Mdr-C-Tutorial

19.9 带检查的整数算术 ​

当算术运算的结果超出其类型所能表示的范围时，就会发生整数溢出。在 C 语言中，有符号整数的溢出是未定义行为（Undefined Behavior, UB），结果可能是一个回绕（wrap-around）的值，也可能是程序崩溃。许多安全漏洞（如整数溢出漏洞）都源于此。

C23 新增了头文件 <stdckdint.h>，提供一组执行带检查整数算术的函数。它们会告诉你一次运算是否溢出，运算本身不会触发未定义行为。

注意

<stdckdint.h> 属于 C23 新增内容。如果你的实现没有该头文件，可以把这一节当作“了解 C23 新能力”；在工程中则需要采用实现扩展或手写检查逻辑。

1. C23 之前的解决方案 ​

在 C23 之前，程序通常依赖编译器提供的内建函数，或者手写检查代码来检测整数溢出。例如，GCC 和 Clang 提供了 __builtin_add_overflow 等内建函数。

c
#include <stdio.h>

int main(void) {
    int a = 1000000000;
    int b = 2000000000;
    int result;
    if (__builtin_add_overflow(a, b, &result)) {
        printf("发生溢出！\n");
    } else {
        printf("结果是：%d\n", result);
    }
    return 0;
}

在 int 为常见 32 位的 GCC 或 Clang 实现中，输出为：

bash

发生溢出！

__builtin_add_overflow 是编译器扩展，不属于标准 C，使用它会影响代码的可移植性。

2. C23 <stdckdint.h> ​

<stdckdint.h> 定义了三个函数，分别用于检查加法、减法和乘法运算是否会溢出：

  • ckd_add(result, a, b)：检查 a + b 是否溢出。
  • ckd_sub(result, a, b)：检查 a - b 是否溢出。
  • ckd_mul(result, a, b)：检查 a * b 是否溢出。

2.1 函数原型 ​

这些函数都遵循相似的模式。以 ckd_add 为例：

c
bool ckd_add(type *result, type1 a, type2 b);
  • result：一个指向结果存储位置的指针。如果运算没有溢出，结果会存放在这里。
  • a、b：参与运算的两个操作数。

这些函数返回一个 bool 值：

  • 如果运算会导致溢出，函数返回 true。
  • 如果运算可以安全执行，函数返回 false，并将计算结果存入 *result。

result、a 和 b 的类型不必相同。运算按 a 和 b 的数学值进行，不经过通常算术转换；只要数学结果不能用 *result 的类型表示，就算溢出。

2.2 代码示例 ​

下面的程序需要编译器支持 C23，并在编译时启用 C23 模式（例如使用 -std=c23）。

c
#include <stdio.h>
#include <stdbool.h>
#include <limits.h>
#include <stdckdint.h>

int main(void) {
    int a = INT_MAX - 10;
    int b = 20;
    int result;

    // 检查加法
    if (ckd_add(&result, a, b)) {
        puts("ckd_add: 溢出");
    } else {
        printf("ckd_add: %d + %d = %d\n", a, b, result);
    }

    // 检查减法
    int c = INT_MIN + 10;
    int d = 20;
    if (ckd_sub(&result, c, d)) {
        puts("ckd_sub: 溢出");
    } else {
        printf("ckd_sub: %d - %d = %d\n", c, d, result);
    }

    // 检查乘法
    int e = INT_MAX / 10;
    int f = 20;
    if (ckd_mul(&result, e, f)) {
        puts("ckd_mul: 溢出");
    } else {
        printf("ckd_mul: %d * %d = %d\n", e, f, result);
    }

    return 0;
}

三个运算的结果都超出 int 的表示范围，因此输出为：

bash

ckd_add: 溢出 ckd_sub: 溢出 ckd_mul: 溢出

3. 习题 ​

#11911
⚡3⏳2

写一个程序：从标准输入读入两个 int，计算它们的和。

要求：

  1. 使用 ckd_add 检查是否溢出；
  2. 若溢出，输出一条错误信息到标准错误流并退出；
  3. 否则输出结果。
#11912
⚡4⏳3

写一个程序：从标准输入读入三个 int a、b、c，计算表达式 a*b + c。

要求：

  1. 使用 ckd_mul 与 ckd_add 分两步计算并检查溢出；
  2. 任一步溢出都视为失败；
  3. 不要写出可能触发有符号溢出的中间表达式。