整數溢出問題的坑，你真弄明白了嗎？

一 提兩個簡單問題：

下面代碼在64位系統下運行，short 類型占兩個字節,int類型占4個字節，long類型占8個字節, 猜猜問題1與問題2的結果：

• 問題1:以下兩個代碼的輸出結果相同嗎
  • 代碼一：

  int main()
  {
      short a = 0x7fff;
      short b = a + 1;
      int c = b;
      printf("代碼一的輸出結果為：%d\n", c);
      return 0;
  }
  

  • 代碼二：

  int main()
  {
      short a = 0x7fff;
      int c = a + 1;
      printf("代碼二的輸出結果為：%d\n", c);
      return 0;
  }
  

• 問題2：以下的代碼輸出結果又是否相同？
  • 代碼三：

  int main()
  {
      int a = 0x7fffffff;
      int b = a + 1;
      long c = b;
      printf("代碼三的輸出結果為：%ld\n", c);
  }
  

  • 代碼四：

  int main()
  {
      int a = 0x7fffffff;
      long c = a + 1;
      printf("代碼四的輸出結果為：%ld\n", c);
  }
  

二 猜對答案了沒？

1. 問題1內的代碼一與代碼二的輸出結果不同，代碼一在執行short b = a + 1語句時發生了short整型溢出問題, 代碼二是安全的。它們的執行結果分別如下：
   • 代碼一的輸出結果：

   代碼一的輸出結果為：-32768
   

   • 代碼二的輸出結果:

   代碼二的輸出結果為：32768
   

2. 問題2內的代碼三與代碼四分別在執行int b = a + 1和long c = a + 1時都發生了整數溢出問題，它們的執行結果是相同的：
   • 代碼三的輸出結果：

   代碼三的輸出結果為：-2147483648
   

   • 代碼四的輸出結果:

   代碼四的輸出結果為：-2147483648
   

三 原因分析：

• 代碼一分析：
  在代碼一內，執行short b = a + 1時發生溢出應該是很容易理解，short最大表示的正整數為0x7fff,加一之后變為了0x8000, 即能表示的最大負整數-32768, 再轉換為int類型時，符號位是要保留的，可以還是-32768, 看看它的匯編代碼更容易理解:

  subq    $16, %rsp
  movw    $32767, -12(%rbp)
  // 該指令操作之后，eax寄存器的高16位為0補上(movzwl中的z就表示zero)，低16的ax的值為32767.
  movzwl  -12(%rbp), %eax
  addl    $1, %eax
  // 關鍵: 這里只把ax的值(即相加之后的32768,0x8000)保存到了內存中。
  movw    %ax, -10(%rbp)
  // 下面是在執行short類型到int類型的轉換，其中eax中的高16的值是使用符號位進行填充(movswl的s對應sign)，0x8000符號位為1.
  movswl  -10(%rbp), %eax
  movl    %eax, -8(%rbp)
  

• 代碼二分析：
  在代碼二內，當執行int c = a + 1時沒有發生short類型的溢出問題, 原因還得從匯編代碼層次查找到：

  subq	$16, %rsp
  movw	$32767, -6(%rbp)
  movswl	-6(%rbp), %eax      // 以符號位填充高16位的數式復制到eax寄存器
  addl	$1, %eax
  movl	%eax, -4(%rbp)
  

• 代碼三分析：
  在代碼三中，當執行'int b = a + 1`時發生了int整數的溢出，它對應的匯編代碼如下所示：

  subq	$16, %rsp
  movl	$32767, -16(%rbp)
  movl	-16(%rbp), %eax     // 下面三個代碼使用eax寄存器執行了加1操作
  addl	$1, %eax
  movl	%eax, -12(%rbp)
  movl	-12(%rbp), %eax
  cltq                        // 下面兩行，使用rax寄存器執行了類型轉換操作,
  movq	%rax, -8(%rbp)      // cltq執行符號位擴展，把eax擴展為rax,高32使用32位填充。
  

• 代碼四分析：
  在代碼四中，當執行'long c = a + 1`時也發生了int整數的溢出，奇怪吧。來看看它對應的匯編代碼:

  subq	$16, %rsp
  movl	$32767, -12(%rbp)
  movl	-12(%rbp), %eax
  addl	$1, %eax            // 執行相加過程也是使用eax寄存器，因此就溢出了。
  cltq
  movq	%rax, -8(%rbp)
  

四 如何解決整數溢出問題?

在對操作數執行運算之前，先進行類型轉換，而不是執行了運算之后再執行類型轉換
例如針對代碼四的整數溢出問題，代碼修改如下：

int main()
{
    int a = 0x7fffffff;
    long c = (long)a + 1;
    printf("代碼四的輸出結果為：%ld\n", c);
}

代碼修改之后，它對應的匯編代碼如下：

subq	$16, %rsp
movl	$32767, -12(%rbp)
movl	-12(%rbp), %eax
cltq
addq	$1, %rax
movq	%rax, -8(%rbp)

從匯編代碼就可以看出來，它不會發生整數溢出了！！