C++無符號整數(shù)溢出問題解析
本文主要探討C/C++中無符號整數(shù)超過范圍后的計算問題。
問題提出
nrf52832 的 SDK 中是沒有時間戳獲取的函數(shù)的,為了統(tǒng)計性能耗時,也為了向一些庫提供時間戳(毫秒級別),需要自己利用定時器實現(xiàn)獲取毫秒的接口。
nrf52832 是 32 位的,按毫秒計算,大概49天就會達到最大值,如何處理毫秒數(shù)值溢出后的情況,其實我是不懂的??戳诵┨?,說在單獨處理溢出反轉的情形,但總覺得這樣不太好,因此集中了一點時間,了解學習了無符號數(shù)的溢出(或說進位),并寫了點代碼測試。
設計思路
為了方便調試,本文用 32 位虛擬機 Linux 進行測試。用get_time獲取系統(tǒng)的秒數(shù)值,其值用g_ms表示,開一線程time_handler每秒累計一次時間數(shù)值,開另一線程myfunc_sleep統(tǒng)計耗時。
需要注意的是,上面所述僅是模擬演示,旨在說明本質問題,并非實際使用的。
工程代碼
首先簡單測試無符號數(shù)的相加,函數(shù)如下:
// 測試無符號溢出后的差值 delta
void delta_test(int delta)
{
mytime_t start = 0xfffffffe;
/* 以ms為10為例,ent得到的結果為8
8 - start = 10
因此,即使溢出后,差值也是不變的
在延時函數(shù)中,即使時間戳溢出,也是無問題的。
*/
mytime_t end = start + delta;
mytime_t mydelta = end - start;
?
printf("end: %u start: %u delta: %u mydelta: %u\n", end, start, delta, mydelta);
for (int i = 0; i < delta; i++)
{
printf("%u %d\n", start, start);
start++;
}
}測試代碼:
delta_test(10);
其打印結果如下:
end: 8 start: 4294967294 delta: 10 mydelta: 10
4294967294 -2
4294967295 -1
0 0
1 1
2 2
3 3
4 4
5 5
6 6
7 7
起始數(shù)值為0xfffffffe,即4294967294,使用有符號打印,其值為-2。當超過0xffffffff則從0開始計數(shù)。如果僅從結果看,可得到:8 - 4294967294 = 10,與傳遞的參數(shù)一致。
下面給出多線程測試代碼:
代碼中定義的時間戳變量為mytime_t,實際上是無符號類型unsigned。另外也做了測試,在32位機器上使用uint8_t類型也可以得到正確值,但負數(shù)就無法打印出來了。
測試
當g_start的值為0xfffffffe時,測試結果如下:
test of unsigned overflow.. sizeof: 4 after sleep 3 s 1 - 4294967294 = 3 after sleep 3 s 4 - 1 = 3 after sleep 3 s 7 - 4 = 3 after sleep 3 s 10 - 7 = 3 after sleep 3 s 13 - 10 = 3
當g_start的值為0xfffffff0時,測試結果如下:
第一次測試: test of unsigned overflow.. sizeof: 4 after sleep 2 s 4294967282 - 4294967281 = 1 after sleep 2 s 4294967284 - 4294967282 = 2 after sleep 2 s 4294967286 - 4294967284 = 2 after sleep 2 s 4294967288 - 4294967286 = 2 after sleep 2 s 4294967290 - 4294967288 = 2 after sleep 2 s 4294967292 - 4294967290 = 2 after sleep 2 s 4294967294 - 4294967292 = 2 after sleep 2 s 0 - 4294967294 = 2 after sleep 2 s 2 - 0 = 2 after sleep 2 s 4 - 2 = 2 after sleep 2 s 6 - 4 = 2 after sleep 2 s 8 - 6 = 2 ? 第二次測試: test of unsigned overflow.. sizeof: 4 after sleep 2 s 4294967282 - 4294967280 = 2 after sleep 2 s 4294967284 - 4294967282 = 2 after sleep 2 s 4294967286 - 4294967284 = 2 after sleep 2 s 4294967288 - 4294967286 = 2 after sleep 2 s 4294967290 - 4294967288 = 2 after sleep 2 s 4294967292 - 4294967290 = 2 after sleep 2 s 4294967294 - 4294967292 = 2 after sleep 2 s 0 - 4294967294 = 2 after sleep 2 s 2 - 0 = 2 after sleep 2 s 4 - 2 = 2 after sleep 2 s 6 - 4 = 2 after sleep 2 s 8 - 6 = 2
從結果上看,基本符合要求,即延時2秒,統(tǒng)計的耗時是2。——不管是否有溢出。
擴展知識
計算機中數(shù)值存儲的是2的補碼(2’s complement)。正數(shù)的補碼是其本身,負數(shù)的補碼是原碼基礎上取反碼,末位加1。
mpu6050 芯片的陀螺儀和加速度數(shù)值,是16位有符號數(shù)值,就是用2的補碼形式存儲的。
小結
對于計時、延時類的函數(shù),記錄時間戳的變量為無符號數(shù)。類型為unsinged,不能加范圍限制,這是指平臺最大者,如32位系統(tǒng),使用的是32位無符號數(shù),64位的系統(tǒng)則是64位無符號數(shù)。當變量數(shù)值溢出后,其值歸0,但計時函數(shù)是正常的,不需要額外處理溢出情況。
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