浮点型数据在内存的存储方式

news2025/1/19 17:14:50

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大体规则

特殊规定


由于浮点型在内存中的存储方式相较于整型的要复杂一些,而且很容易忘掉,所以就将部分知识点整理了一下,写成一篇博客。

大体规则

根据国际标准(电气和电子工程协会)IEEE 754,任意一个二进制浮点数都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。

比如,十进制的5.0,写成二进制是 101.0 ,相当于 1.01×2^2(B)。那么,按照上面的格式,可以得出S=0,M=1.01,E=2。
再比如,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。

注意,小数部分的二进制表示与整数部分还是有出入的,小数部分的第x位表示二的负x次幂。这也就是为什么浮点型存储并不是完全准确的原因了。当然,这也是为什么long long存不下的数而double可以存的下,因为它们的存储方式压根就没有关联。


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。

特殊规定

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,相当于可以保存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。
        其中,指数E从内存中取出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

2、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。

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);

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