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浮點數在計算機中存儲方式是怎樣的

2020-01-26 14:32:59
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來源:轉載
供稿:網友

  C語言和C#語言中,對于浮點類型的數據采用單精度類型(float)和雙精度類型(double)來存儲,float數據占用32bit,double數據占用64bit,我們在聲明一個變量float f= 2.25f的時候,是如何分配內存的呢?如果胡亂分配,那世界豈不是亂套了么,其實不論是float還是double在存儲方式上都是遵從IEEE的規范的,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:

  1.符號位(Sign) : 0代表正,1代表為負
  2.指數位(Exponent):用于存儲科學計數法中的指數數據,并且采用移位存儲
  3.尾數部分(Mantissa):尾數部分

其中float的存儲方式如下圖所示:

http://files.VeVB.COm/file_images/article/201606/2016061610214324.gif

而雙精度的存儲方式為:

http://files.VeVB.COm/file_images/article/201606/2016061610214425.gif

  R32.24和R64.53的存儲方式都是用科學計數法來存儲數據的,比如8.25用十進制的科學計數法表示就為:8.25*http://files.VeVB.COm/file_images/article/201606/2016061610214426.gif,而120.5可以表示為:1.205*http://files.VeVB.COm/file_images/article/201606/2016061610214427.gif,這些小學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數據,他只認識0,1,所以在計算機存儲中,首先要將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*http://files.VeVB.COm/file_images/article/201606/2016061610214428.gif,1110110.1可以表示為1.1101101*http://files.VeVB.COm/file_images/article/201606/2016061610214429.gif,任何一個數都的科學計數法表示都為1.xxx*http://files.VeVB.COm/file_images/article/201606/2016061610214430.gif,尾數部分就可以表示為xxxx,第一位都是1嘛,干嘛還要表示呀?可以將小數點前面的1省略,所以23bit的尾數部分,可以表示的精度卻變成了24bit,道理就是在這里,那24bit能精確到小數點后幾位呢,我們知道9的二進制表示為1001,所以4bit能精確十進制中的1位小數點,24bit就能使float能精確到小數點后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范圍就應該為:-127-128了,所以指數部分的存儲采用移位存儲,存儲的數據為元數據+127,下面就看看8.25和120.5在內存中真正的存儲方式。

  首先看下8.25,用二進制的科學計數法表示為:1.0001*http://files.VeVB.COm/file_images/article/201606/2016061610214428.gif

按照上面的存儲方式,符號位為: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:

http://files.VeVB.COm/file_images/article/201606/2016061610214431.gif

而單精度浮點數120.5的存儲方式如下圖所示:

http://files.VeVB.COm/file_images/article/201606/2016061610214432.gif

那么如果給出內存中一段數據,并且告訴你是單精度存儲的話,你如何知道該數據的十進制數值呢?其實就是對上面的反推過程,比如給出如下內存數據:0100001011101101000000000000,首先我們現將該數據分段,0 10000 0101 110 1101 0000 0000 0000 0000,在內存中的存儲就為下圖所示:

http://files.VeVB.COm/file_images/article/201606/2016061610214433.gif

根據我們的計算方式,可以計算出,這樣一組數據表示為:1.1101101*http://files.VeVB.COm/file_images/article/201606/2016061610214429.gif=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。所以這里不再詳細的介紹雙精度的存儲方式了,只將120.5的最后存儲方式圖給出,大家可以仔細想想為何是這樣子的

http://files.VeVB.COm/file_images/article/201606/2016061610214434.gif

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

復制代碼 代碼如下:
float f = 2.2f;
double d = (double)f;
Console.WriteLine(d.ToString("0.0000000000000"));
f = 2.25f;
d = (double)f;
Console.WriteLine(d.ToString("0.0000000000000"));

  可能輸出的結果讓大家疑惑不解,單精度的2.2轉換為雙精度后,精確到小數點后13位后變為了2.2000000476837,而單精度的2.25轉換為雙精度后,變為了2.2500000000000,為何2.2在轉換后的數值更改了而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:將十進制的小數轉換為二進制的小數的方法為將小數*2,取整數部分,所以0.282=0.4,所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... ,對于單精度數據來說,尾數只能表示24bit的精度,所以2.2的float存儲為:

http://files.VeVB.COm/file_images/article/201606/2016061610214435.gif

  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確,如2.2,而double類型的數據也存在同樣的問題,所以在浮點數表示中會產生些許的誤差,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數據,如2.25,這個誤差就會不存在,所以會出現上面比較奇怪的輸出結果。

以上就是本文的全部內容,希望能給大家一個參考,也希望大家多多支持武林網。

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