C++无符号整数溢出问题解析

2024-04-02 19:55

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问题提出

nrf52832 的 SDK 中是没有时间戳获取的函数的，为了统计性能耗时，也为了向一些库提供时间戳（毫秒级别），需要自己利用定时器实现获取毫秒的接口。

nrf52832 是 32 位的，按毫秒计算，大概49天就会达到最大值，如何处理毫秒数值溢出后的情况，其实我是不懂的。看了些帖子，说在单独处理溢出反转的情形，但总觉得这样不太好，因此集中了一点时间，了解学习了无符号数的溢出（或说进位），并写了点代码测试。

设计思路

为了方便调试，本文用 32 位虚拟机 Linux 进行测试。用get_time获取系统的秒数值，其值用g_ms表示，开一线程time_handler每秒累计一次时间数值，开另一线程myfunc_sleep统计耗时。

需要注意的是，上面所述仅是模拟演示，旨在说明本质问题，并非实际使用的。

工程代码

首先简单测试无符号数的相加，函数如下：

// 测试无符号溢出后的差值 delta
void delta_test(int delta)
{
    mytime_t start = 0xfffffffe;
    
    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++;
    }
}

测试代码：

delta_test(10);

其打印结果如下：

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

起始数值为0xfffffffe，即4294967294，使用有符号打印，其值为-2。当超过0xffffffff则从0开始计数。如果仅从结果看，可得到：8 - 4294967294 = 10，与传递的参数一致。

下面给出多线程测试代码：

代码中定义的时间戳变量为mytime_t，实际上是无符号类型unsigned。另外也做了测试，在32位机器上使用uint8_t类型也可以得到正确值，但负数就无法打印出来了。

测试

当g_start的值为0xfffffffe时，测试结果如下：

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

当g_start的值为0xfffffff0时，测试结果如下：

第一次测试：
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

第二次测试：
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

从结果上看，基本符合要求，即延时2秒，统计的耗时是2。——不管是否有溢出。