C言語において最適化オプションの有無で配列の出力結果が異なる

Question

実現したいこと

最適化オプションの有無に関わらず同じ結果を出力させたい

起こっていること

C言語で画素値を読み込んで配列に格納するプログラムを組んだのですが、最適化オプションを付けた時とつけなかった時で以下のソースコードの62行目の出力が異なります。

期待する動作はimg[0]、すなわちimgという配列に格納した先頭の数値がprintfで出力されることです。
しかし、実際には最適化オプションの有無で以下のように結果が異なります。

最適化オプションあり(下1行目)：配列の先頭に格納された値が出力される(下記データ群の画素値の最初の値である50が出力される)
最適化オプションなし(下2行目)：配列の末尾に格納された値が出力される(下記データ群の画素値の最初の値である90が出力される)

指定したgccのオプションは以下です。

gcc sample.c -O -Wall...最適化あり
gcc sample.c -Wall...最適化なし

該当のソースコード

#include <stdio.h>
#include <stdbool.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>


#define HEIGHT 256
#define WIDTH 256


//do not support comments in the header section.
bool is_correct_PNM_style(FILE *fp, char *magic_number, int *width, int *height, int *max_intensity);
void load_gray_img(FILE *fp, unsigned char img[]);

int main(int argc, char *argv[]){
  char *file_name = argv[1];
  char magic_number[2];
  int height, width;
  int max_intensity;
  unsigned char img[HEIGHT * WIDTH];//for P2,P5
  unsigned char dst_img[HEIGHT * WIDTH];//for P2,P5
  unsigned char color_img[HEIGHT * WIDTH * 3];//for P3,P6
  unsigned char dst_color_img[HEIGHT * WIDTH * 3];//for P3,P6
  FILE *fp;
  errno_t error;
  bool correct_PNM_style = false;  //if the format of PNM is correct, this is true.


  if(argc != 2){
    printf("Usage: %s <file_name>\n", argv[0]);
    exit(1);
  }

  error = fopen_s(&fp, file_name, "rb");

  if(error != 0){
    printf("Could not open %s.\n", argv[1]);
    fclose(fp);
    exit(1);
  }

  correct_PNM_style = is_correct_PNM_style(fp, magic_number, &width, &height, &max_intensity);

  if(correct_PNM_style == false){
    printf("Check PNM style.\n");
    fclose(fp);
    exit(1);
  }

  load_gray_img(fp, img);
  fclose(fp);
}

void load_gray_img(FILE *fp, unsigned char img[]){
  unsigned char pixel_value = 255;
  int i = 0;
  
  for(i = 0; i < HEIGHT * WIDTH; i++){
    fscanf_s(fp, "%hhu", &pixel_value);
    img[i] = pixel_value;
  }
  printf("%d\n", img[0]);
}

試したこと

配列のサイズとプログラムが小さい場合（格納するだけ）に配列の先頭の値を出力することを確認した。
for文内で用意されるpixel_valueの値が正しいことを確認した。
ここで正しいとはマジックナンバーがP2であるpgmファイルの画素値と上記の59行目でpixel_valueに格納される値が一致していることを指す。
なお、画素値とは下記の4行目以降の数値群を指す。

P2
256 256
255
50 46 49 52 52 58 55 57 50 49 44 43 43 44 38 39 40 ...
11 13 12 13 15 13 17 26 31 29 32 44 53 67 90 

環境

Windows 10 Pro
gcc (tdm64-1) 10.3.0

Comments

[jimbe]

どのような OS / C 言語系でどのようなオプションを指定して/しないで発生しているのでしょうか。

[y_waiwai]

その実行結果にどういう不具合があって、それをどうしたいというはなしなんでしょうか。
問題が見えません

[thkana]

現象自体や試したことについて
・「xxと同じ」「期待通り」「正しい」というようなあなたの判断結果だけではなく、そのように判断するに至った具体的な(実際に観察した)データを示してください。
・他人が「全く同じこと」を試せるだけの情報を提示してください。コンパイラは何、コンパイルオプションは何、関数の呼び出しが適切なのか、また与えた入力ファイルはどんなものなのか等々。
問題を解決できないでいるあなたが削ってしまった情報が実は必要なものである、というケースは十分に考えられます。

[shupira]

jimbe様
C言語系の系が理解できませんでしたがgccのバージョンと解釈して記載しました。

y_waiwai様
期待する動作を書いてみましたご確認ください。

thkana様
判断基準を実データの一部とともに記述しました
「全く同じこと」を試していただきたいのですがどうも65000程のデータはさすがに省略させていただきました。
データ自体は授業で提供されたものであるため適当な256*250サイズのグレー画像について実験していただければと思います。

[jimbe]

load_gray_img 関数の引数があっていないようです。

[shupira]

jimbe様
失礼いたしました。
修正いたしました。

[int32_t]

load_gray_img() に渡している src_gray_img がどこにも宣言されていません。

[shupira]

int32_t様
度々申し訳ございません。
ブラウザバックからの修正は反映されないのですね。
再度修正いたしました。

[otn]

コンパイルが通らないコードなので、このコードについてコメントできず、一般論ですが、バグのあるプログラムだと最適化で結果が変わり得ます。
「最適化オプションで結果が変わる」という認識を一旦捨てて、「プログラムにバグがある」という観点でデバッグすると良いかと思います。

Answer 1

gcc (tdm64-1) 10.3.0

TDM ということは、たしか fscanf_s() の実装は MSVCRT ですよね。古い MSVCRT だと %hhu に対応してなくて %u と解釈されるそうです。 その場合、&pixel_value は unsigned int へのポインタと解釈されて、pixel_value 付近のスタックを破壊します。

fscanf_s() の結果を unsigned int で受け取るといいかもしれません。

    unsigned int pixel_value;
    fscanf_s(fp, "%u", &pixel_value);

Comments

[shupira]

無事期待する動作を導き出せました！

Answer 2

配列のサイズとプログラムが小さい場合（格納するだけ）に期待通りの動きをすることを確認した。

1つ考えられる可能性として、渡す配列が正しく取られていない、ということがありえます。スタックに取られる自動変数は容量が限られますので、スタックを食いつぶすほどの容量を配列で使ってしまうと正しい動作をしません。

……というように、呼ぶ側の問題も考えられますので、mainまで書いて再現できるコードとしてご提示いただいたほうが、検証もやりやすいです。