求解AoC2020第13题的C代码经gcc -O2优化后死循环，求修复未定义行为

代码运行的优化等级差异问题 #

我编写了一段用于求解2020年Advent of Code第13题的C代码，清楚知道暴力法大概率不是最优解法，但这段程序在示例输入下可以输出正确结果，实际运行表现和编译优化等级强相关：

• 使用gcc搭配-O1参数编译时，程序可正常输出正确结果
• 更换为-O2参数编译时，程序会直接陷入死循环
• 即使编译时添加了-Wall -Wextra -pedantic参数，编译器也没有给出任何相关警告

我最初猜测存在未定义行为，问题可能和found变量始终无法被置为非0值、进而导致time变量溢出有关。为了规避溢出风险，我尝试将while循环的头部条件修改为(!found && time < 10000000000)，结果在-O2编译下程序会直接跳出循环，退出时time值为10000000003，而-O1编译下程序依然能得到正确结果。
这段代码的正确输出应为1068781，问题代码如下：

#include <stdio.h>
int main()
{
    unsigned int busses[] = {7, 0, 13, 2, 59, 1, 31, 0, 19};
    unsigned int busses_used = 9;
    unsigned int i = 0;
    unsigned int found = 0;
    unsigned long long time = 0;
    unsigned int offset = 0;
    unsigned int increment = 7;
    while (!found) {
        time += increment;
        offset = 0;
        for (i = 0; i < busses_used; i++) {
            if ((time + offset) % busses[i] == 0) {
                found = 1;
                offset++;
            } else {
                found = 0;
                break;
            }
            offset += busses[++i];
        }
    }
    printf("Endtime: %lld\n", time);
    return 0;
}

问题根因与修复 #

经过排查，代码的核心未定义行为是数组越界访问：
for循环内执行offset += busses[++i];时，当i遍历到原数组最后一个合法下标（对应值19，下标为8），自增后的i值变为9，此时访问busses[9]已经超出数组实际长度9的边界。
这类运行时越界的未定义行为，不同优化等级下会触发完全不可预期的执行流：-O1下编译器未做激进优化，碰巧让程序跑出了正确结果；-O2下编译器基于“合法C代码不会访问越界内存”的前提做优化，就会出现死循环、提前退出等异常表现，且常规编译警告参数无法提前捕获这类问题。感谢KamilCuk指出这段代码存在数组越界访问的问题，并指导定位这类问题的方法。

修复方案 #

在busses数组末尾追加一个0元素，同时将busses_used的值从9修改为10，让所有数组下标访问都落在合法边界内，即可消除未定义行为，不同优化等级下的运行结果将保持一致。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Stephan Hegemann