Почему знаковое переполнение это UB?

Потому что оптимизация.

В си и плюсах довольно агрессивная оптимизация, касающаяся арифметики над целыми числами, а необходимость обрабатывать ситуации с переполнением её напрочь убивает, так что никуда они не уберут UB.

Потому что в противном случае затрудняются оптимизации. Рассмотрим, к примеру, такие формулы:

x > y + 2
x - 2 > y

Математика нам говорит, что эти формулы эквивалентны. Но если разрешить знаковое переполнение - они эквивалентными быть перестанут!

До C++20 стандарт языка допускал три способа для представления знаковых целых чисел:

• Signed magnitude
• Ones' complement
• Two’s complement

Начиная с C++20 для представления целых чисел может использоваться только two’s complement. Автором этого изменения является некто Jean François Bastien (e-mail: [email protected]). Предлагаемые изменения в конкретных пунктах стандарта языка, мотивацию и обсуждения изменений вы можете найти в документе P0907R4.

Помимо всего прочего, товарищ JF Bastien предлагал в случае переполнения знакового целого при выполнении арифметических операций усекать результат по правилам модулярной арифметики (т.е. поступать также как и для беззнаковых величин). Но встретил сильное сопротивление со стороны комитета по стандартизации:

This paper proposes the following:
...

• Status-quo If a signed operation would naturally produce a value that is not within the range of the result type, the behavior is undefined. The author had hoped to make this well-defined as wrapping (the operations produce the same value bits as for the corresponding unsigned type), but WG21 had strong resistance against this.

Основные возражения комитета таковы:

• Проблемы производительности. Оптимизатор не сможет предполагать, что переполнение никогда не происходит, и выполнять оптимизации, вытекающие из этого предположения.
• Возникают сложности при реализации таких штук как санитайзеры.
• Google считает, что 90% всех переполнений является багом, поэтому модулярная арифметика для знаковых целых не нужна.

Вопрос на stackoverflow.com с примерами оптимизаций, когда оптимизатор считает, что переполнения при знаковой арифметике не возможны: Is there some meaningful statistical data to justify keeping signed integer arithmetic overflow undefined?