C++無符號整數溢位問題解析

2022-06-08 18:03:26

問題提出

nrf52832 的 SDK 中是沒有時間戳獲取的函數的，為了統計效能耗時，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介面。

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位後的情況，其實我是不懂的。看了些貼文，說在單獨處理溢位反轉的情形，但總覺得這樣不太好，因此集中了一點時間，瞭解學習了無符號數的溢位（或說進位），並寫了點程式碼測試。

設計思路

為了方便偵錯，本文用 32 位虛擬機器器 Linux 進行測試。用get_time獲取系統的秒數值，其值用g_ms表示，開一執行緒time_handler每秒累計一次時間數值，開另一執行緒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，並非實際使用的。

工程程式碼

首先簡單測試無符號數的相加，函數如下：

// 測試無符號溢位後的差值 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，即使溢位後，差值也是不變的
     在延時函數中，即使時間戳溢位，也是無問題的。
     */
    mytime_t end = start + delta;
    
    mytime_t mydelta = end - start;

    printf("end: %u start: %u delta: %u mydelta: %un", end, start, delta, mydelta);
    for (int i = 0; i < delta; i++)
    {
        printf("%u %dn", start, start);
        start++;
    }
}

測試程式碼：

delta_test(10);

其列印結果如下：

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，使用有符號列印，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，與傳遞的引數一致。

下面給出多執行緒測試程式碼：

程式碼中定義的時間戳變數為mytime_t，實際上是無符號型別unsigned。另外也做了測試，在32位元機器上使用uint8_t型別也可以得到正確值，但負數就無法列印出來了。

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。——不管是否有溢位。