C++二进制转换代码抛出std::out_of_range异常的原因及修复方法

问题描述 #

编写C++代码实现二进制数加法功能：接收用户输入的两个二进制数，通过BinaryToDecimal函数转换为十进制后求和，再通过DecimalToBinary函数将和转换为二进制格式输出，完整代码如下：

#include <iostream>
#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

int BinaryToDecimal(int n)
{
    int ans = 0;
    int x = 1;

    while (n > 0)
    {
        int y = n % 10;
        ans = ans + x * y;
        x = x * 2;
        n = n / 10;
    }
    return ans;
}

int DecimalToBinary(int num)
{
    vector<int> vect;

    while (num > 0)
    {
        vect.push_back(num % 2);
        num = num / 2;
    }
    int s = vect.size();
    int i = s - 1;
    for (i = s - 1; i >= 0; i--)
    {
        cout << vect.at(i);
    }
    return vect.at(i);
}

int main()
{
    int a, b;
    cout << "Enter first number: " << endl;
    cin >> a;
    cout << "Enter second number: " << endl;
    cin >> b;

    int a_deci = BinaryToDecimal(a);
    int b_deci = BinaryToDecimal(b);

    int sum = a_deci + b_deci;

    DecimalToBinary(sum);
    cout << endl;
    return 0;
}    

程序运行输出如下：

Enter first number: 
10101
Enter second number:
11010
101111terminate called after throwing an instance of 'std::out_of_range'what():  vector::_M_range_check: __n (which is 18446744073709551615) >= this->size() (which is 6)

程序可以输出正确计算结果101111，但输出后立即终止，抛出std::out_of_range类型异常。

错误含义 #

std::out_of_range是C++标准容器抛出的越界访问异常，代表代码尝试访问容器合法下标范围外的元素。
报错信息里的下标值18446744073709551615是-1转换为64位无符号整数的结果，问题根源在DecimalToBinary函数的最后一行return vect.at(i);：

• for循环终止条件为i >= 0，每轮循环执行完后会执行i--
• 当循环打印完下标为0的最后一位二进制数后，会再次执行i--，此时i的值变为-1，循环条件不满足，退出循环
• 紧接着执行vect.at(i)时，传入的下标-1会被转换为无符号类型的超大值，超出vector的长度范围（本例中vector长度为6），因此触发越界异常。

注：DecimalToBinary函数的作用仅为打印二进制结果，调用方也没有接收返回值，这行return语句本身是多余的。

修复方案 #

• 删除DecimalToBinary函数末尾多余的return vect.at(i);语句
• 将DecimalToBinary的返回值类型从int改为void，匹配函数仅做输出、不需要返回值的逻辑，同时可以把循环变量i的定义收拢到for循环内部，简化代码。

修复后的DecimalToBinary函数代码：

void DecimalToBinary(int num)
{
    vector<int> vect;

    while (num > 0)
    {
        vect.push_back(num % 2);
        num = num / 2;
    }
    int s = vect.size();
    for (int i = s - 1; i >= 0; i--)
    {
        cout << vect.at(i);
    }
}

补充说明：当前实现用int类型存储输入的二进制数，支持的二进制长度非常有限，输入较长二进制数时会出现整数溢出问题，若需要支持更长的二进制运算，建议改为用字符串接收输入后直接做二进制加法计算。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Abdullah