Question

我有一个遗留代码库，我们正试图从devtoolset-4迁移到devtoolset-7。我注意到有关有符号整数溢出的有趣行为（int64_t，具体而言）。

有一个代码片段，用于检测整数溢出，同时乘以一大组整数：

// a and b are int64_t
int64_t product = a * b; 
if (b != 0 && product / b != a) {
    // Overflow
}

此代码与devtoolset-4一起正常运行。但是，使用devtoolset-7时，永远不会检测到溢出。

例如：当a = 83802282034166和b = 98765432时， product变为-5819501405344925872（显然值已溢出）。

但product / b导致的价值等于a (83802282034166)。因此if条件永远不会成立。其值应根据溢出（负）product值计算：-5819501405344925872 / 98765432 = -58922451788

具有讽刺意味的是，数学是正确的，但它会导致与devtoolset-4相关的异常行为。

编译器是否可以缓存该值（而不是重新评估它）导致此行为？
或编译器优化是否会转换语句product / b != a 到product != a * b并达到相同的溢出值（或者可能只是根据product = a * b上面的语句跳过计算？

我知道有符号整数溢出是一种未定义的行为＆＃39;在C ++中，编译器行为可能会在实现中发生变化。但有人可以帮助我理解上述行为吗？

注意：devtoolset-4和devtoolset-7中的g ++版本分别为g++ (GCC) 5.2和g++ (GCC) 7.2.1。

Answer 1

有符号整数溢出是C ++中未定义的行为。

这意味着优化器可以假设它永远不会发生。 a*b/b为a，期间。

现代编译器进行基于静态单一赋值的优化。

// a and b are int64_t
int64_t product = a * b;
if (b != 0 && product / b != a) {
  // Overflow
}

变为：

const int64_t __X__ = a * b; 
const bool __Y__ = b != 0;
const int64_t __Z__ = __X__ / b;
const int64_t __Z__ = a*b / b;
const int64_t __Z__ = a;

if (__Y__ && __Z__ != a) {
  // Overflow
}

评估为

if (__Y__ && false) {
  // Overflow
}

显然，__Z__为a而a!=a为false。

int128_t big_product = a * b;

使用big_product并检测那里的溢出。

SSA允许编译器实现(a+1)>a始终为真的事情，这可以简化许多循环和优化案例。这个事实依赖于签名值的溢出是不可取的行为。

Answer 2

因为签名的溢出/下溢被归类为未定义的行为，编译器被允许作弊并假设它不会发生（这是在一两年前的Cppcon谈话中出现的，但我忘了我的谈话头）。因为您正在进行算术运算然后检查结果，优化器会优化部分检查。

这是 未经测试的 代码，但您可能需要以下内容：

if(b != 0) {
    auto max_a = std::numeric_limits<int64_t>::max() / b;
    if(max_a < a) {
        throw std::runtime_error{"overflow"};
    }
}
return a * b;

请注意，此代码不处理下溢;如果a * b可能是否定的，则此检查无效。

根据Godbolt，您可以看到您的版本已完全优化了检查。

Answer 3

知道product == a * b，编译器/优化器可以采取以下优化步骤：

b != 0 && product / b != a
b != 0 && a * b / b != a
b != 0 && a * 1 != a
b != 0 && a != a
b != 0 && false
false

优化器可以选择完全删除分支。

我知道有符号整数溢出是一种未定义的行为＆＃39;在C ++中，编译器行为可能会在实现中发生变化。但有人可以帮助我理解上述行为吗？

你可能知道有符号整数溢出是UB，但我想你还没有掌握UB的真正含义。 UB并不需要，而且往往没有意义。这个案子似乎很直接。

Answer 4

有人可以帮助我理解上述行为吗？

有符号整数溢出在C ++中有未定义的行为。这意味着您无法可靠地检测到它，并且包含有符号整数溢出的代码可以执行任何操作。

如果要检测操作是否会导致有符号整数溢出，则需要在溢出发生之前执行此操作，以防止UB发生。

Answer 5

Signed integer overflow is undefined behavior。这与unsigned int（所有无符号整数）不同。有关此here

的更多信息

作为旁注，人们注意到使用int代替unsigned int会提高性能（请参阅here），因为编译器不会处理溢出行为。

Answer 6

如果你担心整数溢出，那么使用任意精度整数库并不是更好 - 用这个你可以将你的大小类型增加到128位而不用担心它。

https://gmplib.org/

Answer 7

您可以阅读本文档，它可能对您有用，就像我在变量和数据类型中遇到的任何问题一样，我直接阅读它：http://www.cplusplus.com/doc/tutorial/variables/

C ++中签名的Integer值溢出？

7 个答案: