Go语言中常见100问题-#18 Neglecting integer overflows

忽略整数溢出

如果不清楚Go语言中如何处理整数溢出可能导致严重的问题，本文首先会介绍一些与整数相关的概念，然后深入分析整数溢出问题。

相关概念

Go语言中总共提供了10种整数类型，其中有四种类型有有符号和无符号之分，如下表所示。

除了上面的8种类型，还有两种整数类型是:int和uint，这两种类型的大小取决于系统，在32位操作系统上，int/uint类型为32 bits，在64位系统上，int/uint类型为64 bits.

现在开始讨论溢出问题，假设给一个int32类型的变量赋最大值，然后将其自增1，打印输出的结果是多少呢？

var counter int32 = math.MaxInt32
counter++
fmt.Printf("counter=%d\n", counter)

上述代码可以编译通过，并且在运行时没有出现panic，然而，产生了溢出，得到结果如下，是一个负数。

counter=-2147483648

当算术运算创建的值超出了可以用给定字节数表示的范围时，会产生整数溢出。int32类型是32位表示，它的最大值(math.MaxInt32)的二进制表示如下,有31个bit位设置为1，最高的bit位为0：

01111111 11111111 11111111 11111111

因为int32是一个有符号整数，它的最高位（最左边的bit位）是符号位：0表示正数，1表示负数。如果对math.MaxInt32进行增加1操作，没有剩余的bit位表示这个新值。这会导致整数溢出，对应到二进制上，结果如下。

10000000 00000000 00000000 00000000

现在最高位(符号位)为1，表示这是一个负数。此值是32位表示的有符号整数可能的最小值。

「NOTE:可能的最小负数不是 11111111 11111111 11111111 11111111。实际上，大多数系统都依赖于两者的补码运算来表示二进制数（将每一位反转并加1）。这样处理的目的是使得 x+(-x)等于0，不管x是什么。」

var counter int32 = math.MaxInt32 + 1
constant 2147483648 overflows int32

但是在运行时，整数上溢和下溢是无感知的，不会导致应用程序崩溃。所以要对这种行为保持谨慎，它可能会导致潜在的bug（例如整数自增或正整数相加出现负数结果）。

在什么时候需要考虑整数溢出呢？在大多数情况下，比如请求处理计数器或基本的加法和乘法时，如果我们使用了合适正确的类型，不用太关心。但在某些情况下，比如在内存受限的项目中，使用较小整数类型，在处理大数或进行转换时，我们需要检查是否存在溢出问题。

「NOTE:1996年阿丽亚娜火箭5发射失败（https://www.bugsnag.com/blog/bug-day-ariane-5-disaster）是由于将64位浮点数转换为16位有符号整数导致的。」

整数自增的时候检测是否存在溢出

基于定义的变量类型（int8、int16、int32、int64、uint8）, 在进行自增操作期间，我们可以根据数学常数检查是否存在溢出，例如对于int32类型，采用如下方法进行检查。

func Inc32(counter int32) int32 {
    if counter == math.MaxInt32 {
        panic("int32 overflow")
    }
    return counter + 1
}

由于counter的类型为int32,int32类型的最大值为math.MaxInt32,所以将其与math.MaxInt32进行比较，如果相等，进行自增会溢出，进行panic处理。对于int和uint类型的变量进行自增操作，处理逻辑与之类似。在Go1.17之前，我们需要手动定义一个最大或最小值，将其进行比较。但是现在，这些值已经内置到了math包中，我们可以直接取用math.MaxInt、math.MinInt、math.MaxUint。

func IncInt(counter int) int {
    if counter == math.MaxInt {
        panic("int overflow")
    }
    return counter + 1
}

同理对于uint,将其与math.MaxUint进行比较。

func IncUint(counter uint) uint {
    if counter == math.MaxUint {
        panic("uint overflow")
    }
    return counter + 1
}

整数相加的时候检测是否存在溢出

两个整数进行相加操作，如何判断是否存在溢出呢？答案是使用math.MaxIn. 如果a大于math.MaxInt-b，则会导致a+b时溢出。

func AddInt(a, b int) int {
    if a > math.MaxInt-b {
        panic("int overflow")
    }
 
    return a + b
}

整数相乘的时候检测是否存在溢出

判断两个整数相乘的结果是否存在溢出有点小复杂，需要检查相乘的整数是否有值为math.MinInt. 如果乘数a或b一个为0，则结果为0.如果a或b有一个为1，则结果为a或b.如果a或b为math.MinInt，则会存在下溢，如果result/b!=a，则说明存在上溢。

func MultiplyInt(a, b int) int {
    if a == 0 || b == 0 {
        return 0
    }
 
    result := a * b
    if a == 1 || b == 1 {
        return result
    }
    if a == math.MinInt || b == math.MinInt {
        panic("integer overflow")
    }
    if result/b != a {
        panic("integer overflow")
    }
    return result
}

总结，在Go语言中，当出现上溢或下溢的时候并没有提示，如果我们想检查是否存在溢出避免潜在的错误，可以使用上面代码进行检查。除此之外，Go还提供了一个处理大数据的包:math/big, 在处理大数据的时候，这个包很有用。