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浮點型資料存儲方式

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    c語言和c#語言中,對于浮點類型的資料采用單精度類型(float)和雙精度類型(double)來存儲,float資料占用32bit,double資料占用64bit,我們在聲明一個變量float f= 2.25f的時候,是如何配置設定記憶體的呢?如果胡亂配置設定,那世界豈不是亂套了麼,其實不論是float還是double在存儲方式上都是遵從ieee的規範的,float遵從的是ieee r32.24 ,而double 遵從的是r64.53。

    無論是單精度還是雙精度在存儲中都分為三個部分:

符号位(sign) : 0代表正,1代表為負

指數位(exponent):用于存儲科學計數法中的指數資料,并且采用移位存儲

尾數部分(mantissa):尾數部分

 其中float的存儲方式如下圖所示:

浮點型資料存儲方式

而雙精度的存儲方式為:

浮點型資料存儲方式

    r32.24和r64.53的存儲方式都是用科學計數法來存儲資料的,比如8.25用十進制的科學計數法表示就為:8.25*

浮點型資料存儲方式

,而120.5可以表示為:1.205*

浮點型資料存儲方式

,這些國小的知識就不用多說了吧。而我們傻蛋計算機根本不認識十進制的資料,他隻認識0,1,是以在計算機存儲中,首先要将上面的數更改為二進制的科學計數法表示,8.25用二進制表示可表示為1000.01,我靠,不會連這都不會轉換吧?那我估計要沒轍了。120.5用二進制表示為:1110110.1用二進制的科學計數法表示1000.01可以表示為1.0001*

浮點型資料存儲方式

,1110110.1可以表示為1.1101101*

浮點型資料存儲方式

,任何一個數都的科學計數法表示都為1.xxx*

浮點型資料存儲方式

,尾數部分就可以表示為xxxx,第一位都是1嘛,幹嘛還要表示呀?可以将小數點前面的1省略,是以23bit的尾數部分,可以表示的精度卻變成了24bit,道理就是在這裡,那24bit能精确到小數點後幾位呢,我們知道9的二進制表示為1001,是以4bit能精确十進制中的1位小數點,24bit就能使float能精确到小數點後6位,而對于指數部分,因為指數可正可負,8位的指數位能表示的指數範圍就應該為:-127-128了,是以指數部分的存儲采用移位存儲,存儲的資料為中繼資料+127,下面就看看8.25和120.5在記憶體中真正的存儲方式。

     首先看下8.25,用二進制的科學計數法表示為:1.0001*

浮點型資料存儲方式

按照上面的存儲方式,符号位為:0,表示為正,指數位為:3+127=130 ,位數部分為,故8.25的存儲方式如下圖所示:

浮點型資料存儲方式

而單精度浮點數120.5的存儲方式如下圖所示:

浮點型資料存儲方式

那麼如果給出記憶體中一段資料,并且告訴你是單精度存儲的話,你如何知道該資料的十進制數值呢?其實就是對上面的反推過程,比如給出如下記憶體資料:0100001011101101000000000000,首先我們現将該資料分段,0 10000 0101 110 1101 0000 0000 0000 0000,在記憶體中的存儲就為下圖所示:

浮點型資料存儲方式

根據我們的計算方式,可以計算出,這樣一組資料表示為:1.1101101*

浮點型資料存儲方式

=120.5

而雙精度浮點數的存儲和單精度的存儲大同小異,不同的是指數部分和尾數部分的位數。是以這裡不再詳細的介紹雙精度的存儲方式了,隻将120.5的最後存儲方式圖給出,大家可以仔細想想為何是這樣子的

浮點型資料存儲方式

下面我就這個基礎知識點來解決一個我們的一個疑惑,請看下面一段程式,注意觀察輸出結果

            float f = 2.2f;

            double d = (double)f;

            console.writeline(d.tostring("0.0000000000000"));

            f = 2.25f;

            d = (double)f;

可能輸出的結果讓大家疑惑不解,單精度的2.2轉換為雙精度後,精确到小數點後13位後變為了2.2000000476837,而單精度的2.25轉換為雙精度後,變為了2.2500000000000,為何2.2在轉換後的數值更改了而2.25卻沒有更改呢?很奇怪吧?其實通過上面關于兩種存儲結果的介紹,我們已經大概能找到答案。首先我們看看2.25的單精度存儲方式,很簡單 0 1000 0001 001 0000 0000 0000 0000 0000,而2.25的雙精度表示為:0 100 0000 0001 0010 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000,這樣2.25在進行強制轉換的時候,數值是不會變的,而我們再看看2.2呢,2.2用科學計數法表示應該為:将十進制的小數轉換為二進制的小數的方法為将小數*2,取整數部分,是以0.282=0.4,是以二進制小數第一位為0.4的整數部分0,0.4×2=0.8,第二位為0,0.8*2=1.6,第三位為1,0.6×2 = 1.2,第四位為1,0.2*2=0.4,第五位為0,這樣永遠也不可能乘到=1.0,得到的二進制是一個無限循環的排列 00110011001100110011... ,對于單精度資料來說,尾數隻能表示24bit的精度,是以2.2的float存儲為:

浮點型資料存儲方式

但是這樣存儲方式,換算成十進制的值,卻不會是2.2的,應為十進制在轉換為二進制的時候可能會不準确,如2.2,而double類型的資料也存在同樣的問題,是以在浮點數表示中會産生些許的誤差,在單精度轉換為雙精度的時候,也會存在誤差的問題,對于能夠用二進制表示的十進制資料,如2.25,這個誤差就會不存在,是以會出現上面比較奇怪的輸出結果。

注:本文在寫作過程中,參照了如下資料:

http://www.msdn.net/library/chs/default.asp?url=/library/chs/vccore/html/_core_why_floating_point_numbers_may_lose_precision.asp

http://blog.csdn.net/ganxingming/archive/2006/12/19/1449526.aspx