如何在C程序中找到（所有）整数溢出？

Question

我正在开发一个大型项目，一般情况下工作正常，但是一旦输入数据超出某些限制，就会出现严重问题。

这些问题(疑似)只是由于带符号整数溢出引起的，例如:

int a, o;
// Initialize a and o
int x = (a+o) >> 1);

显然，一旦a和o的总和溢出（大于2^31-1），x就不再是a和o的平均值。

有没有通用的方法可以在运行中的程序中找到所有这些整数溢出？

我考虑使用像Valgrind或GDB扩展这样的工具，在每个整数算术指令处断点，获取参数并将正确结果（使用更大的数据类型或任意精度算术计算）与实际结果进行比较。如果结果不同，它应该输出警告，触发调试中断或类似操作。

我知道如何检查单个算术指令是否溢出（例如检查加法的符号），但由于代码量巨大，手动在整个项目中插入检查代码并不可行。

- ChrisM

Answer 1

你需要仔细检查所有的代码，确定用户输入的限制并验证其输入。你可能还需要重新编写一些算法以减少溢出问题。

由于你所给出的示例不能处理负数值，因此你应该使用无符号整型unsigned int，这样可以增加一个数量级。 编辑： gcc有-ftrapv选项，但这通常不会实际起到任何作用，只有在使用-O0时才有效。如果你采取捕获溢出的方法，你仍然需要全面了解代码才能进行完整的测试。

- OrangeDog

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我大致知道用户输入的限制是什么。但是，通过代码进行工作的问题在于，该项目有超过200k行代码（其中199k行不是由我编写的），我担心手动检查这些代码是否存在溢出风险将非常困难。 - ChrisM

@ChrisM - 如果你处于一个不能相信别人编写的代码是正确的位置，那么你可能不应该使用它。业务实践应该被采用来处理这类事情（审查、测试等）。如果只有你自己编写了这段代码并且周围没有其他人，那么你需要花费一些时间阅读它。 - OrangeDog

好的，这很遗憾。我只是希望能够自动找到代码中有问题的部分（可能有十几个或更多）。 - ChrisM

@ChrisM - 你可以在gcc中设置条件断点以捕获意外值，但这仍然需要知道所有参与算术运算的变量的位置。 - OrangeDog

-ftrapv 的“通常实际上不执行任何操作”警告只适用于使用优化编译的情况。使用 -O0 时，它应该可以正常工作。 - caf

@caf：即使使用 -O0，它对我仍然无效。我通过比较使用 -ftrapv 生成的二进制文件和未使用 -ftrapv 的二进制文件发现它们完全相同。 - ChrisM

Answer 2

对于大型代码库，Coverity是一个很好的工具。我不确定它是否能检测到所有整数溢出，但值得一试。

- Vikram.exe

Answer 3

如何编写一个脚本，可以遍历代码并将所有的“a+b”替换为DEBUGADD(a,b) - 这样你就可以这样做：

#ifdef DEBUG
int addFn(int a, int b) {
  long long m;
  int n;
  m = (long long)a + (long long)b;
  n = a + b;
  if (m != (long long)n)
    printf("PANIC!\n");
  return n;
}
#define DEBUGADD(a,b) addFn(a,b)
#else
#define DEBUGADD(a,b) ((a)+(b))
#endif

- Sam

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请确保你的脚本正确处理空格、强制类型转换、运算顺序和返回类型，但不要改变原来的意思。 :) - Karmastan

更好的写法是 assert(((a <= 0) || (b <= INT_MAX - a)) && ((a >= 0) || (b >= INT_MIN - a)))，因为类似的表达式也适用于 long 和 long long。 - caf