Zählerüberlauf

Zählerüberlauf bezeichnet das Ereignis, dass ein Zähler seine maximale Darstellungsweite erreicht und anschließend erneut inkrementiert oder ein Overflow-Flag gesetzt wird. Er tritt häufig auf, wenn Zähler eine feste Bitbreite besitzen (Hardware) oder eine feste Wortlänge in Software verwendet wird. In der Praxis folgt der Zähler oft der modulo-n-Arithmetik, bei der der Wert nach dem Maximalwert wieder bei Null beginnt.

Ursachen sind begrenzte Bitbreite, asynchrone oder konkurrierende Inkremente, Datensicherung in mehreren Clock-Domains sowie Speicherzugriffs- oder Timing-Fehler. Überläufe können in Hardware zu einem Carry-out-Bit oder Overflow-Flag führen; in Software kann das Überschreiten der Maximalgrenze zu undefiniertem Verhalten oder Exceptions führen.

Konsequenzen reichen von falschen Zählwerten und fehlerhaften Positionsangaben bis hin zu Datenkorruption in Protokollen, Puffern oder Zeitmessungen. In sicherheitskritischen Systemen können Zählerüberläufe zu schwerwiegendem Fehlverhalten beitragen, wenn kein ausreichendes Overflow-Handling vorhanden ist.

Erkennung erfolgt über spezielle Signale wie Overflow-Flags, Carry-out-Bits oder Logik, die bei Überschreiten der Grenze ausgelöst wird. In Software helfen Exceptions oder Prüfungen vor dem Inkrement, dezidierte Fehlerpfade oder Logging.

Behandlung und Prävention umfassen mehrere Ansätze: Vergrößerung der Zählerbreite (z. B. von 8 auf 16 oder 32 Bit), Verwendung saturierender Zähler, die bei Grenzwerten nicht weiter zählen, oder modulare Zähler mit expliziter Wrap-around-Logik. Alternativ kann Arithmetik mit Arbitrary-Precision-Integern oder Big Integers eingesetzt werden. Für Mehrkernsysteme sind atomare Inkremente bzw. Synchronisation nötig. Designprinzipien schließen eine klare Spezifikation des Verhaltens bei Überlauf und geeignete Fehlererkennung ein. Anwendungen finden sich in Timern, Eventzählern, Protokollsequenzen und zyklischen Puffern.