程序中的 fall-through 行为分析

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最近移指 dyninst 的时候，发现指令解析模块涉及到 fall-through 概念，查了些英文资料后，初步了解了这个概念。

wiki 上的解释

  • fall-through(fallthrough and fall through)

(programming) In certain programming constructs, the situation where execution passes to the next condition in a list unless explicitly redirected. （【编程】）在某些编程构造中，除非明确重定向，否则执行转移到列表中的下一个条件的情况。

1997, Bjarne Stroustrup, The C++ Programming Language: Language Libraries and Design:
It is a good idea to comment the (rare) cases in which a fall-through is intentional so that an uncommented fall-through can be assumed to be an error. 最好对故意失败的（罕见）情况进行注释，以便将未注释的失败视为错误。

2001, Graham M Seed, Barry J Cooper, An Introduction to Object-Oriented Programming in C++
If you place default elsewhere, then a break will be required to prevent fall-through. 如果您在其他地方设置了默认值，则需要中断以防止失败。

2008, Nagel et al, Professional C# 2008
Specifically, it prohibits fall-through conditions in almost all cases. 具体来说，它禁止在几乎所有情况下出现故障。

branch 指令中的体现

branch 指令包含两类：conditional 和 unconditional，分支指令中的指令流执行路径可分为两种：

  • target path：指的是将要跳转的位置，例如 C 中 goto 跳转的标签。

  • fall-through path：指的是紧跟分支指令之后的指令。

如下图所示，从 C 语言角度来看，当条件满足 a 等于 b 的时候，就会跳转到 target address，不满足则进入到 fall through address；从汇编角度来看，当判断条件寄存器 cr0 表示相等时，就跳转到 target address，不相等时则执行紧跟分支指令的下一条指令，即正常的 pc+4；

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switch 语句中的体现

fall-through 行为的示例

示例：

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int result = 5;
switch (result) {
  case 1:
    printf("The result is 1\n");
    break;
  case 5:
    printf("The result is 5\n");
    break;
  case 10:
    printf("The result is 10\n");
    break;
  default:
    printf("The result does not exist.\n");
}

毫无疑问，上述代码块执行结果是：The result is 5，但如果删掉每条 case 里的 break 语句后，结果就不可控了，代码如下：

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int result = 5;
switch (result) {
  case 1:
    printf("The result is 1\n");
  case 5:
    printf("The result is 5\n");
  case 10:
    printf("The result is 10\n");
  default:
    printf("The result does not exist.\n");
}

Case 5, case 10 和 default case 都会被执行，这就是 switch 语句中的 fall-through 行为表现。

fall-through 行为的好处

这里的 fall-through 行为看上去好像 bug，但事实上并不是，该行为也是有用处的，常用来分类一些相关联的 cases，例如下面代码：

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int result = 10;
switch (result) {
  case 1:
    printf("The result is less than 10\n");
    break;
  case 2:
    printf("The result is less than 10\n");
    break;
  case 5:
    printf("The result is less than 10\n");
    break;
  case 10:
    printf("The result is 10\n");
    break;
  default:
    printf("The result does not exist.\n");
}

当 result 为 10 时，进入 case 10，打印：The result is 10。
当 result 为 1 时，进入 case 1，打印：The result is less than 10。
当 result 为 2 时，进入 case 2，打印：The result is less than 10。
当 result 为 5 时，进入 case 5，打印：The result is less than 10。

可以看出，后面三种情况是有关联的，并且打印内容是一样的，因此可以删掉 break，通过 fall-through 行为来归类相关联的 cases，这便是该行为的好处。修改后代码如下：

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int result = 10;
switch (result) {
  case 1:
  case 2:
  case 5:
    printf("The result is less than 10\n");
    break;
  case 10:
    printf("The result is 10\n");
    break;
  default:
    printf("The result does not exist.\n");
}