1-6 未初始化的变量与未定义行为

未初始化的变量

与某些编程语言不同，C/C++不会自动将大多数变量初始化为特定值（如零）。当未初始化的变量被分配内存地址用于存储数据时，该变量的默认值就是该内存地址中原本存在的任意（垃圾）值！未通过初始化或赋值获得已知值的变量称为未初始化变量uninitialized variable。

术语说明
许多读者认为“初始化”与“未初始化”是严格的对立概念，但事实并非如此！在通用语境中，“初始化”指对象在定义时被赋予了初始值；“未初始化”则表示对象尚未获得已知值（通过任何方式，包括赋值操作）。因此，未初始化但随后被赋值的对象不再属于未初始化状态（因其已获得已知值）。
总结如下：

• 初始化 = 对象在定义点被赋予已知值
• 赋值 = 对象在定义点之后被赋予已知值
• 未初始化 = 对象尚未获得已知值
  相关概念：请看以下变量定义：

int x;

在第1.4课——变量赋值与初始化中，我们提到当未提供初始化表达式时，变量将进行默认初始化。在大多数情况下（如本例），默认初始化实际上并未执行任何初始化操作。因此我们说x是未初始化的。我们关注的是结果（对象未被赋予已知值），而非过程本身。

顺带一提……：
这种不初始化的做法是继承自C语言的性能优化策略，源于计算机运行缓慢的年代。试想当你需要从文件中读取10万个值时，若先创建10万个变量再填入数据，将导致10万次初始化操作（效率低下），且实际收益甚微（毕竟这些值最终都会被覆盖）。

若C++在创建时为所有变量赋默认值，将导致10万次初始化操作（效率低下），且收益甚微（毕竟这些值最终会被覆盖）。

目前你应当始终初始化变量，因为其开销相较收益微乎其微。待你更熟悉语言特性后，某些场景下可为优化目的省略初始化操作，但此类操作必须经过审慎选择且出于明确目的。

使用未初始化变量的值可能会导致意外结果。请看以下简短程序：

#include <iostream>

int main()
{
    // define an integer variable named x
    int x; // this variable is uninitialized because we haven't given it a value

    // print the value of x to the screen
    std::cout << x << '\n'; // who knows what we'll get, because x is uninitialized

    return 0;
}

在这种情况下，计算机将为变量x分配一段未使用的内存。随后，它会将该内存位置中的值发送给std::cout，后者将打印该值（被解释为整数）。但它会输出什么值？答案是“谁知道呢！”，且每次运行程序时结果可能（也可能不会）改变。作者在Visual Studio中运行此程序时，std::cout一次输出7177728，下次又输出5277592。欢迎自行编译运行程序（你的电脑不会爆炸）。

警告:
当您使用调试构建配置时，某些编译器（例如 Visual Studio）会将内存内容初始化为某个预设值。使用发布构建配置时不会发生这种情况。因此，如果您想自己运行上述程序，请确保您使用的是发布构建配置（请参阅课程 0.9 - 配置编译器：构建配置以提醒如何执行此操作）。

例如，如果在 Visual Studio 调试配置中运行上述程序，它将始终打印 -858993460，因为这是 Visual Studio 在调试配置中初始化内存的值（解释为整数）。

这里按照0.9的配置，将报错等级提升之后，过于严格不能通过编译，所以我自己的编辑器vim搭配异步插件使用clang++ main.cpp -o main暂时降低等级来构建，运行，演示其效果。

大多数现代编译器会尝试检测变量是否在未赋值的情况下被使用。若能检测到此类情况，通常会在编译时发出警告或报错。例如，在Visual Studio中编译上述程序时，会产生以下警告：

c:\VCprojects\test\test.cpp(11) : warning C4700: uninitialized local variable 'x' used

如果您的编译器无法编译并运行上述程序（例如因将其视为错误），以下提供一种可能的解决方法：

#include <iostream>

void doNothing(int&) // Don't worry about what & is for now, we're just using it to trick the compiler into thinking variable x is used
{
}

int main()
{
    // define an integer variable named x
    int x; // this variable is uninitialized

    doNothing(x); // make the compiler think we're assigning a value to this variable

    // print the value of x to the screen (who knows what we'll get, because x is uninitialized)
    std::cout << x << '\n';

    return 0;
}

使用未初始化的变量是新手程序员最常犯的错误之一，不幸的是，这也可能是最难调试的错误之一（因为如果未初始化的变量恰好被分配到内存中已有合理值的位置，比如0，程序仍可能正常运行）。

这正是“始终初始化变量”这一最佳实践的主要原因。

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未定义行为

使用未初始化变量的值是我们遇到的首个未定义行为示例。未定义行为Undefined behavior（常简写为UB）是指执行C++语言未明确定义其行为的代码所导致的结果。在此情况下，C++语言并未规定当使用未赋予已知值的变量时会发生什么。因此，若实际执行此操作，将导致未定义行为。
实现未定义行为的代码可能表现出以下任一症状：

• 程序每次运行结果不一致
• 程序始终产生相同的错误结果
• 程序行为不稳定（时而正确时而错误）
• 程序看似正常运行，但在后续阶段产生错误结果。
• 程序立即或延迟崩溃。
• 程序在某些编译器上运行正常，在其他编译器上却失败。
• 程序运行正常直至修改其他看似无关的代码。

或者，您的代码可能始终产生正确行为。

作者注：
未定义行为就像一盒巧克力。你永远不知道会得到什么！

C++中存在许多情况，若处理不当可能导致未定义行为。在后续课程中遇到这些情况时，我们将逐一指出。请务必留意这些情况的具体位置，并确保避免它们的发生。

规则
务必避免所有导致未定义行为的情况，例如使用未初始化的变量。

作者注
读者最常提出的质疑之一是：“你说不能做X操作，但我照做了程序却正常运行！为什么？”

对此有两种常见解释。最普遍的解释是：你的程序实际上正表现出未定义行为，只是这种行为恰好产生了你期望的结果——至少目前如此。明天（或在其他编译器/机器上）情况可能截然不同。

另一种情况是，当语言规范要求过于严格时，编译器作者有时会自行放宽限制。例如标准规定“必须先执行X再执行Y”，但编译器作者可能认为此要求多余，从而允许在未执行X的情况下仍能运行Y。这通常不影响正确编写的程序，但可能导致错误程序意外运行。因此上述问题的另一种解释是：你的编译器可能根本未遵循标准规范！这种情况确实存在。通过确保关闭编译器扩展功能（详见第0.10课 配置编译器：编译器扩展），可避免多数此类问题。

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实现定义的行为与未指定的行为

特定编译器及其配套的标准库被称为实现implementation（因为它们实际实现了C++语言）。在某些情况下，C++语言标准允许实现决定语言某些方面的行为方式，以便编译器能为特定平台选择高效的行为方案。由实现定义的行为称为实现定义的行为implementation-defined behavior。实现定义的行为必须有明确文档记录，且在特定实现中保持一致。

下面通过一个简单示例说明实现定义的行为：

#include <iostream>

int main()
{
	std::cout << sizeof(int) << '\n'; // print how many bytes of memory an int value takes

	return 0;
}

在大多数平台上，这将产生4，但在其他平台上可能产生2。

相关内容:
我们在第4.3课——对象大小与sizeof运算符中讨论了sizeof()。

未指定行为与实现定义行为几乎相同，即行为由实现自行定义，但实现方无需记录该行为。

我们通常应避免出现实现定义行为和未指定行为，因为这意味着程序在不同编译器上编译时可能无法按预期运行（即使在同一编译器上，若更改影响实现行为的项目设置也可能导致问题！）

最佳实践
尽可能避免实现定义行为和未指定行为，它们可能导致程序在其他实现环境中运行异常。

相关内容
我们在第6.1课——运算符优先级与结合性中展示了未指定行为的示例。

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测验时间

问题 #1

什么是未初始化的变量？为什么应该避免使用它们？

显示解答

未初始化的变量是指程序尚未为其赋值的变量（通常通过初始化或赋值操作实现）。使用未初始化变量中存储的值将导致未定义行为。

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问题 #2

什么是未定义行为？如果执行了导致未定义行为的操作，可能发生什么情况？

显示解答

未定义行为是指执行语言未明确定义其行为的代码所导致的结果。该结果可能呈现出几乎任何状态，包括行为正确的状态。