C语言入门系列：数据类型之溢出
C语言入门系列：数据类型之溢出
文章目录
- 一，为什么会溢出
- 二，如何处理溢出
- 1，溢出的恶果1：意料之外的数字轮回
- 2，溢出的恶果2：死循环
- 三，如何避免溢出
- 1，最佳实践：结合极限值预判是否溢出
一，为什么会溢出
每一种数据类型都有数值范围，这个数值范围体现在分配给数组的内存大小，每种数据类型的内存大小都是固定的，如果存放的数值超出了这个范围（小于最小值或大于最大值），需要更多的二进制位存储，就会发生溢出。
溢出的本质是数据二进制的长度超出了对应数据类型的内存大小。
更简单的说，
内存装不下数据就会出现溢出。
大于最大值，叫做向上溢出（overflow）；小于最小值，叫做向下溢出（underflow）。
二，如何处理溢出
编译器一般不会对溢出报错，会正常执行代码，但是会自作主张的把溢出的二进制位忽略，只保留剩下的位，这样往往会得到意想不到的结果。
就好比你的银行账户有一个亿，但系统把高位的1给抹掉了，余额瞬间变成0。
所以，在涉及数字运算时，一定要考虑溢出的情况。
下面示例中，变量x加1，得到的结果不是256，而是0。
unsigned char x = 255;
x = x + 1;
printf("%d\n", x); // 0
原因如下图，char类型在内存中只分配8位，最大值
255
的二进制是
11111111
，加1后变成
100000000
，变成了9位，高位1是溢出位，会被舍弃。
1，溢出的恶果1：意料之外的数字轮回
再看下面的例子。
unsigned int ui = UINT_MAX; // 4,294,967,295
ui++;
printf("ui = %u\n", ui); // 0
ui--;
printf("ui = %u\n", ui); // 4,294,967,295
上面示例中，常量UINT_MAX是 unsigned int 类型的最大值。
如果加1，对于该类型就会溢出，从而得到0；而0是该类型的最小值，再减1，又会得到UINT_MAX。
溢出很容易被忽视，编译器又不会报错，所以必须非常小心。
2，溢出的恶果2：死循环
for (unsigned int i = n; i >= 0; --i) // 错误
上面代码表面看似乎没有问题，但是循环变量i的类型是 unsigned int，这个类型的最小值是0，不可能得到小于0的结果。
当i等于0，再减去1的时候，并不会返回-1，而是返回 unsigned int 的类型最大值，这个值总是大于等于0，导致无限循环。
三，如何避免溢出
1，最佳实践：结合极限值预判是否溢出
为了避免溢出，最佳方法就是在计算过程中，与类型的极限值进行比较。
unsigned int ui;
unsigned int sum;
// 错误
if (sum + ui > UINT_MAX) too_big();
else sum = sum + ui;
// 正确
if (ui > UINT_MAX - sum) too_big();
else sum = sum + ui;
上面示例中，变量sum和ui都是 unsigned int 类型，它们相加的和还是 unsigned int 类型，是可能出现溢出的。
为了防止溢出，我们在得出结果之前判断是否会发生溢出，如果发生异常，可以自定义处理方案，确定不会溢出再执行加法运算。
但是切记不能用相加的结果与最大值进行比较，有两个原因：
- 一是因为结果可能已经溢出了
- 二是sum + ui的结果的类型仍然是unsigned int类型，不可能大于UINT_MAX，这个分支判断永远是false
正确的比较方法是，判断UINT_MAX - sum与ui之间的大小关系。
下面是另一种错误的写法。
unsigned int i = 5;
unsigned int j = 7;
if (i - j < 0) // 错误
printf("negative\n");
else
printf("positive\n");
上面示例的运算结果，会输出positive。
原因是变量i和j都是 unsigned int 类型，i - j的结果也是这个类型，最小值为0，不可能得到小于0的结果。正确的写法是写成下面这样。
if (j > i) // ....
总之，不要用算术运算的结果与最大最小值进行比较。