没有有用且可靠的方法来检测 C/C++ 中的整数溢出？

Question

不，这不是如何检测整数溢出的重复？。问题是相同的，但问题不同。

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gcc 编译器可以优化溢出检查（使用 -O2），例如：

int a, b;
b = abs(a);                     // will overflow if a = 0x80000000
if (b < 0) printf("overflow");  // optimized away

gcc 人们认为这不是一个错误。根据 C 标准，溢出是未定义的行为，它允许编译器执行任何操作。显然，任何事情都包括假设永远不会发生溢出。不幸的是，这允许编译器优化溢出检查。

最近的 CERT 论文。本文建议在两个整数相加之前做这样的事情：

if ( ((si1^si2) | (((si1^(~(si1^si2) & INT_MIN)) + si2)^si2)) >= 0) { 
  /* handle error condition */
} else {
  sum = si1 + si2;
}

显然，当你想确保结果有效时，你必须在一系列计算中的每个+、-、*、/等操作之前做这样的事情。例如，如果您想确保数组索引不越界。这太麻烦了，以至于几乎没有人这样做。至少我从未见过系统地执行此操作的 C/C++ 程序。

现在，这是一个基本问题：

• 在访问数组之前检查数组索引很有用，但不可靠。

• 使用 CERT 方法检查一系列计算中的每个操作是可靠的，但没有用处。

• 结论：没有有用且可靠的方法来检查 C/C++ 中的溢出！

我不相信标准编写时是有意为之的。

我知道有某些命令行选项可以解决问题，但这并不能改变我们对标准或标准的当前解释存在根本问题的事实。

现在我的问题是： 当 gcc 人员允许优化溢出检查时，他们对“未定义行为”的解释是否太过分了，还是 C/C++ 标准被破坏了？

添加注释： 抱歉，您可能误解了我的问题。我不是在问如何解决这个问题 - 这已经得到解答 其他地方。我正在问一个关于 C 标准的更基本的问题。如果没有有用且可靠的方法来检查溢出，那么语言本身就是可疑的。例如，如果我创建一个带有边界检查的安全数组类，那么我应该是安全的，但如果可以优化边界检查，我就不安全了。

如果标准允许这种情况发生，那么要么标准需​​要修订，要么标准的解释需要修订。

添加注释2： 这里的人们似乎不愿意讨论“未定义行为”这个可疑的概念。 C99 标准列出了 191 种不同类型的未定义行为（链接）这一事实表明草率的标准。

许多程序员很容易接受这样的说法：“未定义的行为”允许做任何事情，包括格式化硬盘。我认为标准将整数溢出归入与在数组边界之外写入相同的危险类别是一个问题。

为什么这两种“未定义行为”不同？因为：

• 许多程序依赖于良性整数溢出，但很少有程序依赖于在不知道数组边界之外写入内容的情况。

• 实际上可以做一些与格式化硬盘一样糟糕的事情（至少在像DOS这样不受保护的操作系统中），并且大多数程序员都知道这是危险的。

• 将整数溢出放入危险的“一切都会发生”类别时，它允许编译器执行任何操作，包括谎报其正在执行的操作（在溢出检查被优化掉的情况下）

• 诸如写入数组边界之外的错误可以用调试器找到，但是优化掉的错误溢出检查不能，因为调试时优化通常处于关闭状态。

• gcc 编译器显然不会在整数溢出的情况下采取“一切皆有可能”的策略。在许多情况下，它会避免优化循环，除非它可以验证不可能发生溢出。出于某种原因，gcc 人员已经认识到，如果他们遵循“一切皆有可能”的政策，我们将会遇到太多错误，但他们对优化溢出检查的问题却持不同的态度。

也许这里不适合讨论此类哲学问题。至少，这里的大多数答案都偏离了重点。有没有更好的地方来讨论这个问题？

Answer 1

gcc 开发人员在这里完全正确。当标准说行为未定义时，这恰恰意味着对编译器没有要求。

由于有效的程序不能执行任何导致 UB 的操作（否则它将不再有效），因此编译器可以很好地假设 UB 不会发生。如果仍然如此，那么编译器所做的任何事情都没有问题。

对于溢出问题，一种解决方案是考虑计算应该处理的范围。例如，在平衡我的银行账户时，我可以假设金额远低于 10 亿，因此 32 位 int 就可以了。

对于您的应用程序域，您可能可以对可能发生溢出的具体位置进行类似的估计。然后，您可以在这些点添加检查或选择其他数据类型（如果可用）。

Answer 2

int a, b;
b = abs(a); // will overflow if a = 0x80000000
if (b < 0) printf("overflow");  // optimized away 

（你似乎假设 2s 补码......让我们来运行）

如果 a 具有该二进制模式，谁说 abs(a) “溢出”（更准确地说，如果a 是 INT_MIN）？ abs(int) 的 Linux 手册页说：

未定义尝试取最大负整数的绝对值。

未定义并不一定意味着溢出。

因此，您的假设 b 可能小于 0，并且这在某种程度上是对“溢出”的测试，从一开始就存在根本缺陷。如果您想测试，则不能对可能具有未定义行为的结果执行此操作 - 相反，请在操作之前执行此操作！

如果您关心这一点，您可以使用 C++ 的用户定义类型（即类）来围绕您需要的操作实现您自己的一组测试（或查找已经执行此操作的库）。该语言不需要对此的内置支持，因为它可以在这样的库中同样有效地实现，而使用的结果语义不变。这是 C++ 的伟大之处之一。

Answer 3

问问自己：您实际上需要多久检查一次算术？如果您经常需要它，您应该编写一个 checked_int 类来重载公共运算符并将检查封装到此类中。在开源网站上分享实现的道具。

更好的是（可以说），使用 big_integer 类，这样从一开始就不会发生溢出。

Answer 4

只需为 b 使用正确的类型即可：

int a;
unsigned b = a;
if (b == (unsigned)INT_MIN) printf("overflow");  // never optimized away
else b = abs(a);

编辑： 使用无符号类型可以安全地完成 C 中的溢出测试。无符号类型只是围绕算术，有符号类型会安全地转换为它们。所以你可以对它们进行任何你喜欢的测试。在现代处理器上，这种转换通常只是对寄存器等的重新解释，因此不需要运行时成本。