我摸鱼写的Java代码意外称霸StackOverflow十年：有bug！

 

编译：奇安信代码卫士团队

Stack Overflow 上有一个 Java 代码片段称霸十年，是 Java 开发人员最爱复制的片段。超过6000个 GitHub Java 项目中复制并内嵌了该代码，远超 Stack Overflow 上的其它Java 片段。该片段的作者本尊Andreas Lundblad 刚刚发布博客文章来修 bug 了……

 

很久以前，久到离谱……

那还是在2010年，当时我在办公室摸鱼，去Stack Overflow 上精简精简代码，看看自己得到多少小星星。

突然，我看到了一个提问：如何才能把 Java 中的字节数数变成人类可读的格式呢？通俗地讲一下，就是如何把 123,456,789 字节这样的格式转化成“123.5MB”？

这里的隐含规范是，格式化后的字符串的值应该介于1到999.9之间，然后跟一个大小适当的后缀。

当时已经有人给出了一个答案。答案中的代码基于循环。它的思路很简单：try 所有大小，从最大（EB=1-18字节）到最小（B=1字节），然后使用小于字节数的第一个数。用伪代码表示一下就是：

suffixes   = [ "EB", "PB", "TB", "GB", "MB", "kB", "B" ]
magnitudes = [ 1018, 1015, 1012, 109, 106, 103, 100 ]
i = 0
while (i < magnitudes.length && magnitudes[i] > byteCount)
    i++
printf("%.1f %s", byteCount / magnitudes[i], suffixes[i])

一般来说，如果已经发布的正确答案的分数为正，那么别人很难追上。在 Stack Overflow 术语中，这种情况被叫做“西部问题快枪手 (Fastest Gun in the West Problem)”。从本案例来看，因为现有答案确实存在一些缺陷，因此我还有机会反超。至少我还可以大幅度清理下循环代码。

 

代数神助攻

灵感来了。kB、MB、GB等等什么的不就是1000的幂（或者 IEC 标准中的1024）吗？也就是说我可以使用对数而不是循环来计算正确的后缀是什么。

基于这个思路，我给出了自己的答案：

public static String humanReadableByteCount(long bytes, boolean si) {
    int unit = si ? 1000 : 1024;
    if (bytes < unit) return bytes + " B";
    int exp = (int) (Math.log(bytes) / Math.log(unit));
    String pre = (si ? "kMGTPE" : "KMGTPE").charAt(exp-1) + (si ? "" : "i");
    return String.format("%.1f %sB", bytes / Math.pow(unit, exp), pre);
}

当然，我写的代码可读性并不高，而且 log/pow 可能使效率逊色于其它解决方案。但它的优点在于没有循环、几乎没有分支，所以我觉得挺整洁的。

解释下背后的数学知识，其实挺简单的。字节计数表示为 byteCount = 1000s，其中s 表示比例尺（二进制表示法中，使用基数1024）。求解 s 得出 s = log1000 (byteCount)。API 中没有现成可用的 log1000，但是我们可以用自然对数表示为 s=log(byteCount)/log(1000)。之后给出s的下限（转换为整型），因为如果出现的情况是，比如大于1的兆字节 (MB)（但并非完整的千兆字节），则希望使用 MB 作为大小。

此时，如果 s=1，则比例尺为千字节，如果s=2则比例尺为兆字节，以此类推。我们将 byteCount 除以1000，然后在相应的字母前缀上做文章。

提交答案后，我只要静等大家对它的满意度就行了。然而，我万万没料到它之后竟然能成为 Stack Overflow 上被复制次数最多的代码片段。

 

研究代码署名问题的论文来了

时间快进到2018年。一位名叫Sebastian Baltes 的博士在《实证性软件工程》期刊上发表了一篇名为《GitHub 项目对 Stack Overflow 代码片段的使用和署名问题》的论文，它解决的是这样一个问题：复制代码时是否尊重Stack Overflow 的 CC BY-SA 3.0 许可证？也就是说从 Stack Overflow 上复制代码时，应该如何分配署名情况？

他们在分析中从Stack Overflow 数据转出中提取了一些代码片段，并将其和 GitHub 公开库中的代码进行匹配。论文摘要如下：

“我们分析了GitHub (GH) 项目中源自 Stack Overflow 上大量 Java 代码片段的使用和署名问题，并给出大规模的实证研究结果。”（提前剧透：多数人在使用时候并未给出署名。）

他们在论文中给出如下表格：

排在第一名的id 为3758880的答案碰巧就是我在8年前给出的那个答案。此时答案的浏览量已经超过10万次，收获的赞也超过1000个。

在GitHub 上搜一下确实能看到数千次有关 humanReadableByteCount 的结果。

你可以在本地发出的仓库中查看下自己是否用了这段代码：

$ git grep humanReadableByteCount

插播有趣的相遇故事：我是怎么了解到这项研究的？Sebastian 从 OpenJDK 仓库中找到一个匹配结果。其中并没有署名来源而且 OpenJDK 许可证并不兼容 CC BY-SA 3.0。他于是找到运维邮件列表询问 Stack Overflow 上的这段代码是否是从 OpenJDK 复制的，还是有其它情况。

有意思的是，我曾在甲骨文工作，碰巧也是在 OpenJDK 项目组。于是我的前同事也是朋友就回复他说：

你好，

你为啥不直接问Stack Overflow 帖子的作者 (aioobe) 呢？他也是 OpenJDK 的奉献者而且他在甲骨文工作时把这段代码写在了 OpenJDK 源仓库中。

甲骨文并未掉以轻心。我碰巧知道甲骨文的一些人看到这个答复时松了一口气，而且在受到“指责”后简直可以说是喜上眉梢。

Sebastian 之后就直接找我询问，我答复他说：我发布帖子时还未入职甲骨文，而且我并未负责那个补丁。和甲骨文开玩笑啦。之后不久这个问题就被提交给 OpenJDK，代码也被移除了。

 

Bug 来了

我猜你肯定在想，这个代码片段中的 bug 到底是什么啊？

我们再来看下：

public static String humanReadableByteCount(long bytes, boolean si) {
    int unit = si ? 1000 : 1024;
    if (bytes < unit) return bytes + " B";
    int exp = (int) (Math.log(bytes) / Math.log(unit));
    String pre = (si ? "kMGTPE" : "KMGTPE").charAt(exp-1) + (si ? "" : "i");
    return String.format("%.1f %sB", bytes / Math.pow(unit, exp), pre);
}

1018兆兆字节之后是1021泽字节。有没有这样一种可能：输入一个很大很大的数时，会导致“Kmgtpe”字符串索引超出范围？并不会。因为最大的 long 值是 263-1≈9.2×1018 ，因此任何 long值都不会超出 EB范围。

那 SI 和二进制之间会不会混淆？也不会。早期的答案版本有混淆情况但很快就被修复了。

那么 exp 以0 结尾会不会导致charAt(exp-1) 失败？也不会。第一个 if 语句涵盖了这种情况。 exp 的值将始终至少为1。

那么是不是输出结果中出现了诡异的舍入错误？好吧，我们来看看……

 

很多个9

这个答案一直都运行正常，直到 1MB时出问题了。当输入是999,999时，结果（SI 模式）是“1000.0kB”。虽然999,999确实更接近1,000x 10001而不是999.9 x10001 ，但根据标准要求，1,000 的“有效位数”超出了范围。正确的结果应该是“1.0MB”。

不管咋样，所有发布的22个答案，包括使用 Apache Commons 和 Android 库的答案中在本文成文时都存在这个 bug（或其变体）。

那么我们如何修复这个问题呢？首先我们注意到，一旦字节数更接近1×1,0002 (1 MB)而非999.9×10001 (999.9 k)，那么指数 (exp) 就应该尽快从“k”转变为“M”。这种情况会在 999,950 时发生。同样，我们应该在超过 999,959,000时，将“M”切换为“G”，以此类推。

为此，我们计算得出这个阈值并且如果 bytes 更大时，则增加exp：

if (bytes >= Math.pow(unit, exp) * (unit - 0.05))
    exp++;

更改后，代码运行正常，但到了 1EB 又出问题了。

 

更多的9

如果输入999,949,999,999,999,999，那么现在的结果就是1000.0 PB，但正确结果应该是999.9 PB。从数学上来说，这个代码结果是准确的，但到底出啥问题了？

这时就有必要看看double 的精度局限性了。

浮点算术101

按照IEEE 754 标准表示的接近0的浮点数值非常密集而大值非常稀疏。实际上超过一半的值都介于-1和1之间，当谈论大的 double 时，实际上像Long.MAX_VALUE 这样的值毫无意义。

double l1 = Double.MAX_VALUE;
double l2 = l1 - Long.MAX_VALUE;
System.err.println(l1 == l2);  // prints true

更多深入讲解可见：https://programming.guide/bits-of-a-floating-point-value.html。

这里存在两个有问题的计算：

• String.format 参数中的除法，以及
• 增加 exp 的阈值

我们可以切换到BigDecimal，但这样做还有啥乐趣！另外，由于标准 API 中并不存在BigDecimal 日志函数，因此会搞得一团糟。

 

缩小中间值

对于第一个问题，我们将字节值缩小到精度更好的范围，并且对exp 进行相应的调整。最终结果都是四舍五入的，因此我们丢掉最低的有效数字也没事。

if (exp > 4) {
    bytes /= unit;
    exp--;
}

 

调整最低有效位

至于第二个问题，我们确实需要注意最低有效位（999,949,99…9 和999,950,00…0应该以不同的指数结尾），因此该问题要求使用其它解决方案。

首先，我们注意到阈值有12种不同的可能值（每种模式为6种），并且其中只有一个会出现问题。我们可以通过以 D0016 结尾的事实来唯一识别这个出问题的值。如果真是这样，那么我们只要将其调整为正确的值即可。

long th = (long) (Math.pow(unit, exp) * (unit - 0.05));
if (exp < 6 && bytes >= th - ((th & 0xFFF) == 0xD00 ? 52 : 0))
    exp++;

由于我们依赖浮点结果中的特定位模式，因此我们调整了 strictfp 来确保其不受硬件运行代码的影响。

 

负值输入

目前尚不清楚在什么情况下会输入负的字节计数，但既然 Java 中并没有无符号的 long，那么我们最好也把这个问题解决了。现在，如果输入 -10,000，那么结果是 -10000 B。

我们来看下absBytes：

long absBytes = bytes == Long.MIN_VALUE ? Long.MAX_VALUE : Math.abs(bytes);

这个复杂的表达式是由 -Long.MIN_VALUE == Long.MIN_VALUE 的事实造成的。现在我们使用 absBytes 而非 bytes 来执行和 exp 有关的所有运算。

 

最终版本

这是该代码的最终版，本着原始版本的精神进行了精简：

// From: https://programming.guide/the-worlds-most-copied-so-snippet.html
public static strictfp String humanReadableByteCount(long bytes, boolean si) {
    int unit = si ? 1000 : 1024;
    long absBytes = bytes == Long.MIN_VALUE ? Long.MAX_VALUE : Math.abs(bytes);
    if (absBytes < unit) return bytes + " B";
    int exp = (int) (Math.log(absBytes) / Math.log(unit));
    long th = (long) (Math.pow(unit, exp) * (unit - 0.05));
    if (exp < 6 && absBytes >= th - ((th & 0xfff) == 0xd00 ? 52 : 0)) exp++;
    String pre = (si ? "kMGTPE" : "KMGTPE").charAt(exp - 1) + (si ? "" : "i");
    if (exp > 4) {
        bytes /= unit;
        exp -= 1;
    }
    return String.format("%.1f %sB", bytes / Math.pow(unit, exp), pre);
}

需要注意的是，这个代码片段的初衷是避免使用循环和过多的分支。经过把所有的情况一一考虑进去后，它的可读性更差了。我个人并不会把这个代码片段复制到生产代码中。

不过我更新了一个可以用于生产代码的版本，如下：

SI(1 k = 1,000)

public static String humanReadableByteCountSI(long bytes) {
    String s = bytes < 0 ? "-" : "";
    long b = bytes == Long.MIN_VALUE ? Long.MAX_VALUE : Math.abs(bytes);
    return b < 1000L ? bytes + " B"
            : b < 999_950L ? String.format("%s%.1f kB", s, b / 1e3)
            : (b /= 1000) < 999_950L ? String.format("%s%.1f MB", s, b / 1e3)
            : (b /= 1000) < 999_950L ? String.format("%s%.1f GB", s, b / 1e3)
            : (b /= 1000) < 999_950L ? String.format("%s%.1f TB", s, b / 1e3)
            : (b /= 1000) < 999_950L ? String.format("%s%.1f PB", s, b / 1e3)
            : String.format("%s%.1f EB", s, b / 1e6);
}

Binary (1 K =1,024)

public static String humanReadableByteCountBin(long bytes) {
    long b = bytes == Long.MIN_VALUE ? Long.MAX_VALUE : Math.abs(bytes);
    return b < 1024L ? bytes + " B"
            : b < 0xfffccccccccccccL >> 40 ? String.format("%.1f KiB", bytes / 0x1p10)
            : b < 0xfffccccccccccccL >> 30 ? String.format("%.1f MiB", bytes / 0x1p20)
            : b < 0xfffccccccccccccL >> 20 ? String.format("%.1f GiB", bytes / 0x1p30)
            : b < 0xfffccccccccccccL >> 10 ? String.format("%.1f TiB", bytes / 0x1p40)
            : b < 0xfffccccccccccccL ? String.format("%.1f PiB", (bytes >> 10) / 0x1p40)
            : String.format("%.1f EiB", (bytes >> 20) / 0x1p40);
}

示例

 

几个启发

• Stack Overflow 上的代码片段可能有 bug，即使获赞数千的答案也不例外。
• 测试所有边缘情况，尤其对于代码是从 Stack Overflow 上复制的情况。
• 浮点运算很难。
• 复制代码时请包括适当的归属说明。不然可能有人会找你哟。