整数溢出

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C语言中存在两类整数算术运算:有符号运算、无符号运算。

在无符号算术运算中,没有所谓的“溢出”:所有的无符号运算都是以2的n次方为模,n是结果中的位数(char 2^8、int 2^32)。

如果算术运算符的一个操作数是有符号整数,另一个是无符号整数,那么有符号整数会被转换成无符号整数,“溢出”也不可能发生。

但是,当两个操作数都是有符号整数时,“溢出”就有可能发生,而且“溢出”的结果是未定义的。


例:假定a,b是两个非负整型变量,我们需要检查a+b是否会“溢出”,一种想当然的方式:

if ( a + b < 0) /* 溢出 */
{
    complain();
}

这并不能正常运行。当a+b发生“溢出”时,所有关于结果的假设都不可靠。在某些机器上,加法运算将设置一个内部寄存器为四种状态之一:正、负、零、溢出。在这种机器上,C编译器完全有理由这样来实现:a与b相加,然后检查内部寄存器的标志是否为“负”。当加法操作发生“溢出”时,这个内部寄存器的状态是溢出而不是,那么if语句的检查就会失败。

一种正确的方式是将a、b都强制转换为无符号整数:

if ( (unsigned)a + (unsigned)b > INT_MAX)  /* 溢出 */
{
    complain();
}
INT_MAX是一个已定义常量,代表可能的最大整数值。ANSI C标准在<limits.h>中定义INT_MAX。

不需要用到无符号算术运算的另一种方法是:

if ( a > INT_MAX - b)  /* 溢出 */
{
    complain();
}


——————————————————————————

有符号数:

符号不同的数相加肯定不会溢出;

符号相同的数相加,结果与相加的数的符号不同,则表示溢出;

### Java 中整数溢出的原因 在 Java 编程中,整数溢出是指当一个运算结果超出了目标数据类型的表示范围时所引发的现象。例如,在 `int` 类型的情况下,其取值范围是从 `-2,147,483,648 (-2^31)` 到 `2,147,483,647 (2^31 - 1)`[^1]。如果计算结果超出此范围,则会发生静默的数值回绕现象,这意味着结果会从最大值跳转至最小值或者反之。 这种行为通常会抛出任何运行时错误或警告,因此可能导致难以察觉的逻辑错误。例如,两个正整数相乘可能返回负数的情况就是典型的整数溢出示例[^2]。 ### 解决方案 #### 使用更大容量的数据类型 一种简单的解决方案是采用可以容纳更大数据值的数据类型来代替默认的 `int` 数据类型。对于大多数情况来说,可以选择使用 `long` 类型替代 `int`,因为它的取值范围更为宽广(从 `-9,223,372,036,854,775,808 (-2^63)` 至 `9,223,372,036,854,775,807 (2^63 - 1)`)。然而需要注意的是,即使使用了 `long` 类型也可能面临类似的溢出风险,只是发生可能性较小而已。 #### 应用 BigInteger 类型 为了完全规由于有限位宽度带来的潜在问题,推荐利用 Java 提供的大整数类——`BigInteger` 来执行精确无误的大规模数值操作。该类支持任意长度的整数运算,并且自动管理内部存储结构以适应断增长的需求。尽管如此,它也存在性能上的代价以及额外内存消耗等问题需要权衡考虑。 下面给出一段基于上述两种策略的实际编码例子: ```java // Example using long type to prevent overflow within reasonable limits. public class OverflowExample { public static void main(String[] args) { try { int a = Integer.MAX_VALUE; System.out.println("Integer max value is: " + a); // Using 'long' instead of 'int' long b = (long)a * a; System.out.println("Result without overflow by casting to long: " + b); } catch(Exception e){ System.err.println(e.getMessage()); } // Example with BigInteger for arbitrary precision arithmetic operations. import java.math.BigInteger; String bigIntStrA = ""+a; BigInteger bi_a = new BigInteger(bigIntStrA), bi_b = null; bi_b = bi_a.multiply(bi_a); System.out.println("Using BigInteger result: "+bi_b.toString()); } } ``` ### 总结 通过选用合适大小的数据类型或是借助于专门设计用于处理大规模数值的工具库如 `BigInteger` ,可以在很大程度上缓解甚至彻底消除由整数溢出引起的各种隐患。与此同时,遵循良好的编程实践原则也是预防此类问题的关键所在,比如提前做好充分测试、合理估计变量可能出现的最大值等措施均有助于提升软件系统的稳定性和可靠性[^4]。
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