C++のオーバーフローは、「数値が大きすぎた」という単純な話ではありません。
型・仕様・最適化・暗黙変換が複雑に絡み合い、場合によっては「バグですらない未定義動作」を引き起こします。
ここでは、C++標準に沿って“何が保証され、何が保証されないのか”を整理します。
オーバーフローとは何か
オーバーフローとは、ある型が表現できる数値の範囲を超える結果が生じることを指します。
ただしC++では、「オーバーフローが起きた瞬間に何が起こるか」は型によって完全に異なるという点が重要です。
signed 整数型のオーバーフローは未定義動作
int や long などの signed 整数型で、表現可能な範囲を超える計算結果が発生した場合、その挙動は 未定義動作（Undefined Behavior） になります。
未定義動作とは、
- 値がどうなるかは保証されない
- プログラムが正常に見えても、内部的には破綻している可能性がある
- コンパイラは「その状況は起きないもの」と仮定して最適化してよい
という、C++で最も危険な状態です。
重要なのは、「たまたま正しい値に見える」「今の環境では動いている」という事実には一切の意味がないという点です。
仕様上、signed 整数のオーバーフローが発生した瞬間、そのプログラムの振る舞いは完全に未保証になります。
未定義動作が最適化に与える影響
コンパイラは、signed 整数がオーバーフローしない前提で最適化を行います。
そのため、論理的には成立しないような最適化が実行されることがあります。
これは「コンパイラのバグ」ではありません。
オーバーフローしないという前提を破った側（プログラマ）が仕様違反をしているためです。
この特性により、
- 条件分岐が削除される
- 比較結果が固定される
- 実行順序が変えられる
といった現象が起き得ます。
unsigned 整数型はラップアラウンドが保証されている
一方、unsigned int などの unsigned 整数型では事情がまったく異なります。
unsigned の算術演算は、常に一定の値で剰余を取る（modulo演算）として定義されています。
つまり、表現範囲を超えた場合は 先頭に戻る（ラップアラウンドする）ことが仕様で保証されています。
このため、unsigned 整数では「オーバーフローによる未定義動作」は発生しません。
ただし注意点として、
- unsigned が「安全」という意味ではない
- 負数が存在しないため、意図しない巨大な値になる
- 条件分岐や比較が直感と逆になる
といった論理バグの温床になりやすい性質があります。
signed と unsigned の混在は特に危険
C++では、signed と unsigned を混在させた場合、暗黙の型変換が発生します。
この変換は多くの場合、signed 側が unsigned に変換される方向で行われます。
結果として、
- 負の値が非常に大きな正の値に変換される
- 比較結果が人間の直感と真逆になる
- 境界条件のバグが発生する
といった問題が起こります。
特に size_t（配列サイズやコンテナサイズで使われる型）は unsigned であるため、signed なインデックスやカウンタと混在させると高確率でバグになります。
浮動小数点型のオーバーフローは未定義動作ではない
float や double などの 浮動小数点型では、整数型とは異なり、オーバーフローは未定義動作にはなりません。
一般的な処理系（IEEE 754 準拠）では、
- 表現範囲を超えると無限大（±∞）になる
- 同時に浮動小数点例外フラグが立つ可能性がある
という挙動になります。
ただし、
- 丸めモード
- 浮動小数点環境の設定
- 実装依存の挙動
といった要素が絡むため、「必ずこうなる」と断定するより、通常はこのように扱われると理解するのが正確です。
オーバーフロー対策の正しい考え方
C++では、通常の算術演算子がオーバーフローを検出して例外を投げることはありません。
try-catch で防げる、という考え方は誤りです。
現実的な対策は以下の発想に集約されます。
- 計算はより広い型で行う
- 保存する段階で狭い型に収める
- 演算前に明示的に範囲チェックを行う
- signed と unsigned を混在させない
- コンパイラ警告を最大限有効にする
- 開発時は未定義動作を検出するツールを使う
「動いているから大丈夫」ではなく、「仕様上保証されているかどうか」で判断することが重要です。
まとめ：C++のオーバーフローで押さえるべき本質
- signed 整数のオーバーフローは未定義動作
- unsigned 整数は modulo 演算として定義されている
- 未定義動作は最適化によって予測不能な結果を生む
- signed / unsigned の混在は最も事故が多い
- 浮動小数点のオーバーフローは未定義動作ではない
- 標準の算術演算子はオーバーフロー検出を行わない
C++におけるオーバーフローは、「気をつければ避けられる落とし穴」ではなく、理解していないと必ず踏む仕様上の地雷です。
この構造を正しく理解していれば、
・なぜバグが再現しないのか
・なぜ最適化で壊れるのか
・なぜ環境を変えると挙動が変わるのか
といった疑問が、すべて一本の線でつながるはずです。
以上、C++のオーバーフローについてでした。
最後までお読みいただき、ありがとうございました。
