在开始讲解之前,我们看一下常见浮点数的写法:
3.14159
1E10(它代表1.0乘以10的10次方)
浮点型家族里有float、double、long double类型。
浮点型的表示范围是多少?我们打开float.h就能看到(这里用everything找到了float.h)。
打开后可以看到关于float、double型的精度、最大值、最小值等信息:
注释已标注。这里了解即可。需要的时候可以来这里查询下。
那么浮点数到底怎么在内存中存储呢?
我们先看下这个例子:
#include <stdio.h>
int main()
{
int n = 9;
float* pFloat = (float*)&n;
printf("n的值为:%d\n", n);
printf("*pFloat的值为:%f\n", *pFloat);
*pFloat = 9.0;
printf("num的值为:%d\n", n);
printf("*pFloat的值为:%f\n", *pFloat);
return 0;
}
可以看到,变量n是int型,但是在定义指针变量pFloat时对n的地址类型进行了强制转换,以float型地址存放在pFloat中。
打印n的值时以int型打印,打印*pFloat时以float型打印。
在给*pFloat赋值9.0后,以int型打印n,以float型打印*pFloat。
那么打印出来的值是多少呢?
经运行,可得到以下结果:
先看第一次打印n时,9是以int型存放在变量n中,打印时以%d也就是int型打印,那么打印的值就是9。
如果以float型指针去存放n的地址,并且以float型打印,那么打印出的结果就不是9了。
这说明int和float两种数据类型的存储方式不一样。
在给*pFloat赋值时,这次是以float型将9.0存放到变量n中,然后以int型打印n。
打印的值并不是9。
而以float型打印*pFloat时得到了9.000000,是预期结果,也就是说这次是以浮点数存进去,再以浮点数拿出来。
这再次印证了int和float两种数据类型的存储方式不一样。
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。
浮点数存储规则
根据国际标准IEEE(电气和电子工程协会) 754,任意一个二进制浮点数V可以表示成下面的形式:
(-1)^S * M * 2^E
(-1)^S表示符号位,当S=0,V为正数;当S=1,V为负数。
M表示有效数字,大于等于1,小于2。
2^E表示指数位。
也就是说,任何一个二进制浮点数都可以用以下形式表示:
我们看v=5.5,转化为二进制就是101.1,转化为科学计数法就是1.011*2^2(是二进制,所以底数为2)。
再规范一下,就是(-1)^0*1.011*2^2。这个数为正数,所以-1的指数就是0。
再举两个例子:
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。
任何一个浮点数,只有S、M、E在发生变化。
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,存入内存时E的真实值必须再加上一个中间数,
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从内存中取出还可以再分成三种情况:
E不全为0或不全为1:
这时,浮点数就采用下面的规则表示,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。
比如:
0.5(1/2)的二进制形式为0.1,由于规定正数部分必须为1,即将小数点右移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
E全为0:
这时,浮点数的指数E等于1-127(或者1-1023)即为真实值,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。
举个例子,一个单精度浮点数为(-1)^0*1.xxxx……*2^(-127),它的E为-127,那么在存储时加上127,值为0。如果有比-127更小的E,那加上127也是0。
它是一个很小的数,非常接近于0的数字,所以要还原为0.xxxxxx的小数。
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)。
比如看这个数,1.xxxxxx*2^128,它是一个非常大的数。128加上127就是255,用二进制表示就全是1。如果有比128更大的数,加上127后二进制形式还全是1。这时不论原数字的真实值是多少,都表示一个±无穷大的数。
再看两个例子:
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。
9 -> 0000 0000 0000 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。
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。
9.0 -> 1001.0 ->(-1)^01.0012^3 -> s=0, M=1.001,E=3+127=130
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 。