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Porque é que esta conta (100 * 22118400) / 44954676 em Java dá um número negativo?

-46

/* package whatever; // don't place package name! */

import java.util.*;
import java.lang.*;
import java.io.*;

/* Name of the class has to be "Main" only if the class is public. */
class Ideone
{
    public static void main (String[] args) throws java.lang.Exception
    {
        System.out.println(((100 * 22118400) / 44954676));
    }
}

Exemplo no Ideone

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  • 1
    Pergunta clássica :). Commented 15/04/2015 às 13:26
  • Porque a linguagem é ruim.
    – epx
    Commented 10/02/2023 às 1:43

2 Respostas 2

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Na verdade, o problema ocorre na expressão 100 * 22118400. Ele ultrapassa o limite de valor positivo de um inteiro e o Java optou, provavelmente por performance, em assumir um comportamento em vez de gerar uma exceção de overflow. Este comportamento é justamente fazer a conta com os bits que conseguir e pegar o valor resultante mesmo que ele não seja o que se espera.

Neste caso quando passa de 2147483647 (2 elevando a 31 menos 1), ele muda o bit mais significativo que é do sinal, afinal o tipo int é signed. O trigésimo segundo bit é o sinal. Então esta expressão se transforma em negativo e afetará o resto da expressão. Ou seja, ele faz a conta ignorando que existe uma bit de sinal e que ele não deveria ser alterando quando uma conta é tentada.

Como o Java não tem uma construção específica na linguagem para estabelecer que a verificação deve ser feita (C# tem), você deve fazer por conta própria, provavelmente criando um método que deve ser usado em todos os lugares em vez do operador. Outra solução parcial é usar tudo long que funciona até estourar o limite do long. Ou usar o BigInteger que aceita qualquer tamanho. Em alguns casos um tipo de ponto flutuante pode ser útil. Nenhuma é muito boa. Então a solução real é lembrar disto e ser seletivo quando houver o risco.

Coloquei no GitHub para referência futura.

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  • Nada relevante, mas no trecho "[...]criando um método que deve ser uado em todos os lugares [..]" não era para ser usado ao invés de uado? Commented 16/04/2015 às 13:07
  • @JoãoPauloPulga isto, quando é assim, pode editar, eu aprovo a edição.
    – Maniero
    Commented 16/04/2015 às 13:14
  • Dava +1 se pudesse pela última frase.
    – Jorge B.
    Commented 16/04/2015 às 15:18
  • @bigown Eu ia editar, mas o aparecia que para fazer uma edição, tinha que editar pelo menos 6 caracteres... (E não quis mudar a sua resposta, pois esta muito boa, por isso te avisei) Commented 16/04/2015 às 16:27
  • 1
    Para quem ficar com alguma dúvida veja a resposta do @qmechanik.
    – Jorge B.
    Commented 17/04/2015 às 8:03
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A operação 100 x 22118400 resulta num valor que excede a capacidade (2³¹ -1 ou 2147483647) que um inteiro de 32-bits pode suportar, o que ocasiona um Integer Overflow, um transbordamento. Normalmente a JVM não lança nenhum alerta ou exceção sobre isto, segundo a documentação, 2.11.3. Arithmetic Instructions:

A JVM não indica overflow durante as operações em tipos de dados inteiro. As únicas operações com números inteiros que podem lançar exceções são as instruções de divisão (iDiv e ldiv) e as instruções de resto da divisão inteira (Irem e lrem), que lançam uma ArithmeticException se o divisor é zero.

O resultado negativo dessa operação é devido ao retorno vir no formato Complemento para dois, que é utilizado para representar inteiros negativos, a documentação cita o seguinte, 15.17.1. Multiplication Operator:

Se um overflow ocorrer na multiplicação de inteiros, o resultado são os bits menos significativos, representado no formato complemento de dois. Como resultado, se ocorre overflow, o sinal do resultado pode não ser o mesmo que o sinal do produto matemático dos dois valores dos operandos.

Considerando o código abaixo:

public static void main (String[] args) throws java.lang.Exception {
    // 100 * 22118400 = -2083127296, quando divido por 44954676, resulta em -46..
    System.out.println(((100 * 22118400) / 44954676)); 
}

Representação Binária

O número 100 em binário é representado por 1100100, e 22118400 é 1010100011000000000000000. Na multiplicação binária obtemos como resultado 10000011110101100000000000000000, que quando convertido para decimal resulta 2211840000, o valor esperado. A ilustração abaixo mostra como a multiplicação foi feita:

inserir a descrição da imagem aqui

Resolução

Para contornar este problema se deve utilizar um tipo que ofereça maior capacidade de armazenamento, Long (2⁶³ -1 ou 9223372036854775807L) é um exemplo:

public static void main (String[] args) throws java.lang.Exception {
    System.out.println(((100 * 22118400L) / 44954676)); // 49, correto!
}

DEMO

Se você não se sentir seguro ao usar um tipo como o Long, ou não souber o valor que uma variável pode assumir, considere usar a classe BigInteger, teoricamente não há um limite, será alocado a quantidade de memória que for necessária para manter a informação recebida, claro que há limites práticos como a disponibilidade de memória, porém é algo bastante difícil de acontecer.

Segue um exemplo de uso da BigInteger:

public static void main (String[] args) throws java.lang.Exception {
    BigInteger valor1 = new BigInteger("100");
    BigInteger valor2 = new BigInteger("22118400");
    BigInteger valor3 = new BigInteger("44954676");

    BigInteger mul = valor1.multiply(valor2);
    BigInteger divisao = soma.divide(valor3);
    System.out.printf("A multiplicação entre %d e %d resulta %d\n", valor1, valor2, mul);
    System.out.printf("A divisão entre %d e %d resulta %d", soma, valor3, divisao);
}

DEMO

Detecção de Overflows

Em versões anteriores ao Java 8, não há métodos nativos que auxiliam a detectar Overflows, o que cabe a você fazer isto. Uma das formas de detecção é verificar se o valor de uma variável do tipo Long está dentro da gama aceitável do tipo inteiro, em outras palavras:

public static int mult(int a, int b) throws ArithmeticException {
    long resultado = a * (long) b;    
    if (resultado > Integer.MAX_VALUE || resultado < Integer.MIN_VALUE){
        throw new ArithmeticException("Integer overflow");
    }
    return (int) resultado;
}

E utilizá-lo do seguinte modo:

public static void main (String[] args) throws java.lang.Exception {
    int valor1 = 100;
    int valor2 = 22118400;
    int valor3 = 44954676;

    int mul = mult(valor1, valor2);
    int divisao = soma / valor3;
    System.out.printf("A soma entre %d e %d resulta %d\n", valor1, valor2, mul);
    System.out.printf("A divisão entre %d e %d resulta %d", soma, valor3, divisao);
} 

O código acima vai gerar a seguinte exceção:

Exception in thread "main" java.lang.ArithmeticException: Integer overflow

DEMO

No Java 8, foram adicionados métodos que se encarregam de realizar as operações aritméticas e se houver Oveflows/Underflows, uma exceção ArithmeticException é lançada. Os seguintes métodos foram adicionados na classe java.lang.Math:

Int                                            Long
-----------------------------------------------------------------------------------------------
public static int addExact(int x, int y)       public static long addExact(long x, long y)
public static int decrementExact(int a)        public static long decrementExact(long a)
public static int incrementExact(int a)        public static long incrementExact(long a)
public static int multiplyExact(int x, int y)  public static long multiplyExact(long x, long y)
public static int negateExact(int a)           public static long negateExact(long a)
public static int subtractExact(int x, int y)  public static long subtractExact(long x, long y)
public static int toIntExact(long value)

Segue um exemplo:

public static void main (String[] args) throws java.lang.Exception {
    int valor1 = 100;
    int valor2 = 22118400;
    int valor3 = 44954676;

    int mul = Math.multiplyExact(valor1, valor2);
    int divisao = Math.floorDiv(soma, valor3);
    System.out.printf("A soma entre %d e %d resulta %d\n", valor1, valor2, mul);
    System.out.printf("A divisão entre %d e %d resulta %d", soma, valor3, divisao);
}

O código acima vai gerar a seguinte exceção:

Exception in thread "main" java.lang.ArithmeticException: integer overflow

DEMO

Referências


A título de curiosidade, o Youtube em dezembro de 2014 foi forçado a usar um inteiro de 64-bits (9223372036854775808), depois que o vídeo PSY - GANGNAM STYLE (강남스타일) M/V, atingiu o limite de visualizações (2147483647, valor máximo de um inteiro de 32-bits).

inserir a descrição da imagem aqui Créditos da imagem: RST

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  • Esperando pelo continua...
    – Jorge B.
    Commented 16/04/2015 às 15:16
  • @JorgeB. Editei a resposta, veja se há algo a melhorar ainda.
    – stderr
    Commented 17/04/2015 às 5:12
  • 2
    Excelente resposta! É por estas respostas que vale a pena pertencer a esta comunidade. Vou manter a outra resposta como certa simplesmente por estar de uma forma mais resumida. Mas acho que as duas se complementam bem.
    – Jorge B.
    Commented 17/04/2015 às 8:05
  • A ilustração da soma em binário explica exatamente o que aconteceu.
    – deldev
    Commented 22/04/2015 às 13:04

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