[C++知识库]避坑必看：C++移植C语言结构体char短整形导致生产事故分析

在C语言中，整数类型有很多类似UINT32这样的指代类型，以便在不同的字长的硬件里，确定使用特定长度（如32比特）的整数。在C中，从整形往字符串的转换一般是调用一些函数，如printf, 并人为指定一个类型说明符，比如 %d 来完成。若迁移C的工程到C++，则要额外注意类型的敏感性。在产生字符串时，不指定类型的C++调用，会把char作为字符处理，导致诡异的问题。

下面这个例子就是最近协助解决的一个非常典型的类型问题，在一个生产系统里存在多年，直到传感器扩容后才爆发，造成了经济损失。

1. C示意程序

老版软件，使用一个结构体存储传感器的电压（代表温度），并插入到数据库里。由于是控制台程序，采用的是管道重定向，即直接生成INSERT语句，而后定向到数据库的控制台客户端中执行。

#include <stdio.h>
typedef struct tag_item{
	unsigned int timestamp;
	int vol;
	char  machine_id;
} ITEM;

int main()
{
	ITEM item;
	item.timestamp = 1646587837;
	item.machine_id = 66;
	item.vol = 12;
	printf("INSERT INTO mlog(tmstmp,vol,machine) VALUES (%u, %d, 'M_%d');\n"
		   , item.timestamp
		   , item.vol
		   , item.machine_id
		   );
	return 0;
}

此时，会输出：

INSERT INTO mlog(tmstmp,vol,machine) VALUES (1646587837, 12, 'M_66');

这个例子里，machine字段在数据库里是字符串，因此采用引号包裹。但这种字符串类型的字段，是不会检查“66”这个整形的有效性的。

2. C++Qt示意程序

新版软件，是这样处理的：

#include <QCoreApplication>
#include <QTextStream>
struct tag_item{
	long long timestamp;
	int vol;
	char  machine_id;
};

int main(int argc, char * * argv)
{
	QCoreApplication a(argc,argv);
	tag_item item;
	item.timestamp = 1646587837;
	item.vol = 12;
	item.machine_id = 66;

	QString sql = QString("INSERT INTO mlog(tmstmp,vol,machine) VALUES (%1,%2,'M_%3');\n")
			.arg(item.timestamp)
			.arg(item.vol)
			.arg(item.machine_id);

	QTextStream stm(stdout);

	stm << sql;
	return 0;
}

程序输出为：

INSERT INTO mlog(tmstmp,vol,machine) VALUES (1646587837,12,'M_B');

注意到了吧？66被作为char类型的ascii码，转换为了"B"

3. 问题的隐藏

这个系统部署了3年了，产生无数的记录，但是一直都很正常。

用户不知道正常的ID应该是M66,M67，负责的工人在界面记录的是 M_B,M_C。工人知道M_B在电镀车间，M_X在制氧车间的液箱里。如果当时安装传感器的师傅知道内部规则，就会发现水箱上贴的标记是诡异的。由于工程一期的传感器不多，传感器的取值恰好位于字母区，这个问题就一直隐藏在这里。

此外，上位机上的程序过于简单，传感器首次上线，只是检查传感器的ID有无重复，并不检查取值。如果发现了新的传感器，则直接插入，并提示车间助理录入位置、温度报警范围等参数。系统部署以来，在界面上展示的始终就是 M_B这样的字母ID！就连公司的客服也以为这是正常的。

4. 问题爆发和修复

直到今年夏天疫情结束，生产线重启前，趁机批量更换并扩容，导致出现了反斜杠（92号传感器的ASCII）转译问题：

INSERT INTO mlog(tmstmp,vol,machine) VALUES (1646587837,12,'M_\');

而这些有问题的语句导致事务的失败和回滚，同一个事务内的所有INSERT全部丢失。由此带来的温控系统得不到及时、正确的反馈，液体温度过热，生产线停机。解决的方法很简单, 强制转换为qint8：

	QString sql = QString("INSERT INTO mlog(tmstmp,vol,machine) VALUES (%1,%2,'M_%3');\n")
			.arg(item.timestamp)
			.arg(item.vol)
			.arg((qint8)item.machine_id);

但是损失是很大的，造成了液料损失，和管道清洗损失共计20多万元。

5. 问题测试

问题根源是没有正确估计到C++的自动类型判断带来的潜在问题。C++自动通过类型来决定策略，可以用下面的例子具体观察：

#include <QCoreApplication>
#include <QTextStream>
#include <iostream>
struct tag_item{
	long long timestamp;
	int vol;
	char  machine_id;
};

template <typename T>
void test(T v)
{
	QTextStream stm(stdout);
	stm << "typeid=" << typeid(v).name() <<"\n";
	stm << "\tTest QTextStream : "
		<< v
		<< "\n";

	stm << "\tTest QString()   : "
		<< QString("%1").arg(v)
		<< "\n";

	stm.flush();

	std::cout << "\tTest iostream    : "
		<< v
		<< "\n";
}

int main(int argc, char * * argv)
{
	QCoreApplication a(argc,argv);
	tag_item item;
	item.timestamp = 1646587837;
	item.vol = 12;
	item.machine_id = 66;

	test(item.machine_id);
	test((char)		item.machine_id);
	test((qint8)	item.machine_id);
	test((__int8_t)	item.machine_id);
	test((unsigned char)	item.machine_id);
	test((quint8)			item.machine_id);
	test((int)				item.machine_id);
	return 0;
}

输出为：

typeid=c
	Test QTextStream : B
	Test QString()   : B
	Test iostream    : B
typeid=c
	Test QTextStream : B
	Test QString()   : B
	Test iostream    : B
typeid=a
	Test QTextStream : 66
	Test QString()   : 66
	Test iostream    : B
typeid=a
	Test QTextStream : 66
	Test QString()   : 66
	Test iostream    : B
typeid=h
	Test QTextStream : 66
	Test QString()   : 66
	Test iostream    : B
typeid=h
	Test QTextStream : 66
	Test QString()   : 66
	Test iostream    : B
typeid=i
	Test QTextStream : 66
	Test QString()   : 66
	Test iostream    : 66

可见，无论是用标准C++或者Qt,都存在char类型的自动转换注意事项。

（生产环境为传感器嵌入式Linux系统+Linux上位机）