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C语言整数溢出的问题

news 来源：原创 2024/9/21 8:13:01

补漏：

问题展现

解析

C++的解决方案

补漏：

昨天我在开头提到-1的二进制如何表示，我在这里简单分析一下。

首先我们要明白有符号的数转换是需要补码的，所以我们想这个问题之前将补码的规则思考一遍（首先将有符号的首位保留，后面几位取反后加一，然后算出数值后加上开头保留的符号就可以了）。现在我们求的是-1的二进制，那么就需要我们反着求解。我们要先想到1的二进制数（0000 0001）。首先我们要想到取反加一，然后符号位是1（代表负号），那么什么样的二进制数满足这样的需求呢？那毫无疑问就是1111 1111了（满足首位是1的条件，也满足其余位取反加1可以表达1的要求）。提升补充内容——补码原文在这。

现在开始我们今天的内容吧。

问题展现

还记得C语言是如何表示整数的吗?在补码那里就已经说过，整数在C++中的表示是特殊的，直接的二进制数是不能正确的表示的。因为整数的二进制首位是符号位，剩下的位数才是这个整数的大小表示；就拿32位做例子。1111 1111这其实就是二进制的-1表示，首位是符号位，其余的位数才是大小的表达。但是这就会牵涉到一问题，那就是超出了二进制的表达范围。

#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
//例1
int i=2147484444
for(;i>0;i++)
{
cout<<"add"<<i<<endl;
}
cout<<"end"<<i<<endl;//例2
int a=600;
int b=700;
int c=100;
int d=600;
cout<<a*b*c*d<<endl;return 0;
}

上面的代码实例大家可以事先预测一下结果是多少，或者说判断一下结果是否是正数。

揭晓答案：这几个数都不是正数，都是负数。

这是为什么呢？

解析

这正是由于整数的溢出导致的，那么为什么会溢出呢?因为C语言中的内存分配是有限的，这就导致一旦我们输入的数大于数据类型，那么就会导致数据溢出。一旦溢出，就会从该数据类型所能表达的最大值返回到所能表达的最小值（负值）开始，相当于一个循环，从最大到最小。这也就说明在C语言中数学中的数字表达无法完全照搬的。

在C语言中，整数溢出是一个常见的问题，它发生在整数变量的值超出了其能够表示的范围时。C语言中的整数类型（如int、short、long等）都有固定的范围，这些范围由编译器和平台决定，但通常是基于标准的（如ISO C标准）。

整数类型范围示例
对于一个32位的int类型，其范围通常是-2,147,483,648到2,147,483,647（包括边界值）。
对于一个无符号的32位unsigned int，其范围则是0到4,294,967,295。
溢出示例

假设你有一个int变量x，其值为2,147,483,647（INT_MAX），如果你尝试执行x = x + 1;，由于x已经处于其能表示的最大值，因此无法存储更大的值。在这种情况下，x的值会“回绕”到其能表示的最小值（对于int来说，是-2,147,483,648），这就是所谓的整数溢出。

解决方案

使用更大的整数类型：如果可能，使用long long或unsigned long long等更大的整数类型来存储更大的值。
检查边界条件：在执行可能导致溢出的操作之前，检查变量的值是否接近其类型的最大值或最小值。
使用库函数：对于某些操作，如加法、乘法等，可以使用能够处理溢出的库函数（如GNU C Library中的__builtin_add_overflow等）。
使用软件方法：对于复杂的算法，可能需要设计特定的逻辑来避免或检测整数溢出。
使用硬件特性：在某些平台上，可以利用硬件特性（如溢出标志）来检测整数溢出。

注意事项
整数溢出是未定义行为（Undefined Behavior, UB），这意味着编译器可以以任何方式处理它，包括不产生任何错误消息。
在进行安全敏感或关键任务的应用程序中，必须特别注意整数溢出的问题。

C++的解决方案

很遗憾这个问题C语言是无法完全解决的。这里将一个库（boost），利用这个库来解决。这个库利用的是字符串（无限长）来表达无限长的数。

boost库

这个链接里就是boost库的网站，里面有想要的一切关于boost的用法和实例。

下面简单讲解一下使用方法。

首先打开我放置的链接，然后找到documentation点击进去，然后搜素Multiprecision，然后点击里面的cpp_int,进去就可以看到使用方法和简单实例。

#include <boost/multiprecision/cpp_int.hpp>
#include <iostream>int main()
{using namespace boost::multiprecision;int128_t v = 1;// Do some fixed precision arithmetic:for(unsigned i = 1; i <= 20; ++i)v *= i;std::cout << v << std::endl; // prints 2432902008176640000 (i.e. 20!)// Repeat at arbitrary precision:cpp_int u = 1;for(unsigned i = 1; i <= 100; ++i)u *= i;// prints 93326215443944152681699238856266700490715968264381621468592963895217599993229915608941463976156518286253697920827223758251185210916864000000000000000000000000 (i.e. 100!)std::cout << u << std::endl;return 0;
}

上面的代码就是实例，可以模仿着去写，但是我还是建议去看看原版的文章，了解一下。

小问题思考一下：首先我请你思考一下八位的二进制最大可以表达多大的数，那么最小呢？其实最大是127，最小是-128。那么请你思考一下为什么最小值和最大值在数值上不相等呢?还有它们之间是如何转换的？答案下期揭晓

🆗到这里，这篇关于C语言整数溢出的问题的陷阱就说完了，求一个免费的赞，感谢阅读。