Boost C++ 库

C/C++ 中的算术运算**不保证**产生正确的数学结果。此功能继承自 C 的早期。 `int`、`unsigned int` 等类型的行为旨在密切匹配底层硬件。计算机硬件将这些类型实现为固定数量的位。当算术运算的结果超出此位数时，结果将不是算术上正确的。以下示例仅说明了导致此类问题的一个示例。

int f(int x, int y){
    // this returns an invalid result for some legal values of x and y !
    return x + y;
}

C/C++ 程序员有责任确保此行为不会导致程序运行不正确或意外。没有语言设施可以实现此类保证。程序员需要单独检查每个表达式，才能知道他的程序不会返回无效结果。有多种方法可以做到这一点。在上例中，[INT32-C] 似乎推荐以下方法

int f(int x, int y){
  if (((y > 0) && (x > (INT_MAX - y))) 
  || ((y < 0) && (x < (INT_MIN - y)))) {
    /* Handle error */
  }
  return x + y;
}

这确实会捕获错误。但是，程序员以这种方式修改代码将是乏味且费力的。对所有算术运算以这种方式修改代码可能会使代码难以阅读，并增加潜在编程错误的另一个来源。当表达式稍微复杂一点时，如以下示例所示，此方法显然是不可行的。

int f(int x, int y, int z){
    // this returns an invalid result for some legal values of x and y !
    return x + y * z;
}

此示例仅解决了应用于 `int` 类型（int）的加法运算溢出相关的未定义/错误行为的问题。其他内置整数类型（如 `unsigned`、`long` 等）也存在类似问题。其他运算（如减法、乘法等）也存在类似问题。C/C++ 在实现二进制运算的过程中，经常会自动且静默地将某些整数类型转换为其他类型。有时，此类转换会静默更改算术值，从而引入错误。C/C++ 标准将右移负数等行为指定为“实现定义的行为”。如今，大多数机器会按照程序员的预期执行——但这种行为并未得到保证。依赖这种行为将创建一个无法保证可移植性的程序。然后还有未定义行为。在这种情况下，编译器编写者没有义务做任何特定的事情。有时这会意外破坏程序。至少，该程序将失去可移植性。最后，还有一些行为从一开始在算术上就是错误的——例如除以零。一些运行时环境会直接终止程序，另一些可能会抛出某种异常。无论哪种情况，执行都已以无法恢复的方式失败。

以上所有条件都阻碍了创建永不失败的程序的创建。Safe Numerics Library 解决了所有这些条件，至少在整数运算方面是如此。

由于问题及其解决方案相似，我们将当前讨论仅限于上面显示的示例。

该库实现了 `int`、`unsigned` 等类型的特殊版本，其行为与原始类型完全相同，**除了**这些操作的结果保证是算术正确**或**会引发错误。使用该库，上述示例将呈现为

#include <boost/safe_numerics/safe_integer.hpp>
using namespace boost::safe_numerics;
safe<int> f(safe<int> x, safe<int> y){
  return x + y; // throw exception if correct result cannot be returned
}

	注意
	本文档中的库代码驻留在 `boost::safe_numerics` 命名空间中。为了提高文本的可读性，该命名空间通常已从文本、代码和示例中删除。

在运行时（如果可能）或在编译时检查加法表达式，以捕获导致算术行为不正确的任何可能错误。算术表达式不会产生错误的结果。相反，保证只发生以下情况之一。

换句话说，**该库绝对保证任何整数算术表达式都不会产生错误的结果**。

该库实现了 `int`、`unsigned` 等类型的特殊版本，名为 `safe`、`safe` 等。它们的操作与底层类型完全相同，**除了**使用这些类型的表达式满足上述保证。这些“安全”类型旨在成为同名内置类型的“即插即用”替代品。因此，像将 `signed` 值赋给 `unsigned` 值这样合法的事情，不会在编译时被捕获，因为它们是合法的 C/C++ 代码。相反，它们将在运行时进行检查，以捕获该（合法）操作会导致算术结果不正确的案例。

请注意，该库处理由直接 C/C++ 表达式产生的算术错误。其中一些算术错误被定义为符合 C/C++ 标准，而另一些则不符合。因此，将此库仅描述为处理 C/C++ 数值表达式的未定义行为将是误导性的。

利用 C++14 特有的功能来最大程度地减少任何运行时开销。在许多情况下，根本没有运行时开销。在其他情况下，使用该库的程序可以稍作修改，以在没有任何运行时开销的情况下实现上述保证。

安全类型的操作由模板参数决定，这些参数指定一对策略类，用于指定类型提升和错误处理的行为。除了用作标准整数类型的“即插即用”替代品外，用户还可以

该库完全由 C++ 头文件组成。它需要一个与 C++14 标准兼容的编译器。

要使用此库，必须安装以下 Boost 库：

Safe Numerics 库随附一套全面的测试程序。

该库目前仅适用于内置整数类型。浮点类型也存在类似的问题，但当前版本的库并未解决这些问题。用户或库定义的类型（如任意精度整数）也可能存在此问题。当前未开发将此库扩展到这些其他类型，但将来可能会解决。这也是该库名称为“safe numeric”（安全数值）而不是“safe integer”（安全整数）库的原因之一。