如何检查 duration_cast 中的溢出

Question

我需要将一种 std::chrono::duration 转换为另一种，但我需要知道何时无法进行这种转换，因为该值无法表示。

我在标准库中没有找到任何工具来检查这一点。 cppreference page 没有指定如果值超出范围会发生什么，只是从浮点到整数的转换可能是未定义的行为（在我的情况下，我需要从整数转换为整数）。

Answer 1

没有一刀切解决方案，但是适合许多用例的解决方案是使用基于double 的duration 进行范围检查。可能是这样的：

#include <chrono>
#include <iostream>
#include <stdexcept>

template <class Duration, class Rep, class Period>
Duration
checked_convert(std::chrono::duration<Rep, Period> d)
{
    using namespace std::chrono;
    using S = duration<double, typename Duration::period>;
    constexpr S m = Duration::min();
    constexpr S M = Duration::max();
    S s = d;
    if (s < m || s > M)
        throw std::overflow_error("checked_convert");
    return duration_cast<Duration>(s);
}

int
main()
{
    using namespace std::chrono;
    std::cout << checked_convert<nanoseconds>(10'000h).count() << "ns\n";
    std::cout << checked_convert<nanoseconds>(10'000'000h).count() << "ns\n";
}

对我来说这个输出：

36000000000000000ns
libc++abi.dylib: terminating with uncaught exception of type  std::overflow_error: checked_convert

Answer 2

在 Howards 回答中添加 constexpr 后，我注意到以下内容

static_assert(checked_convert<nanoseconds>(nanoseconds::max()) == nanoseconds::max());

导致编译错误

<source>: In function 'int main()':

<source>:23:68: error: non-constant condition for static assertion

   23 |     static_assert(checked_convert<nanoseconds>(nanoseconds::max()) == nanoseconds::max());

      |                   ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~^~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

<source>:23:66:   in 'constexpr' expansion of 'checked_convert<std::chrono::duration<long int, std::ratio<1, 1000000000> >, long int, std::ratio<1, 1000000000> >(std::chrono::duration<long int, std::ratio<1, 1000000000> >::max())'

<source>:16:35:   in 'constexpr' expansion of 'std::chrono::duration_cast<std::chrono::duration<long int, std::ratio<1, 1000000000> >, double, std::ratio<1, 1000000000> >(s)'

/opt/compiler-explorer/gcc-9.2.0/include/c++/9.2.0/chrono:200:21:   in 'constexpr' expansion of 'std::chrono::__duration_cast_impl<std::chrono::duration<long int, std::ratio<1, 1000000000> >, std::ratio<1>, double, true, true>::__cast<double, std::ratio<1, 1000000000> >((* & __d))'

<source>:23:68: error: overflow in constant expression [-fpermissive]

https://godbolt.org/z/2bgPPM

---

在霍华德回答的基础上，我建议以下不受此问题影响的方法。

#include <chrono>
#include <iostream>
#include <stdexcept>
#include <type_traits>

template<class Duration, class Rep, class Period>
constexpr auto checked_convert(std::chrono::duration<Rep, Period> d)
  -> std::enable_if_t<!std::is_same_v<Duration, decltype(d)>, Duration> {
    using namespace std::chrono;
    using S       = duration<double, typename Duration::period>;
    constexpr S m = Duration::min();
    constexpr S M = Duration::max();
    S           s = d;
    if(s < m || s > M) { throw std::overflow_error("checked_convert"); }
    return duration_cast<Duration>(s);
}

template<class Duration>
constexpr Duration checked_convert(Duration d) {
    return d;
}

int main() {
    using namespace std::chrono;
    static_assert(checked_convert<nanoseconds>(nanoseconds::max()) == nanoseconds::max());
    std::cout << checked_convert<nanoseconds>(nanoseconds::max()).count() << "ns\n";
    std::cout << checked_convert<nanoseconds>(10'000h).count() << "ns\n";
    std::cout << checked_convert<nanoseconds>(10'000'000h).count() << "ns\n";
}

第二个重载确保当 from 和 to Duration 是相同类型时不会发生转换。

---

我摆脱 UB 的另一种方法是将 Howars 解决方案更改为以下：

#include <chrono>
#include <iostream>
#include <stdexcept>

template <class Duration, class Rep, class Period>
constexpr Duration
checked_convert(std::chrono::duration<Rep, Period> d)
{
    using namespace std::chrono;
    using S = duration<double, typename Duration::period>;
    constexpr S m = Duration::min();
    constexpr S M = Duration::max();
    S s = d;
    if (s < m || s > M)
        throw std::overflow_error("checked_convert");
    return duration_cast<Duration>(d);
}

int
main()
{
    using namespace std::chrono;
    static_assert(checked_convert<nanoseconds>(nanoseconds::max()) == nanoseconds::max());
    std::cout << checked_convert<nanoseconds>(10'000h).count() << "ns\n";
    std::cout << checked_convert<nanoseconds>(10'000'000h).count() << "ns\n";
}

注意从return duration_cast<Duration>(s) 到return duration_cast<Duration>(d) 的变化。 这让 chrono 在两个 Duration 相同时处理问题， 但我不确定带 d 的 duration_cast 是否适用于其他情况。

请注意，我在很多情况下都没有测试过这两种解决方案中的任何一种。 很可能隐藏了其他可能溢出的情况。我对浮点运算不够精通，无法验证答案。