二进制整数运算是否有可能导致溢出并覆盖相邻内存？

Question

这个问题与我目前看到的任何错误无关，更多的是关于理论以及对硬件架构设计和实现的变化的了解。

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Scenario 1: Assuming a 16-bit processor with 16-bit registers, 16-bit addressing, and sizeof(int) = 16 bits:

unsigned int a, b, c, d;
a=0xFFFF;
b=0xFFFF;
c=a+b;

c 旁边的内存位置是否有可能被覆盖？
（在这种情况下，我希望在 add 操作期间会引发溢出标志，并且 c 要么保持不变，要么填充未定义的数据。）

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Scenario 2: Assuming a 32-bit processor with 32-bit registers, 32-bit addressing, sizeof(int) = 32 bits, and sizeof(short int)=16 bits:

unsigned int a, b;
unsigned short int c, d;
a=0xFFFF;
b=0xFFFF;
c=a+b;

c 旁边的内存位置是否有可能被覆盖？
（我希望在添加操作期间不会引发溢出标志，但是在赋值操作期间是否引发内存访问或溢出标志将取决于硬件的实际设计和实现。如果 d 位于同一 32 位地址位置的高 16 位（对于 32 位寻址可能甚至不可能），它可能会被覆盖。）

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Scenario 3: Assuming a 32-bit processor with 32-bit registers, 16-bit addressing, sizeof(int) = 32 bits, and sizeof(short int)=16 bits:

unsigned int a, b;
unsigned short int c, d;
a=0xFFFF;
b=0xFFFF;
c=a+b;

c 旁边的内存位置是否有可能被覆盖？
（我希望在类型转换和赋值操作期间引发一些溢出标志或内存违规标志。）

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Scenario 4: Assuming a 32-bit processor with 32-bit registers, 32-bit addressing, and sizeof(int) = 32 bits:

unsigned int a, b;
struct {
    unsigned int c:16;
    unsigned int d:16;
} e;
a=0xFFFF;
b=0xFFFF;
e.c=a+b;

c 旁边的内存位置，即 d 是否有可能被覆盖？ （在这种情况下，由于 c 和 d 预计驻留在同一 32 位地址中，并且从技术上讲两者都是 32 位整数，因此可以想象没有溢出标志在添加或赋值期间引发，d 可能会受到影响。）

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I have not tried to test this on actual hardware because my question is more about theory and possible variations in design and implementation. Any insight would be appreciated.

• 二进制整数运算是否有可能导致溢出并覆盖相邻内存？
• 目前是否有任何硬件实现遇到类似的内存覆盖问题，或者过去是否有系统存在此问题？
• 典型的处理器使用哪些设备来防止相邻内存被算术和赋值操作覆盖？

Answer 1

1、2、3、4 中的任何一个都不会导致任何内存损坏，或者写入“过去”正在执行算术的整数位置的存储。 C 指定了无符号整数溢出时应该发生的情况。这是假设编译器生成了它应该生成的代码。对于生成将 4 个字节复制到 2 个字节变量的代码的有缺陷的编译器，没有什么可以保护您。

C99 (6.2.5) 是这样说的：

“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。”

因此，当您尝试“溢出”无符号整数时会发生什么是明确定义的。

现在，如果您的整数是有符号整数，那就是另一回事了。根据 C，溢出有符号整数导致未定义的行为。而未定义的行为意味着任何事情都可能发生，包括内存损坏，但我还没有看到任何与整数溢出相关的 C 编译器。

典型的处理器使用哪些设备来防止相邻内存被算术和赋值操作覆盖？

对于分配和算术运算而言，没有针对相邻内存的防护措施。处理器只是执行给它的机器代码指令（如果这些指令覆盖了内存，那么它不应该按照高级语言所表达的那样执行，处理器并不关心）。

在稍微不同的级别，如果 CPU 无法执行以下操作，它可能会发出 陷阱操作（例如指定不存在的内存位置的操作），或尝试执行某些非法操作（例如除以零，或遇到处理器不理解的操作码，或尝试对数据进行未对齐的访问）。

Answer 2

加法运算是在处理器内部处理的，所以无论你做什么，加法运算都将在 CPU 内部完成（更准确地说是在 ALU 中）
如果发生溢出，将设置溢出寄存器，结果仍将位于寄存器中，然后复制回内存位置，而不会损坏相邻内存。
这就是代码（某种程度上）在 asm 中的翻译方式：

mov ax, ptr [memory location of a]
mov bx, ptr [memory location of b]
add ax,bx
mov ptr [memory location of c], ax

如您所见，无论是否发生溢出，c 都只会保存 ax 中的内容（其大小已知且固定）

Answer 3

在 C 中，无符号类型的溢出行为是明确定义的。任何溢出导致任何与标准预测不同的结果的实现都是不合规的。

有符号类型的溢出行为未定义。虽然溢出最常见的影响要么是分配一些错误的值，要么是彻底崩溃，但 C 标准中没有任何内容保证处理器不会以编译代码尝试恢复的方式触发溢出错误，但由于某种原因，它会破坏堆栈变量或寄存器的内容。溢出也有可能导致标志以代码不期望的方式设置，并且这样的标志可能会导致未来计算的错误行为。

对于发生溢出时发生的情况，其他语言可能有不同的语义。

注意：我见过在溢出时陷入困境的处理器，与外部中断同时发生的意外陷阱可能导致数据损坏的处理器，以及意外的无符号溢出可能导致后续计算关闭一的处理器。我不知道有符号溢出会在哪里锁存一个会干扰后续计算的标志，但有些 DSP 有有趣的溢出行为，所以如果存在这种行为，我不会感到惊讶。