规则范围，要求实现在范围内选定固定、可复现、文档化的行为逻辑；未定义行为才是标准不对实现做任何约束的场景。随求值次数跳变的不稳定行为，不属于实现定义行为允许的选择范畴。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者xmh0511