float* pFloat=#
/* pFloat表示num的内存地址,但是设为浮点数 */
printf("num的值为:%d\n",num);
/* 显示num的整型值 */
printf("*pFloat的值为:%f\n",*pFloat);
/* 显示num的浮点值 */
*pFloat=9.0;
/* 将num的值改为浮点数 */
printf("num的值为:%d\n",num);
/* 显示num的整型值 */
printf("*pFloat的值为:%f\n",*pFloat);
/* 显示num的浮点值 */
运行结果如下:
num的值为:9
*pFloat的值为:0.000000
num的值为:1091567616
*pFloat的值为:9.000000
我很惊讶,num和*pFloat在内存中明明是同一个数,为什么浮点数和整数的解读结果会差别这么大?
要理解这个结果,一定要搞懂浮点数在计算机内部的表示方法。我读了一些资料,下面就是我的笔记。
在讨论浮点数之前,先看一下整数在计算机内部是怎样表示的。
int num=9;
上面这条命令,声明了一个整数变量,类型为int,值为9(二进制写法为1001)。普通的32位计算机,用4个字节表示int变量,所以9就被保存为00000000 00000000 00000000 00001001,写成16进制就是0x00000009。
那么,我们的问题就简化成:
为什么0x00000009还原成浮点数,就成了0.000000?
根据国际标准IEEE 754,任意一个二进制浮点数V可以表示成下面的形式:
举例来说,十进制的5.0,写成二进制是101.0,相当于1.01×2^2。那么,按照上面V的格式,可以得出s=0,M=1.01,E=2。
十进制的-5.0,写成二进制是-101.0,相当于-1.01×2^2。那么,s=1,M=1.01,E=2。
IEEE 754规定,对于32位的浮点数,最高的1位是符号位s,接着的8位是指数E,剩下的23位为有效数字M。
对于64位的浮点数,最高的1位是符号位S,接着的11位是指数E,剩下的52位为有效数字M。
IEEE 754对有效数字M和指数E,还有一些特别规定。
前面说过,1≤M<2,也就是说,M可以写成1.xxxxxx的形式,其中xxxxxx表示小数部分。
IEEE 754规定,在计算机内部保存M时,默认这个数的第一位总是1,因此可以被舍去,只保存后面的xxxxxx部分。
比如保存1.01的时候,只保存01,等到读取的时候,再把第一位的1加上去。这样做的目的,是节省1位有效数字。以32位浮点数为例,留给M只有23位,将第一位的1舍去以后,等于可以保存24位有效数字。
至于指数E,情况就比较复杂。
首先,E为一个无符号整数(unsigned int)。这意味着,如果E为8位,它的取值范围为0~255;如果E为11位,它的取值范围为0~2047。但是,我们知道,科学计数法中的E是可以出现负数的,
所以IEEE 754规定,E的真实值必须再减去一个中间数,对于8位的E,这个中间数是127;对于11位的E,这个中间数是1023。
比如,2^10的E是10,所以保存成32位浮点数时,必须保存成10+127=137,即10001001。
然后,指数E还可以再分成三种情况:
(1)E不全为0或不全为1。
这时,浮点数就采用上面的规则表示,即指数E的计算值减去127(或1023),得到真实值,再将有效数字M前加上第一位的1。
(2)E全为0。
这时,浮点数的指数E等于1-127(或者1-1023),有效数字M不再加上第一位的1,而是还原为0.xxxxxx的小数。这样做是为了表示±0,以及接近于0的很小的数字。
(3)E全为1。
这时,如果有效数字M全为0,表示±无穷大(正负取决于符号位s);如果有效数字M不全为0,表示这个数不是一个数(NaN)。
好了,关于浮点数的表示规则,就说到这里。
下面,让我们回到一开始的问题:
为什么0x00000009还原成浮点数,就成了0.000000?
首先,将0x00000009拆分,得到第一位符号位s=0,后面8位的指数E=00000000,最后23位的有效数字M=000 0000 0000 0000 0000 1001。
由于指数E全为0,所以符合上一节的第二种情况。因此,浮点数V就写成:
V=(-1)^0×0.00000000000000000001001×2^(-126)=1.001×2^(-146)
显然,V是一个很小的接近于0的正数,所以用十进制小数表示就是0.000000。
再看例题的第二部分。
请问浮点数9.0,如何用二进制表示?还原成十进制又是多少?
首先,浮点数9.0等于二进制的1001.0,即1.001×2^3。
那么,第一位的符号位s=0,有效数字M等于001后面再加20个0,凑满23位,指数E等于3+127=130,即10000010。
所以,写成二进制形式,应该是s+E+M,即0 10000010 001 0000 0000 0000 0000 0000。这个32位的二进制数,还原成十进制,正是1091567616。
比如,2^10的E是10,所以保存成32位浮点数时,必须保存成
10+127=137
,即10001001。
那么,第一位的符号位s=0,有效数字M等于001后面再加20个0,凑满23位,指数E等于
3+127=130
,即10000010。
上面是否应该是真实值加上一个中间数呢?因为下面两个例子均是使用 + 127
V=(-1)^0×0.00000000000000000001001×2^(-126)=1.001×2^(-146)
应该修改为:
V=(-1)^0×1.00000000000000000001001×2^(-126)
因为 M=000 0000 0000 0000 0000 1001(23b),转化为系数时,1自动加上,变成 1.000 0000 0000 0000 0000 1001(24b)
V=(-1)^0×0.00000000000000000001001×2^(-126)=1.001×2^(-146)
应该修改为:
V=(-1)^0×1.00000000000000000001001×2^(-126)
因为 M=000 0000 0000 0000 0000 1001(23b),转化为系数时,1自动加上,变成 1.000 0000 0000 0000 0000 1001(24b)
错了 E为0,所以M不需要自动加一
我是来吐槽博客页面排版的。:-)
关于代码的展示,个人觉得用 pre 标签比 blockquote 标签更合适。另外,对于每行代码都用 p 和 strong 标签,实现方式实在是有些 ugly。
另外没有代码高亮展示,不知道你中文博客用的什么框架(英文是 WordPress),可以找相关的代码高亮插件。
比如,2^10的E是10,所以保存成32位浮点数时,必须保存成10+127=137,即10001001。
那么,第一位的符号位s=0,有效数字M等于001后面再加20个0,凑满23位,指数E等于3+127=130,即10000010。
为什么是10+127而不是10-127呢?很多文章都描述规格化是E减去偏置值,但实现的时候却是加法。请指教!
比如,2^10的E是10,所以保存成32位浮点数时,必须保存成10+127=137,即10001001。
那么,第一位的符号位s=0,有效数字M等于001后面再加20个0,凑满23位,指数E等于3+127=130,即10000010。
为什么是10+127而不是10-127呢?很多文章都描述规格化是E减去偏置值,但实现的时候却是加法。请指教!
但是,我们知道,科学计数法中的E是可以出现负数的,所以IEEE 754规定,E的真实值必须再减去一个中间数,对于8位的E,这个中间数是127;对于11位的E,这个中间数是1023。
比如,2^10的E是10,所以保存成32位浮点数时,必须保存成10+127=137,即10001001。
这个地方没有解释清楚,怎么上面说IEEE 规定,E的真实值必须再减去一个中间数,下面的比如又变成了10+127了?
我查了一下资料,只是这样理解了: 因为指数部分在存储时是在符号位之后,为了区分指数和符号位部分,因此在
存储指数
的时候会将指数部分向右偏移127(单精度), 结果将为0 ~ 254, 也就是存储时将E+127, 那获取值时才要减127,得到E的真实值。
V=(-1)^0×0.00000000000000000001001×2^(-126)=1.001×2^(-146)
这个结果 1.1221598e-44 或者 2e-323。就算我用%.1000f来输出整数9,小数点后依然全是0。虽然理论上来说这个很小的数已经超出了浮点数的精度,但是如果是浮点数在那儿可以打印出小数点很多0后的小数位。、
我的疑问是:为什么是个整数却成了0.000000后面一亿位都是0。是因为整数转换后已经超出了浮点数的精度而且这个数十分接近0,%f得到的就是0了,所以%f输出的就是0.0。是这样理解吗?
https://www.zhoulujun.cn/html/theory/computBase/2016_0714_7860.html
引用了博主的内容
IEEE-745浮点数表示法数值精度丢失
计算机中的数字都是以二进制存储的,二进制浮点数表示法并不能精确的表示类似0.1这样 的简单的数字
如果要计算 0.1 + 0.2 的结果,计算机会先把 0.1 和 0.2 分别转化成二进制,然后相加,最后再把相加得到的结果转为十进制
但有一些浮点数在转化为二进制时,会出现无限循环 。比如, 十进制的 0.1 转化为二进制,会得到如下结果:
0.1 => 0.0001 1001 1001 1001…(无限循环)
0.2 => 0.0011 0011 0011 0011…(无限循环)
而存储结构中的尾数部分最多只能表示 53 位。为了能表示 0.1,只能模仿十进制进行四舍五入了,但二进制只有 0 和 1 , 于是变为 0 舍 1 入 。 因此,0.1 在计算机里的二进制表示形式如下:
0.1 => 0.0001 1001 1001 1001 1001 1001 1001 1001 1001 1001 1001 1001 1001 101
0.2 => 0.0011 0011 0011 0011 0011 0011 0011 0011 0011 0011 0011 0011 0011 001
用标准计数法表示如下:
0.1 => (−1)0 × 2^4 × (1.1001100110011001100110011001100110011001100110011010)2
0.2 => (−1)0 × 2^3 × (1.1001100110011001100110011001100110011001100110011010)2
在计算浮点数相加时,需要先进行 “对位”,将较小的指数化为较大的指数,并将小数部分相应右移:
最终,“0.1 + 0.2” 在计算机里的计算过程如下:
经过上面的计算过程,0.1 + 0.2 得到的结果也可以表示为:
(−1)0 × 2−2 × (1.0011001100110011001100110011001100110011001100110100)2=>.0.30000000000000004
这是一个典型的精度丢失案例,从上面的计算过程可以看出,0.1 和 0.2 在转换为二进制时就发生了一次精度丢失,而对于计算后的二进制又有一次精度丢失 。因此,得到的结果是不准确的。
1. 上文“(2)E全为0。这时,浮点数的指数E等于1-127(或者1-1023)”,这里为什么是1-127?而不是0 - 127呢??求解释
2. 上文最后面第二道题目“所以,写成二进制形式,应该是s+E+M,即0 10000010 001 0000 0000 0000 0000 0000。这个32位的二进制数,还原成十进制,正是1091567616。”,请问这里的“1091567616”是怎么算出来的?
在线等等?11点之前都在线,很想知道!!!!
binary:-1.01,0011,0011,0011,... 无限循环 0011
科学计数法:-1.01,0011,0011... x 2^0
s = 1, E = 0 + 1023, M = 01,0011,0011,0011,0011... 循环到补足 52 位
所以结果为: 1 0111,1111,111 01,0011,0011,0011,0011,0011,0011,0011,0011,0011,0011,0011,0011,00
使用代码验证结果为: 1 0111,1111,111 01,0011,0011,0011,0011,0011,0011,0011,0011,0011,0011,0011,0011,01(发生进位)