java安全编码指南之:Number操作

作者: flydean程序那些事 | 来源:发表于2020-09-10 09:54 被阅读0次

简介

java中可以被称为Number的有byte，short，int，long，float，double和char，我们在使用这些Nubmer的过程中，需要注意些什么内容呢？一起来看看吧。

Number的范围

每种Number类型都有它的范围，我们看下java中Number类型的范围：

image

考虑到我们最常用的int操作，虽然int的范围够大，但是如果我们在做一些int操作的时候还是可能超出int的范围。

超出了int范围会发送什么事情呢？看下面的例子：

    public void testIntegerOverflow(){
        System.out.println(Integer.MAX_VALUE+1000);
    }

运行结果：-2147482649。

很明显Integer.MAX_VALUE+1000将会超出Integer的最大值范围，但是我们没有得到异常提醒，反而得到了一个错误的结果。

正确的操作是如果我们遇到了Overflow的问题，需要抛出异常：ArithmeticException。

怎么防止这种IntegerOverflow的问题呢？一般来讲，我们有下面几种方式。

第一种方式：在做Integer操作之前，进行预判断是否超出范围：

举个例子：

    static final int safeAdd(int left, int right) {
        if (right > 0 ? left > Integer.MAX_VALUE - right
                : left < Integer.MIN_VALUE - right) {
            throw new ArithmeticException("Integer overflow");
        }
        return left + right;
    }

上面的例子中，我们需要进行两个整数相加操作，在相加之前，我们需要进行范围的判断，从而保证计算的安全性。

第二种方式：使用Math的addExact和multiplyExact方法：

Math的addExact和multiplyExact方法已经提供了Overflow的判断，我们看下addExact的实现：

    public static int addExact(int x, int y) {
        int r = x + y;
        // HD 2-12 Overflow iff both arguments have the opposite sign of the result
        if (((x ^ r) & (y ^ r)) < 0) {
            throw new ArithmeticException("integer overflow");
        }
        return r;
    }

看下怎么使用：

    public int addUseMath(int a, int b){
        return Math.addExact(a,b);
    }

第三种方式：向上转型

既然超出了Integer的范围，那么我们可以用范围更大的long来存储数据。

    public static long intRangeCheck(long value) {
        if ((value < Integer.MIN_VALUE) || (value > Integer.MAX_VALUE)) {
            throw new ArithmeticException("Integer overflow");
        }
        return value;
    }

    public int addUseUpcasting(int a, int b){
        return (int)intRangeCheck((long)a+(long)b);
    }

上面的例子中，我们将a+b转换成了两个long相加，从而保证不溢出范围。

然后进行一次范围比较，从而判断相加之后的结果是否仍然在整数范围内。

第四种方式：使用BigInteger

我们可以使用BigInteger.valueOf(a)将int转换成为BigInteger，再进行后续操作：

    public int useBigInteger(int a, int b){
        return BigInteger.valueOf(a).add(BigInteger.valueOf(b)).intValue();
    }

区分位运算和算数运算

我们通常会对Integer进行位运算或者算数运算。虽然可以进行两种运算，但是最好不要将两种运算同时进行，这样会造成混淆。

比如下面的例子：

x += (x << 1) + 1;

上面的例子是想做什么呢？其实它是想将3x+1的值赋给x。

但是这样写出来让人很难理解，所以我们需要避免这样实现。

再看下面的一个例子：

    public void testBitwiseOperation(){
        int i = -10;
        System.out.println(i>>>2);
        System.out.println(i>>2);
        System.out.println(i/4);
    }

本来我们想做的是将i除以4，结果发现只有最后一个才是我们要的结果。

我们来解释一下，第一个i>>>2是逻辑右移，将会把最左边的填充成0,所以得出的结果是一个正值1073741821。

第二个i>>2是算数右移，最左边的还是会填充成1，但是会向下取整，所以得出结果是-3.

直接使用i/4，我们是向上取整，所以得出结果是-2.

注意不要使用0作为除数

我们在使用变量作为除数的时候，一定要注意先判断是否为0.

兼容C++的无符号整数类型

在java中只有16位的char表示的是无符号整数，而int实际上表示的是带符号的整数。

而在C或者C++中是可以直接表示无符号的整数的，那么，如果我们有一个32位的无符号整数，该怎么用java来处理呢？

    public int readIntWrong(DataInputStream is) throws IOException {
        return is.readInt();
    }

看上面的例子，我们从Stream中读取一个int值，如果是一个32位的无符号整数，那么读出来int就变成了有符号的负整数，这和我们的期望是相符的。

考虑一下，long是64位的，我们是不是可以使用long来表示32位的无符号整数呢？

    public long readIntRight(DataInputStream is) throws IOException{
        return is.readInt() & 0xFFFFFFFFL; // Mask with 32 one-bits
    }

看上面的例子，我们返回的是long，如果将32位的int转换成为64位的long，会自动根据符号位进行补全。

所以这时候我们需要和0xFFFFFFFFL进行mask操作，将高32位重置为0.

NAN和INFINITY

在整型运算中，除数是不能为0的，否则直接运行异常。但是在浮点数运算中，引入了NAN和INFINITY的概念，我们来看一下Double和Float中的定义。

public static final double POSITIVE_INFINITY = 1.0 / 0.0;
public static final double NEGATIVE_INFINITY = -1.0 / 0.0;
public static final double NaN = 0.0d / 0.0;

public static final float POSITIVE_INFINITY = 1.0f / 0.0f;
public static final float NEGATIVE_INFINITY = -1.0f / 0.0f;
public static final float NaN = 0.0f / 0.0f;

1除以0就是INFINITY，而0除以0就是NaN。

接下来，我们看一下NAN和INFINITY的比较：

public void compareInfinity(){
    System.out.println(Double.POSITIVE_INFINITY == Double.POSITIVE_INFINITY);
    }

运行结果是true。

    public void compareNaN(){
        System.out.println(Double.NaN == Double.NaN);
    }

运行结果是false。

可以看到NaN和NaN相比是false。

那么我们怎么比较NaN呢？

别急，Double提供了一个isNaN方法，我们可以这样使用：

System.out.println(Double.isNaN(Double.NaN));

接下来我们看一个在代码中经常会用到的一个Double解析：

    public void incorrectParse(String userInput){
        double val = 0;
        try {
            val = Double.valueOf(userInput);
        } catch (NumberFormatException e) {
        }
        //do something for val
    }

这段代码有没有问题？咋看下好像没有问题，但是，如果我们的userInput是NaN，Infinity，或者-Infinity，Double.valueOf是可以解析得到结果的。

    public void testNaN(){
        System.out.println(Double.valueOf("NaN"));
        System.out.println(Double.valueOf("Infinity"));
        System.out.println(Double.valueOf("-Infinity"));
    }

运行输出：

NaN
Infinity
-Infinity

所以，我们还需要额外去判断NaN和Infinity：

public void correctParse(String userInput){
        double val = 0;
        try {
            val = Double.valueOf(userInput);
        } catch (NumberFormatException e) {
        }
        if (Double.isInfinite(val)){
            // Handle infinity error
        }

        if (Double.isNaN(val)) {
            // Handle NaN error
        }
        //do something for val
    }

不要使用float或者double作为循环的计数器

考虑下面的代码：

for (float x = 0.1f; x <= 1.0f; x += 0.1f) {
  System.out.println(x);
}

上面的代码有什么问题呢？

我们都知道java中浮点数是不准确的，但是不一定有人知道为什么不准确。

这里给大家解释一下，计算机中所有与的数都是以二进制存储的，我们以0.6为例。

0.6转成为二进制格式是乘2取整，0.6x2=1.2，取整剩余0.2，继续上面的步骤0.2x2=0.4，0.4x2=0.8,0.8x2=1.6,取整剩余0.6，产生了一个循环。

所以0.6的二进制格式是.1001 1001 1001 1001 1001 1001 1001 ... 无限循环下去。

所以，有些小数是无法用二进制精确的表示的，最终导致使用float或者double作为计数器是不准的。

BigDecimal的构建

为了解决float或者Double计算中精度缺失的问题，我们通常会使用BigDecimal。

那么在使用BigDecimal的时候，请注意一定不要从float构建BigDecimal，否则可能出现意想不到的问题。

    public void getFromFloat(){
        System.out.println(new BigDecimal(0.1));
    }

上面的代码，我们得到的结果是：0.1000000000000000055511151231257827021181583404541015625。

这是因为二进制无法完美的展示所有的小数。

所以，我们需要从String来构建BigDecimal：

    public void getFromString(){
        System.out.println(new BigDecimal("0.1"));
    }

类型转换问题

在java中各种类型的Number可以互相进行转换：

比如：

short to byte or char
char to byte or short
int to byte, short, or char
long to byte, short, char, or int
float to byte, short, char, int, or long
double to byte, short, char, int, long, or float

或者反向：

byte to short, int, long, float, or double
short to int, long, float, or double
char to int, long, float, or double
int to long, float, or double
long to float or double
float to double

从大范围的类型转向小范围的类型时，我们要考虑是否超出转换类型范围的情况：

    public void intToByte(int i){
        if ((i < Byte.MIN_VALUE) || (i > Byte.MAX_VALUE)) {
            throw new ArithmeticException("Value is out of range");
        }
        byte b = (byte) i;
    }

比如上面的例子中，我们将int转换成为byte，那么在转换之前，需要先判断int是否超出了byte的范围。

同时我们还需要考虑到精度的切换，看下面的例子：

    public void intToFloat(){
        System.out.println(subtraction(1111111111,1111111111));
    }

    public int subtraction(int i , float j){
        return i - (int)j;
    }

结果是多少呢？

答案不是0，而是-57。

为什么呢？

因为这里我们做了两次转换，第一次从1111111111转换到float，float虽然有32位，但是只有23位是存放真正的数值的，1位是符号位，剩下的8位是指数位。

所以从1111111111转换到float发送了精度丢失。

我们可以把subtraction方法修改一下，首先判断float的范围，如果超出了23bit的表示范围，则说明发送了精度丢失，我们需要抛出异常：

    public int subtraction(int i , float j){
        System.out.println(j);
        if ((j > 0x007fffff) || (j < -0x800000)) {
            throw new ArithmeticException("Insufficient precision");
        }
        return i - (int)j;
    }

当然还有一种办法，我们可以用精度更高的double来做转换，double有52位来存放真正的数据，所以足够了。

    public int subtractionWithDouble(int i , double j){
        System.out.println(j);
        return i - (int)j;
    }

本文的代码：

learn-java-base-9-to-20/tree/master/security

本文已收录于 http://www.flydean.com/java-security-code-line-number/

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Number的范围

区分位运算和算数运算

注意不要使用0作为除数

兼容C++的无符号整数类型

NAN和INFINITY

不要使用float或者double作为循环的计数器

BigDecimal的构建

类型转换问题

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