代码示例分析反馈（安全编码）答案

【问题标题】：Feedback on analysis of code example (secure coding)代码示例分析反馈（安全编码）
【发布时间】：2011-07-07 09:01:26
【问题描述】：

我有一段不确定的作业代码。我有信心知道答案，但我只想与社区再次核对，以防有什么我忘记了。标题基本上是安全编码，问题只是为了解释结果。

int main() {
   unsigned int i = 1;
   unsigned int c = 1;
   while (i > 0) {
     i = i*2;
     c++;
   }
   printf("%d\n", c);
   return 0;
}

我的理由是这样的：

乍一看，您可以想象代码将永远运行，因为它已初始化为正值并不断增加。这当然是错误的，因为最终值会变得如此之大，以至于会导致整数溢出。这反过来也不完全正确，因为最终它将通过使最后一位为 1 来强制对变量“i”进行签名，因此将其视为负数，从而终止循环。所以它不是写入未分配的内存并因此导致整数溢出，而是违反数据类型并因此导致循环终止。

我很确定这是原因，但我只是想仔细检查一下。有意见吗？

【问题讨论】：

不完全——unsigned int 永远不能接受有符号值。您可能会发现尝试编译和运行代码很有启发性：codepad.org/VUjjtvbJ

标签： c loops types integer-overflow

【解决方案1】：

在signed integer 的情况下，最左边的位设置符号，因此该类型元素可以具有的值范围是-2147483648 到2147483647。要从正值获得负值，您可以对所有位进行位反转，反之亦然。

在unsigned integer 的情况下，最左边的位用于存储额外的值。所以我这个类型元素可以具有的值范围是 0 到 4294967295。

在二进制形式中，当i=1; 而你只做i = i*2; 那么值时，你可以拥有的值是：

1 // 1 in base 10
10 // 2 in base 10
100 // 4 in base 10
1000
10000
100000
1000000
10000000
100000000
1000000000
10000000000
100000000000
1000000000000
10000000000000
100000000000000
1000000000000000
10000000000000000
100000000000000000
1000000000000000000
10000000000000000000
100000000000000000000
1000000000000000000000
10000000000000000000000
100000000000000000000000
1000000000000000000000000
10000000000000000000000000
100000000000000000000000000
1000000000000000000000000000
10000000000000000000000000000
100000000000000000000000000000
1000000000000000000000000000000 // 1073741824 in base 10
10000000000000000000000000000000 // 2147483648 in base 10

现在，如果你有一个循环，如：while (i > 0) { 和 i 的行为如前所述，那么它将处于无限循环中，因为它永远不会为 0。会发生溢出，但你不会停止程序- 它仍然会运行。

如果变量 i 已签名（默认），那么您将得到输出 c=32 作为整数 10000000000000000000000000000000 计算结果为 -2147483648，即 < 0。但是，在这种情况下，您不知道输出。

既然是功课，那么老师自然选择了一个问题，您无法通过运行提供的代码得出任何结论。我假设，这是因为，你想让你知道底层类型是如何存储的，以及有符号和无符号类型之间有什么区别。

另外一个事实是，Java 没有无符号原语或不可变数字类。在某些情况下，没有它们可能会很痛苦。这无疑是一个有用的关键字。

【讨论】：

【解决方案2】：

i 始终未签名。在某些时候它会溢出（或者如果这样更清楚的话，它会回绕）并恰好变为 0，它永远不会是负数。

【讨论】：

否；无符号值不会溢出。
无符号值不会溢出，但它们会环绕。有符号值会溢出，导致未定义的行为。

【解决方案3】：

无符号值不会溢出；事实上，它们是保证并定义为环绕的。

【讨论】：

这如何回答 OP 的问题？
他想知道他的理论是否正确。这就是问题所在。由于上述原因，答案是“不”。
我必须同意stackoverflow.com/users/641980/daniel-dubois 在这一点上-“整数溢出”和“整数换行”在语义上是相同的，无论是签名还是未签名。奇怪的是，维基百科的文章与您声称的完全相反，说无符号和有符号“溢出”，但只有有符号整数可以“环绕”（定义为两个正数相加产生一个负数）。老实说，我没有看到区分的意义。
@Chadwick：当有符号整数值根本不环绕时，我看不出溢出和环绕是一回事。在某些平台上，您可能会看到 看起来 是环绕的，这纯粹是因为位是如何布局的；这与无符号值形成对比，无符号值被定义并保证在达到最大值时回绕为零，这不是偶然的，而是设计的。它们不会溢出。

【解决方案4】：

处理无符号值时不会溢出。所有计算均以 (UINT_MAX + 1) 为模。

所以，发生的情况是，通过反复乘以 2 的值最终会回绕为零......并且您的循环停止

为简单起见，假设无符号为 4 位宽。

1 * 2 = 2 ==> 0b0010
2 * 2 = 4 ==> 0b0100
4 * 2 = 8 ==> 0b1000
8 * 2 = 0 ==> 0b0000

【讨论】：

【解决方案5】：

由于 i 是无符号整数 (0 - 255)，由于二进制舍入，在 8 次迭代后 i 将等于 0。

【讨论】：

当然，需要注意的是这是一个 8 位系统。

【解决方案6】：

关于溢出你是对的，但是 unsigned int 是无符号的是有原因的（没有符号位因此是无符号的，unsigned int 从 0 开始）因此它将溢出到 0，如果它是无符号的，它会溢出为负数（例如，在 32 位机器上为 2**31）

【讨论】：

否；无符号值不会溢出。

【解决方案7】：

不，unsigned int 永远不会与零作为有符号数进行比较。循环结束的唯一机会是变量正好为零。

后者肯定会发生一次，因为您在每次迭代中乘以 2（偶数），这会导致从右侧插入零位（最不重要的位），因此经过一定次数的迭代后所有非零位会被“移出数”而归零。

【讨论】：

我明白了，毕竟会导致整数溢出。这说得通;在某些时候，该值会很大，它无法容纳在 4 个字节内，并且在某些时候，前 4 个字节中的任何位都不会为 1。我猜如果你只是增加值'i'而不是乘以它，循环将永远不会终止？
@KaiserJohaan：当变量增加超过最大可能值时，它将终止。如果您有 32 位 int，您甚至可以对其进行测试 - 它会在合理的时间内发生。