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C++無符號整數溢出問題解析_C 語言

作者：李遲 ? 更新時間： 2022-08-01 編程語言

本文主要探討C/C++中無符號整數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的，為了統計性能耗時，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，如何處理毫秒數值溢出后的情況，其實我是不懂的。看了些帖子，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獲取系統的秒數值，其值用g_ms表示，開一線程time_handler每秒累計一次時間數值，開另一線程myfunc_sleep統計耗時。

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的相加，函數如下：

// 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。如果僅從結果看，可得到：8 - 4294967294 = 10，與傳遞的參數一致。

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，統計的耗時是2。——不管是否有溢出。

擴展知識

計算機中數值存儲的是2的補碼（2’s complement）。正數的補碼是其本身，負數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值，是16位有符號數值，就是用2的補碼形式存儲的。

小結

對于計時、延時類的函數，記錄時間戳的變量為無符號數。類型為unsinged，不能加范圍限制，這是指平臺最大者，如32位系統，使用的是32位無符號數，64位的系統則是64位無符號數。當變量數值溢出后，其值歸0，但計時函數是正常的，不需要額外處理溢出情況。

原文鏈接：https://juejin.cn/post/7106302326763159565

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