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浮点数理解梳理

时间:2022-12-08 17:38:09浏览次数:52  
标签:二进制 浮点数 float 小数点 尾数 理解 127 梳理 小数

 

先说一下计算机中二进制的​​算法​​:

· 整数 
整数的二进制算法大家应该很熟悉,就是不断的除以2取余数,然后将余数倒序排列。比如求9的二进制: 
9/2=4 余 1 
4/2=2 余 0 
2/2=1 余 0 
1/2=0 余 1 
一直计算到商为0为止,然后将得到的余数由下到上排列,就得到了9的二进制:1001。 
从上面的算法我们可以看到,用整数除以2,最终都能够到0。因此,整数是可以用二进制来精确表示的。

· 小数 
小数的二进制算法和整数的大致相反,就是不断的拿小数部分乘以2取积的整数部分,然后正序排列。比如求0.9的二进制: 
0.9*2=1.8 取 1 
0.8*2=1.6 取 1 
0.6*2=1.2 取 1 
0.2*2=0.4 取 0 
0.4*2=0.8 取 0 
0.8*2=1.6 取 1 
… … 
如此循环下去。因此我么得到的二进制小数也是无限循环的:0.11100110011... 
从小数的二进制算法中我们可以知道,如果想让这种算法停止,只有在小数部分是0.5的时候才可以,但是很不幸,这类的小数很少。所以大部分小数是很难用二进制来精确表示的。

------------------------我是分割线------------------------------ 

OK,有了上面的知识,我们进入正题:看看float类型在内存中是如何表示的。  
float类型又称为单精度浮点类型,在 ​​IEEE 754-2008​中是这样定义它的结构的:

  S     EEEEEEEE      FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF
31     30        23          22                               0

 

浮点数理解梳理_浮点数

float类型总共4个字节——32位:

1. 符号位
其中最左边的为符号位,0为正,1为负。

2. 指数
接下来的E是指数,一共8位,也用二进制来表示。

3. 尾数
最后的F是小数部分,尾数正是由这23位的小数部分+1位组成的。(这个稍后解释)。

这里我们需要多说一下指数。虽然指数也是用8位二进制来表示的,但是IEEE在定义它的时候做了些手脚,使用了偏移来计算指数。

IEEE规定,在float类型中,用来计算指数的偏移量为127。也就是说,如果你的指数实际是0,那么在内存中存的就是0+127=127的二进制。稍后我们来看这个到底如何使用。

 

好了,看了这么多,我们该演示一下计算机如何将一个十进制的实数转换为二进制的。就拿6.9这个数字来举例吧。-_-||!

 

首先,我们按照上面说的方法,分别将整数和小数转换成对应的二进制。这样6.9的二进制表示就是110.1110011001100...。这里就看出来 了,6.9转换成二进制,小数部分是无限循环的,这在现在的计算机系统上是无法精确表示的。这是计算机在计算浮点数的时候常常不精确的原因之一。

 

其次,将小数点左移(或右移)到第一个有效数字之后。说的通俗些,就是把小数点移到第一个1之后。这样的话,对于上面的110.1110011001100...我们就需要把小数点左移2位,得到1.101110011001100...。

 

接下来的事情就有意思了。首先我们把得到的1.101110011001100..这个数,从小数点后第一位开始,数出23个来,填充到上面float内存 结构的尾数部分(就是那一堆F的地方),我们这里数出来的就是10111001100110011001100。这里又要发生一次不精确了,小数点后超出23位的部分都将被舍弃,太惨了。

 

不过,这里有一个可能让大家觉得特别坑爹的事情,就是小数点前面的1也不要了。仔细看看上面的内存结构,确实没有地方存放这个1。原因是这样的:IEEE觉 得,既然我们大家都约定把小数点移动到第一个有效数字之后,那也就默认小数点前面一定有且只有一个1,所以把这个1存起来也浪费,干脆就不要了,以后大家 都这么默契的来就好。这也是为什么我上面说尾数是23位+1位的原因。

 

填充完尾数,该填充指数了。这个指数就是刚才我们把小数点移动的位数,左移为正,右移为负,再按照上面所说的偏移量算法,我们填充的指数应该是2+127=129。转换成8位二进制就是10000001。

 

最后,根据这个数的正负来填充符号位。我们这里是正数,所以填0。这样6.9的在内存中的存储结果就出来了:

0  10000001  10111001100110011001100

 

总结一下,实数转二进制float类型的方法:

A. 分别将实数的整数和小数转换为二进制
B. 左移或者右移小数点到第一个有效数字之后
C. 从小数点后第一位开始数出23位填充到尾数部分 
D. 把小数点移动的位数,左移为正,右移为负,加上偏移量127,将所得的和转换为二进制填充到指数部分
E. 根据实数的正负来填充符号位,0为正,1为负

如果需要把float的二进制转换回十进制的实数,只要将上面的步骤倒着来一边就行了。

 

 

下面举例说明:

float型数据125.5转换为标准浮点格式

125二进制表示形式为1111101,小数部分表示为二进制为1,则125.5二进制表示为1111101.1,由于规定尾数的整数部分恒为1,则表示为1.1111011*2^6,阶码为6,加上127为133,则表示为10000101,而对于尾数将整数部分1去掉,为1111011,在其后面补0使其位数达到23位,则为11110110000000000000000

则其二进制表示形式为

0 10000101 11110110000000000000000,则在内存中存放方式为:

00000000   低地址

00000000

11111011

01000010   高地址

而反过来若要根据二进制形式求算浮点数如0 10000101 11110110000000000000000

由于符号为为0,则为正数。阶码为133-127=6,尾数为11110110000000000000000,则其真实尾数为1.1111011。所以其大小为

1.1111011*2^6,将小数点右移6位,得到1111101.1,而1111101的十进制为125,0.1的十进制为1*2^(-1)=0.5,所以其大小为125.5。

同理若将float型数据0.5转换为二进制形式

0.5的二进制形式为0.1,由于规定正数部分必须为1,将小数点右移1位,则为1.0*2^(-1),其阶码为-1+127=126,表示为01111110,而尾数1.0去掉整数部分为0,补齐0到23位00000000000000000000000,则其二进制表示形式为

0 01111110 00000000000000000000000

 

 

浮点数应用

引进eps,来辅助判断浮点数的相等。

eps缩写自epsilon,表示一个小量,但这个小量又要确保远大于浮点运算结果的不确定量。eps最常见的取值是1e-8左右。

 


这样,我们才能把相差非常近的浮点数判为相等;同时把确实相差较大(差值大于eps)的数判为不相等。

 

 

eps带来的函数越界

如果sqrt(a), asin(a), acos(a)中的a是你自己算出来并传进来的,那就得小心了。

如果a本来应该是0的,由于浮点误差,可能实际是一个绝对值很小的负数(比如1e-12),这样sqrt(a)应得0的,直接因a不在定义域而出错。

类似地,如果a本来应该是±1,则asin(a)、acos(a)也有可能出错。

因此,对于此种函数,必需事先对a进行校正。

 

测试数据内存存储:

//高低字节交换
unsigned char i;
float floatVariable;
unsigned char charArray[4];
(unsigned char)*pdata = ((unsigned char)*)&floatVariable;  //把float类型的指针强制转换为unsigned char型
for (i = 0; i<4; i++)
{
charArray[i] = *pdata++;//把相应地址中的数据保存到unsigned char数组中     
}


大小比较:

#define EPSILON 1e-6

float a = 0.00001;
float b = 0.00003;


if (fabs(a-b) <= EPSILON)
{
printf("a==b\r\n");
}
else
{
printf("a!=b\r\n");
}

标签:二进制,浮点数,float,小数点,尾数,理解,127,梳理,小数
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