C++ Box类特定测试用例异常：溢出与比较逻辑错误排查

问题现象 #

编写的Box类代码在运行指定测试用例时，出现两个异常：

• 体积计算结果为负数（预期值33004122803，实际得到-1355615565）
• 一次体积比较结果错误（预期输出Lesser，实际输出Greater）

代码实现 #

#include<bits/stdc++.h>

using namespace std;


class Box{
  private:
  int l,b,h;  

public:
Box(){
    l=0;
    b=0;
    h=0;
}
Box(int a,int d,int c){
        l=a;
    b=d;
    h=c;
    
}
Box(Box& source){
    l=source.l;
    b=source.b;
    h=source.h;  
}
int getLength(){
    return l;
}
int getBreadth (){
    return b;
}
int getHeight (){
    return h;
};

long long CalculateVolume(){
     return this->l*this->b*this->h;
};

friend bool operator<(Box & s1,Box &source){
    return (s1.l*s1.b*s1.h)<(source.l*source.b*source.h);
}

friend ostream& operator<<(ostream& out,const Box& B){
    out<<B.l<<" "<<B.b<<" "<<B.h;
    return out ;
}


};



void check2()
{
    int n;
    cin>>n;
    Box temp;
    for(int i=0;i<n;i++)
    {
        int type;
        cin>>type;
        if(type ==1)
        {
            cout<<temp<<endl;
        }
        if(type == 2)
        {
            int l,b,h;
            cin>>l>>b>>h;
            Box NewBox(l,b,h);
            temp=NewBox;
            cout<<temp<<endl;
        }
        if(type==3)
        {
            int l,b,h;
            cin>>l>>b>>h;
            Box NewBox(l,b,h);
            if(NewBox<temp)
            {
                cout<<"Lesser\n";
            }
            else
            {
                cout<<"Greater\n";
            }
        }
        if(type==4)
        {
            cout<<temp.CalculateVolume()<<endl;
        }
        if(type==5)
        {
            Box NewBox(temp);
            cout<<NewBox<<endl;
        }

    }
}

int main()
{
    check2();
}

测试用例 #

6
2 1039 3749 8473
4
3 1456 3836 283
3 729 3749 272
2 4839 283 273
4

Bug原因分析与修复 #

1. 体积计算负数问题 #

l、b、h都是int类型，三个int相乘时，运算结果会先以int类型存储。测试用例中1039*3749*8473的结果远超过32位int的最大值（2^31-1=2147483647），导致整数溢出，溢出后的数值变成负数，之后再转换为long long返回，所以得到错误的负数结果。

2. 比较结果错误问题 #

operator<中同样是先计算三个int的乘积，乘积溢出后变成负数，此时比较的是溢出后的错误值，而非真实的体积大小，导致比较结果反转。

修复方案 #

在计算乘积前，先将其中一个操作数转换为long long，强制整个乘法运算以long long类型进行，避免溢出：

• 修改CalculateVolume函数：

long long CalculateVolume(){
     return (long long)this->l * this->b * this->h;
};

• 修改operator<函数：

friend bool operator<(Box & s1,Box &source){
    return (long long)s1.l * s1.b * s1.h < (long long)source.l * source.b * source.h;
}

这样计算时会先将l转换为long long，后续的乘法都会以64位整数进行，不会出现溢出，能得到正确的体积值和比较结果。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Sudhanshu Kumar