代码质量与安全 | MISRA C++:2023® 新标准:如何安全使用基于范围的for循环

MISRA C++:2023——MISRA® C++ 标准的下一个版本来了!为了帮助您了解 MISRA C++:2023相比于之前版本的变化,我们将继续为您带来Perforce首席技术支持工程师Frank van den Beuken博士的博客系列,本期为第三篇。

在前两篇系列文章中,我们向您介绍了新的MISRA C++ 标准 C++简史。本文,我们将仔细研究C++中以for循环为中心的特定规则。

什么是MISRA C++:2023规则9.5.2,为什么它很重要?

MISRA C++:2023 引入了规则 9.5.2 “for-range 初始值设定项最多应包含一个函数调用”,以避免在基于范围的for语句的 for-range初始值设定项创建临时对象时可能发生的未定义行为。

要了解为什么会发生这种情况,让我们仔细看看基于C++范围的for循环。

C++中基于范围的for循环是什么?

在编程中,循环用于重复代码块。当您知道要循环访问代码块的次数时,可以使用for循环。

C++基于范围的for循环是在C++ 11中引入的,作为容器迭代的简洁表示法。

传统的for循环起源于C语言,具有可选的循环初始化,然后是循环条件,最后是循环增量表达式。

传统for循环可用于迭代容器,如下所示:

				
					std::vector v = { "Example", "vector", "of", "strings" }; 
for ( auto &&i = v.begin(); i != v.end(); ++i ) { 
  std::cout << *i << “ “; 
} 
std::cout << std::endl;
				
			

使用基于范围的for循环,迭代器的使用是隐式的:

				
					for ( auto &&s: v ) { 
  std::cout << s << “ “; 
}
				
			

对于同一循环,这是一个更为简单的表示法。C++语言标准规定,它是以下语言的缩写:

				
					{ 
  auto && __range = v; 
  auto __begin = __range; 
  auto __end = v.end(); 
 
  for (; __begin != __end; ++__begin) { 
    auto &&s = *__begin; 
    std::cout << s << “ “; 
  } 
}
				
			

但是,此表示法存在局限性。在上面的示例中,__range 是用 v 初始化的,这是一个更简单的变量,但也可以使用为其创建多个临时对象的复杂表达式。

让我们考虑使用一个函数,该函数返回字符串的向量,并具有:

  • 一个循环,输出以空格分隔的字符串,如上所述

  • 打印第一个字符串的字母的第二个循环,用空格分隔:

				
					std::vector<std::string> createStrings() { 
  return { "Example”, "vector", "of", "strings" }; 
} 
int main() { 
  for ( auto w: createStrings() ) { std::cout << w << " "; } 
  std::cout << std::endl; 
  for ( auto c: createStrings()[0] ) { std::cout << c << " "; } 
  std::cout << std::endl; 
}
				
			

如果我们执行此操作,第一个循环将按预期运行,但第二个循环却调用了未定义的行为。 问题是 createStrings()[0] 有两个函数调用。最里面的调用是对 createStrings 的调用,最外层的调用是对索引运算符 [] 的调用。

出现未定义行为的原因是,“createStrings”返回的临时对象被用作“operator[]”调用的参数,因此,根据C++ 的规则,临时对象不会延长其生命周期。

MISRA C++:2023规则9.5.2 如何防范未定义行为

MISRA C++:2023规则 9.5.2 旨在防止这种情况。MISRA C++:2023引入了规则 9.5.2,该规则要求 for-range-initializer 应最多包含一个函数调用。

它还建议通过在range-for循环之前的单独声明中执行内部函数调用来解决此问题。例如:

				
					auto strings = createStrings(); 
for ( auto c: strings[0] ) { std::cout << c << " "; }
				
			

现在,初始值设定项中只有一个函数调用,因此生命周期扩展就能达到预期效果,并且行为已完全定义。 

请注意,此问题已在C++23 中得到解决,其中初始值设定项的所有临时值的生命周期都扩展到整个for语句。 

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作者简介:

Frank van den Beuken,首席技术支持工程师
作为技术支持专家,Frank 在集成 Perforce 静态源代码分析解决方案方面拥有超过 20 年的经验,可在客户软件开发环境中进行软件质量控制。近年来,他专注于为各种编译器配置静态分析。他还提供代码质量培训和咨询。Frank 在奈梅亨大学获得数学和计算机科学博士学位,研究系统规范语言。

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