C 中的整数溢出：标准和编译器

Question

感谢 Carl Norum 的帮助，进行了编辑以包含正确的标准参考。

C 标准声明

如果在计算表达式期间发生异常情况（即，如果结果未在数学上定义或不在其类型的可表示值范围内），则行为未定义。

是否有编译器开关可以保证整数溢出时的某些行为？我想避免鼻恶魔。特别是，我想强制编译器在溢出时换行。

为了唯一起见，我们将标准设为C99，编译器设为gcc。但我对其他编译器（icc、cl）和其他标准（C1x、C89）的答案感兴趣。事实上，只是为了惹恼 C/C++ 人群，我什至希望得到 C++0x、C++03 和 C++98 的答案。

注：国际标准 ISO/IEC 10967-1 可能与此相关，但据我所知，它仅在资料性附件中提及。

Answer 1

看看 -ftrapv和<代码>-fwrapv：

-ftrapv

此选项生成加法、减法、乘法运算有符号溢出的陷阱。

-fwrapv

此选项指示编译器假设加法、减法和乘法的有符号算术溢出使用二进制补码表示进行回绕。该标志启用一些优化并禁用其他优化。根据 Java 语言规范的要求，Java 前端默认启用此选项。

Answer 2

对于您的 C99 答案，我认为 6.5 表达式，第 5 段就是您要寻找的内容：

如果在计算表达式期间发生异常情况（即，如果结果未在数学上定义或不在其类型的可表示值范围内），则行为未定义。

这意味着如果你遇到溢出，那么你就不走运了——不保证任何类型的行为。无符号类型是一种特殊情况，并且永远不会溢出（6.2.5 类型，第 9 段）：

涉及无符号操作数的计算永远不会溢出，因为无法由结果无符号整数类型表示的结果会以比结果类型可以表示的最大值大一的数为模进行缩减。

C++ 有相同的语句，但措辞略有不同：

• 5 个表达式，第 4 段：

  <块引用>

  如果在计算表达式期间，结果未在数学上定义或不在其类型的可表示值范围内，则行为未定义。 [注意：大多数现有的 C++ 实现都会忽略整数溢出。除以零的处理、使用零除数形成余数以及所有浮点异常因机器而异，并且通常可以通过库函数进行调整。 —尾注]

• 3.9.1 基本类型，第 4 段：

  <块引用>

  无符号整数，声明为unsigned，应遵循算术模 2^n 的法则，其中 n 是值中的位数该特定大小的整数的表示。

Answer 3

在 C99 中，一般行为在 6.5/5 中描述

如果发生异常情况
在计算表达式时
（也就是说，如果结果不是
数学定义或不在
其可表示值的范围
类型），行为未定义。

无符号类型的行为在 6.2.5/9 中描述，它基本上指出对无符号类型的操作永远不会导致异常情况

涉及无符号的计算
操作数永远不会溢出，因为
无法表示的结果
结果无符号整数类型是
对 1 进行模减
大于最大值
可以用结果表示
类型。

GCC 编译器有一个特殊选项 -ftrapv，旨在捕获有符号整数运算的运行时溢出。

Answer 4

为了完整起见，我想补充一点，Clang 现在有“检查算术内置函数”作为语言扩展。以下是使用检查无符号乘法的示例：

unsigned x, y, result;
...
if (__builtin_umul_overflow(x, y, &result)) {
    /* overflow occured */
    ...
}
...

http://clang.llvm。 org/docs/LanguageExtensions.html#checked-arithmetic-builtins

Answer 5

之前的帖子都评论了C99标准，但实际上这个保证很早就有了。

第 6.1.2.5 节类型第 5 段规定

C89 标准

涉及无符号操作数的计算永远不会溢出，
因为结果无法用结果无符号表示
整数类型以大于 1 的数字为模进行缩减
生成的无符号整数类型可以表示的最大值。

请注意，这允许 C 程序员将所有无符号除法替换为某个常量，然后用 C 的模 2^N 区间算术形成的环的逆元素的乘法来替换。

并且这可以在没有任何“校正”的情况下完成，因为需要通过与倒数值的定点乘法来近似除法。

相反，可以使用扩展欧几里得算法来查找逆元素并将其用作乘数。 （当然，为了保持可移植性，还应该应用按位 AND 运算，以确保结果具有相同的位宽度。）

可能值得评论的是，大多数 C 编译器已经将其实现为优化。然而，此类优化并不能得到保证，因此，在速度很重要但 C 优化器的功能未知或特别弱的情况下，程序员可能仍然会感兴趣手动执行此类优化。

最后一点，尝试这样做的原因是：用于乘法的机器级指令通常比用于除法的指令快得多，尤其是在高性能 CPU 上。

Answer 6

6.2.5 第 9 段是您要查找的内容：

有符号整数类型的非负值范围是
对应的无符号整数类型，并且每个中相同值的表示
类型是相同的。31）涉及无符号操作数的计算永远不会溢出，
因为无法用结果无符号整数类型表示的结果是
减少对比最大值大 1 的数取模
由结果类型表示。

Answer 7

我不确定是否有任何编译器开关可以用来强制 C/C++ 中的溢出行为一致。另一种选择是使用 SafeInt 模板。它是一个跨平台 C++ 模板，可为所有类型的整数运算提供明确的上溢/下溢检查。

• http://safeint.codeplex.com/