オーバーフロー

Goには整数型が10個ある。

符号付き整数型 : int, int8, int16, int32, int64
符号なし整数型 : uint, uint8, uint16, uint32, uint64

32bitシステムの場合は32bitのint32, 64bitシステムの場合は64bitのint64を使う。
ここで、int32の最大値(math.MaxInt32)に1を足して、出力させてみます。

func main() {
	var counter int32 = math.MaxInt32
	fmt.Printf("counter　=　%d\n", counter)
	counter++
	fmt.Printf("counter　=　%d\n", counter)
}

このコードは、コンパイルエラーやパニックは起きませんが、オーバーフローが発生します。実行すると、以下のようになります。

実行結果

counter　=　2147483647
counter　=　-2147483648

int8での最大最小を考えてみます。

10進数	2進数
0	00000000
127	01111111
-128	10000000
❌	11111111

実際に、コードで出してみると以下のようになります。

Go Playground

func main() {
	maxInt8 := math.MaxInt8
	minInt8 := math.MinInt8
	maxUint8 := math.MaxUint8
	minUint8 := uint8(0)

	fmt.Printf("int32(10進数) : %d 〜 %d\n", minInt8, maxInt8)
	fmt.Printf("int32(2進数)  : %b 〜 %b\n", minInt8, maxInt8)

	fmt.Printf("uint32(10進数): %d 〜 %d\n", minUint8, maxUint8)
	fmt.Printf("uint32(2進数) : %b 〜 %b\n", minUint8, maxUint8)
}

実行結果

int32(10進数) : -128 〜 127
int32(2進数)  : -10000000 〜 1111111
uint32(10進数): 0 〜 255
uint32(2進数) : 0 〜 11111111

11111111の場合は2の補数となる(ビット反転して、+1)ので、オーバーフローとなります。

ちなみに、Goではコンパイル時にオーバーフローが検出できれば、コンパイルエラーとなります。

func main() {
	var counter int32 = math.MaxInt32 + 1 // コンパイルエラー
}

しかし、検知できな場合は、先ほどの例のようにオーバーフローやアンダーフローはエラーにもパニックにもならないので注意しなければならない。これらは分かりにくいバグを引き起こす。

1996年のアリアン5の打ち上げ失敗はオーバーフローが原因らしいです。
クラスターミッション

以下の場合は要注意。

メモリに制約があるプロジェクトで小さい整数型を使用するとき
大きな数値を扱ったり変換したりするとき

オーバーフローの検知

オーバーフローを検知するためのアルゴリズムを紹介していきます。

1を加算するときの検出アルゴリズム

int8 や　int16に1を加算する場合にオーバーフローを検出する場合は以下のようにする。

func Inc32(counter int32) int32 {
	if counter == math.MaxInt32 {
		panic("int32 overflow")
	}
	return counter + 1
}

Go1.17以前はMaxInt32などがなかったので、自分で定数を作成する必要がありました。

intやunitも同じようにできます。

func IncInt(counter int) int {
	if counter == math.MaxInt {
		panic("int overflow")
	}
	return counter + 1
}

func IncUint(counter uint) uint {
	if counter == math.MaxUint {
		panic("uint overflow")
	}
	return counter + 1
}

加算時の整数オーバーフローの検出アルゴリズム

2つの整数の加算によるオーバーフローはmath.MaxIntとmath.MinIntを用いて検出する。

func AddInt(a, b int) int {
	if (b > 0 && a > math.MaxInt-b) || (b < 0 && a < math.MinInt-b {
		panic("int overflow")
	}
	return a + b
}

乗算時の整数のオーバーフローの検出アルゴリズム

func MultiplyInt(a, b int) int {
	if a == 0 || b == 0 {
		return 0
	}

	result := a * b
	if a == 1 || b == 1 {
		return result
	}
	if a == math.MinInt || b == math.MinInt {
		panic("integer overflow")
	}
	if result/b != a {
		panic("integer overflow")
	}
	return result
}

終わりに

Goでは大きな数を扱うパッケージとして、math/bigがある。また、適切なサイズの型を使用するのも大事で、Goのstrconv.ParseIntやstrconv.ParseUintを使って、適切なbitSizeを指定することもできます。

参考文献