C++中std::midpoint怎么避免算术溢出_C++20数值计算安全函数【技巧】

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std::midpoint通过a + (b – a) / 2等无溢出方式避免整数溢出,支持算术类型和同类型指针,要求同类型、指针可达,不校验业务逻辑有效性。

C++中std::midpoint怎么避免算术溢出_C++20数值计算安全函数【技巧】

std::midpoint 为什么能避免整数溢出

直接用 (a + b) / 2 算中点,在 ab 同号且绝对值很大时会触发有符号整数溢出(UB),比如 INT_MAXINT_MAX - 1 相加就崩了。std::midpoint 不依赖加法,而是用位运算或条件分支等无溢出路径实现:对整数类型,它等价于 a + (b - a) / 2(注意是 b - a,不是 a - b),这个差值一定在可表示范围内;对指针,则按字节偏移安全计算。

哪些类型能用 std::midpoint

必须是算术类型(intlong longFloatdouble)或相同类型的指针。不能传 unsigned intint 混用——编译失败;也不能传 std::vector::iterator 这类非原生指针(除非重载了 -+ 且满足 LegacyRandomAccessIterator 要求)。常见误用:std::midpoint(v.begin(), v.end())c++20 中不合法,因为 std::vector::iterator 不是原生指针,得先转成 &v[0] 或用 std::data(v)

和手动写 (a + b) >> 1 的区别

右移只对非负整数等价于除以 2,但 std::midpoint 对负数也正确处理舍入方向(向零取整),且对浮点数支持 IEEE 754 语义。例如:std::midpoint(-3, 2) 返回 -1,而 (-3 + 2) >> 1 在补码下是 -1 >> 1 == -1(看似一样),但 std::midpoint(-5, 2)-2,而 (-5 + 2) >> 1 == -3 >> 1 == -2(巧合),一旦涉及浮点或大整数,手动位移就完全不可靠。另外,std::midpointunsigned 类型也安全,而 (a + b) >> 1unsigned 上虽不溢出,但语义仍是“截断除法”,和 std::midpoint 一致——但这只是表象,底层实现不依赖加法才是关键。

实际使用要注意的边界情况

  • 两个参数必须同类型,std::midpoint(1, 1L) 编译不过,得显式转成同一类型,如 std::midpoint(1L, 1L)
  • 对指针,b 必须可从 a 到达(即 b >= a),否则行为未定义——这和 std::distance 要求一致
  • 浮点数版本不保证完全无误差,但比 (a + b) * 0.5 更稳健,尤其当 ab 量级差异极大时(比如 1e301.0),(a + b) 可能直接丢失精度甚至溢出为 inf,而 std::midpoint 会选更稳妥的路径

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真正容易被忽略的是:它不解决所有数值问题——比如你本意是做二分查找中的中点,但若容器为空或迭代器无效,std::midpoint 本身不校验,仍需业务逻辑兜底。它只管“给定两个合法值,怎么算中点最安全”。

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