関数の戻り値が符号拡張されてしまう

Question

よろしくお願いいたします。

godbolt.orgというサイトを知り、
いろいろなコンパイラがあるのだなと、興味深く操作していたところ、
コンパイラによって、結果が異なる現象を確認しました。→ 結果A/結果B

このような動作になるのは正しいのでしょうか？
何が起きているのか、興味があります。
同様の興味を抱いていただきありがとうございます。

#include <stdint.h>
uint64_t u32UL(void)
{
    uint32_t u32 = 0x80000000u;
    return ((u32));
    //return ((uint64_t)(u32));
    //return ((uint64_t)(uint32_t)(u32));

    // 結果A: [phone] =         0x80000000 (期待する戻り値)
    // 結果B: -2147483648 = 0xFFFFFFFF80000000
}

参考リンク https://godbolt.org/z/K4bKjnEaq

Comments

[otn]

確認方法が書いてないので、なんとも言いがたいですが、
u32UL()==0xFFFFFFFF80000000
が真になるかどうかで確認したと言うことですか？

[kanedayo]

コメントありがとうございます。

参考リンク先で、先のコードを実行して確認しました。
同じコードでも、異なる定数を返すバイナリが生成されました。
実際に「u32UL()==0xFFFFFFFF80000000」を実行して確認したわけではございません。

実際に実行しても、そうなるようにしか思えないのですが、
期待する動作は「u32UL()==0x80000000」なので、
理由は分からないのですが、何かしらのカラクリがあるのだろう予感しています。

Answer 1

参考リンク先で、先のコードを実行して確認しました。

同じコードでも、異なる定数を返すバイナリが生成されました。
実際に「u32UL()==0xFFFFFFFF80000000」を実行して確認したわけではございません。

なるほど。実行して確認しておらず、コンパイル結果のアセンブラコードを見たということですね。
（面白いサイトですね）
armアーキテクチャを知らないので、w0 と x0 についてググってみると、x0 が64bitレジスタで、w0 がその下位32bitのようです。
で、w0に値をロードするとx0の上位32bitはクリアされるようです。

ということで、mov w0, #-2147483648とmov x0, 2147483648は同じ結果と思われます。
0x80000000を32bit整数表現したら負号が付いたんでしょう。

Comments

[kanedayo]

再度コメントいただきありがとうございます。

数ある変数の中のひとつとしか見ていませんでしたが、
w0 と x0 にこそ 重要な意味があることに 気付くことが出来ました。

コンパイラがレジスタの副作用(?)を活用している場面に立ち会えて、感動しました。
お付き合いいただき、ありがとうございました。

C言語としては、unsigned宣言しているので、本来なら符号拡張ではなく、0ビット拡張されて欲しいところです。これもまた、コンパイラがどちらでも結果が同じだとわかっているからだと、理解しました。

Answer 2

64bit armでは、w0レジスタは64bitレジスタx0の下位32bitで、w0に書けば上位はゼロ拡張されるんだから、mov w0,-2147483648は結局x0=0x8000’0000になる。結局は同じ意味のコード。
When a W register is written,…,the top 32 bits of the 64-bit register are zeroed.

Comments

[kanedayo]

お返事遅くなり申し訳ございません。
リンク先の挿絵付きの説明がわかりやすかったです。
アセンブリコードを読むときは、コード中の値だけではなく、
格納されている変数の仕様にも注意が必要だと理解できました。
ありがとうございました。

※頂いたリンクがたどれない場合があったので、こちらでも再掲します。
https://developer.arm.com/documentation/102374/0101/Registers-in-AArch64---general-purpose-registers

[kanedayo]

頂いたリンク先を眺めていると、
変数名だけでけではなく、LDR命令のオプション(?)にも、
類似のカラクリがあることを知りました。

重ねてありがとうございました。

Zero and sign extension
LDRB/LDRSB
https://developer.arm.com/documentation/102374/0101/Loads-and-stores---zero-and-sign-extension

Answer 3

そういう挙動は正しくない、ですが、往々にして制限事項としてコンパイラのマニュアルに載ってたりしますね

Comments

[kanedayo]

コメントいただきありがとうございます。

本当に不思議な現象です。
C言語としては、unsigned宣言しているので、64ビットに拡張するならば、
符号拡張ではなく、0ビット拡張されて欲しいとこです。

素直に、32bit定数として扱うか、
64bitに符号拡張して、最後に32bit変数に格納することで帳尻をとるか、
コンパイラにも独特のクセがあることを知ることが出来ました。

ありがとうございます。