为什么在未经检查的情况下，将int.MinValue除以-1会引发OverflowException？

Question

int y = -2147483648;
int z = unchecked(y / -1);

第二行代码会抛出一个OverflowException异常。使用unchecked关键字不应该可以预防这种情况吗？

例如：

int y = -2147483648;
int z = unchecked(y * 2);

不会引发异常。

- Marcel Niehüsener

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@DJBurb 这个问题并不是在问如何规避它，而是要解释这种行为。代码不应该抛出异常。 - Servy

执行除法时，使int溢出的唯一可行方法是使用此处列出的确切两个操作数，即将int.MinValue除以-1。每对操作数中的所有其他对都不会溢出，因此他们可能没有考虑到这种情况，并错误地假设整数除法永远不会溢出。 - Servy

@HansPassant - 如果他们不会这个，那他们就不是真正的开发者！ - Ahmed ilyas

我不同意。Hans的回答可能是目前唯一回答中解释为什么会这样的原因。 - ispiro

你得到的赞数比踩数多，我认为你应该把你的回答重新发布。特别是因为它在某种程度上是Servy回答的第二部分/另一半。 - Victor Zakharov

Answer 1

这不是C＃编译器或JIT有任何控制权的异常。这仅适用于Intel / AMD处理器，当IDIV指令失败时，CPU会生成#DE陷阱（除法错误）。操作系统处理处理器陷阱，并将其反射回进程中具有STATUS_INTEGER_OVERFLOW异常。CLR忠实地将其转换为相匹配的托管异常。

英特尔处理器手册并不是关于它的信息的黄金矿山:

非整数结果被截断（切割）为0。余数始终小于除数的量级。溢出用#DE（除法错误）异常表示而不是CF标志。

简言之：有符号除法结果为+2147483648，不能用int表示，因为这是Int32.MaxValue + 1。否则，这是处理器表示负值的方式的必然副作用，他使用二补码编码。这会产生一个唯一值来表示0，留下了其他可能编码负数和正数的奇数个选项。负值多一个选项。与-Int32.MinValue相同类型的溢出，只是处理器不会在NEG指令上触发陷阱，而是生成垃圾结果。

当然，C＃语言不是唯一有这个问题的语言。 C＃语言规范通过提到特殊行为（第7.8.2章）使其成为实现定义行为。他们对此可能做的其他合理的事情没有任何好做法，生成处理异常的代码肯定被认为太不切实际，会产生无法诊断的慢速代码。这不是C＃的方式。

C和C++语言规范通过将其定义为未定义行为而升级了赌注。这可能真的很丑陋，例如使用gcc或g ++编译器（通常是使用MinGW工具链）。该工具链对于SEH的运行时支持并不完善，它会吞下异常并允许处理器重新启动除法指令。程序挂起，使处理器不断生成＃DE陷阱。将除法转换为传说中的Halt and Catch Fire指令 :)

- Hans Passant

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但是C#语言本不应该生成会导致出现此类错误的代码（或者它应该吞咽异常并处理这种情况，而不是重新抛出），以满足unchecked的要求。事实上，当处理器抛出错误时，C#重新抛出该错误并不能真正解释任何问题。 - Servy

对于您的编辑，unchecked 的整个意义在于当整数操作溢出时不会抛出溢出异常，而是进行包装。 - Servy

neg 对于 -2147483648 的结果并不是垃圾值，实际上它是 [phone]（当被解释为无符号数时）。 - harold

嗯，这就是用软件引爆火箭的方法。 - Hans Passant

Answer 2

C# 4规范的第7.72节（除法运算符）指出：

  

如果左操作数是最小表示的int或long值，右操作数为-1，则会发生溢出。在已检查的上下文中[...]。在未检查的上下文中，实现定义为抛出System.ArithmeticException（或其子类）或溢出未报告并将结果值作为左操作数的值。

因此，在未检查的上下文中，这会引发异常实际上并不是错误，因为行为是实现定义的。

- Servy

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也许你还可以引用Hans Passant的回答，其中提供了实现细节，即为什么它对OP无效？仅仅说“因为行为未定义，我们看到一些奇怪的东西”本身并不是一个答案。 - Victor Zakharov

但事实就是如此，这就是重点。规范定义了您可以从C#程序中期望的行为。即使某个特定的处理器指令在使用这些操作数时抛出错误，只有在您知道该C#代码结果是作为该C#代码的完整实现而调用该确切处理器指令时，才意味着某些含义（而您并不知道这一点）。某人可能在非英特尔机器上运行相同的C#代码，并返回int.MinValue。在编写此C#代码时，您确实需要假设它可能具有任何一种行为，甚至不能假设它会抛出异常。 - Servy

有趣。在旧版本的.NET中，行为已经定义：如果左操作数是最小可表示的int或long值，右操作数是-1，则会发生溢出。在此情况下，无论操作是在“checked”还是“unchecked”上下文中发生，都将始终抛出System.OverflowException异常。 - Dmitry

@Neolisk 显然，原帖的作者已经知道他的特定CPU选择了其中的哪一个选项，因为他说代码对他来说是抛出异常的。说他正在使用的CPU在这种情况下会抛出异常而不是返回第一个操作数似乎毫无意义。无论如何，当使用这个C#代码时，他需要将代码编写成行为未定义的形式，而不是依赖于任何一种行为，无论他使用的是什么CPU。 - Servy

@Neolisk，C#规范并没有说当你调用此函数时可能会发生任何事情，包括宇宙爆炸。它明确说明它要么返回第一个操作数，要么抛出异常。你可以依赖其中的一件事情发生，只是不知道具体哪个。如果我编写这段代码，我不认为知道哪些CPU会有哪种行为可能会有用。无论如何，你必须编写支持两种情况的代码。这不是说，你应该只编写支持一种情况的代码，然后说，“你只能在英特尔机器上运行此程序”。 - Servy

Answer 3

根据C# 语言规范 5.0第7.8.2节，我们有以下情况：

7.8.2 除法运算符 对于形如 x / y 的操作，应用二元运算符重载解析（§7.3.4）以选择特定的运算符实现。操作数转换为所选运算符的参数类型，并且结果类型是运算符的返回类型。下面列出了预定义的除法运算符。所有运算符都计算 x 和 y 的商。 整数除法： int operator /(int x, int y); uint operator /(uint x, uint y); long operator /(long x, long y); ulong operator /(ulong x, ulong y); 如果右操作数的值为零，则抛出 System.DivideByZeroException 异常。该除法将结果向零舍入。因此，结果的绝对值是小于或等于两个操作数商的最大可能整数。当两个操作数具有相同符号时，结果为零或正；当两个操作数具有相反符号时，结果为零或负。如果左操作数是最小可表示的 int 或 long 值，而右操作数是 -1，则会发生溢出。在已检查的上下文中，这会导致抛出 System.ArithmeticException（或其子类） 。在未经检查的上下文中，它是实现定义的，即抛出 System.ArithmeticException（或其子类） 或溢出不报告，其结果值为左操作数的值。

- Markus Safar

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你怎么会引用规格书的不同部分，但是使用了相同的词汇？ - Victor Zakharov

@Neolisk提到了不同版本的C#。他引用了5.0版本，而我引用的是4.0版本。显然，相关内容并没有任何不同。 - Servy