C语言入门系列：数据类型之溢出

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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，加1后变成，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。