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浮點(diǎn)數(shù)在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)方式是怎樣的

 更新時(shí)間:2016年06月16日 10:30:48   作者:Robin  
這篇文章介紹了浮點(diǎn)數(shù)在計(jì)算機(jī)中是如何存儲(chǔ)的,講解的比較詳細(xì),有需要的朋友可以參考一下。

  C語(yǔ)言和C#語(yǔ)言中,對(duì)于浮點(diǎn)類型的數(shù)據(jù)采用單精度類型(float)和雙精度類型(double)來(lái)存儲(chǔ),float數(shù)據(jù)占用32bit,double數(shù)據(jù)占用64bit,我們?cè)诼暶饕粋€(gè)變量float f= 2.25f的時(shí)候,是如何分配內(nèi)存的呢?如果胡亂分配,那世界豈不是亂套了么,其實(shí)不論是float還是double在存儲(chǔ)方式上都是遵從IEEE的規(guī)范的,float遵從的是IEEE R32.24 ,而double 遵從的是R64.53。

  無(wú)論是單精度還是雙精度在存儲(chǔ)中都分為三個(gè)部分:

  1.符號(hào)位(Sign) : 0代表正,1代表為負(fù)
  2.指數(shù)位(Exponent):用于存儲(chǔ)科學(xué)計(jì)數(shù)法中的指數(shù)數(shù)據(jù),并且采用移位存儲(chǔ)
  3.尾數(shù)部分(Mantissa):尾數(shù)部分

其中float的存儲(chǔ)方式如下圖所示:

http://img.jbzj.com/file_images/article/201606/2016061610214324.gif

而雙精度的存儲(chǔ)方式為:

http://img.jbzj.com/file_images/article/201606/2016061610214425.gif

  R32.24和R64.53的存儲(chǔ)方式都是用科學(xué)計(jì)數(shù)法來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的,比如8.25用十進(jìn)制的科學(xué)計(jì)數(shù)法表示就為:8.25*http://img.jbzj.com/file_images/article/201606/2016061610214426.gif,而120.5可以表示為:1.205*http://img.jbzj.com/file_images/article/201606/2016061610214427.gif,這些小學(xué)的知識(shí)就不用多說(shuō)了吧。而我們傻蛋計(jì)算機(jī)根本不認(rèn)識(shí)十進(jìn)制的數(shù)據(jù),他只認(rèn)識(shí)0,1,所以在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)中,首先要將上面的數(shù)更改為二進(jìn)制的科學(xué)計(jì)數(shù)法表示,8.25用二進(jìn)制表示可表示為1000.01,我靠,不會(huì)連這都不會(huì)轉(zhuǎn)換吧?那我估計(jì)要沒(méi)轍了。120.5用二進(jìn)制表示為:1110110.1用二進(jìn)制的科學(xué)計(jì)數(shù)法表示1000.01可以表示為1.0001*http://img.jbzj.com/file_images/article/201606/2016061610214428.gif,1110110.1可以表示為1.1101101*http://img.jbzj.com/file_images/article/201606/2016061610214429.gif,任何一個(gè)數(shù)都的科學(xué)計(jì)數(shù)法表示都為1.xxx*http://img.jbzj.com/file_images/article/201606/2016061610214430.gif,尾數(shù)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(shù)點(diǎn)前面的1省略,所以23bit的尾數(shù)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(shù)點(diǎn)后幾位呢,我們知道9的二進(jìn)制表示為1001,所以4bit能精確十進(jìn)制中的1位小數(shù)點(diǎn),24bit就能使float能精確到小數(shù)點(diǎn)后6位,而對(duì)于指數(shù)部分,因?yàn)橹笖?shù)可正可負(fù),8位的指數(shù)位能表示的指數(shù)范圍就應(yīng)該為:-127-128了,所以指數(shù)部分的存儲(chǔ)采用移位存儲(chǔ),存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)為元數(shù)據(jù)+127,下面就看看8.25和120.5在內(nèi)存中真正的存儲(chǔ)方式。

  首先看下8.25,用二進(jìn)制的科學(xué)計(jì)數(shù)法表示為:1.0001*http://img.jbzj.com/file_images/article/201606/2016061610214428.gif

按照上面的存儲(chǔ)方式,符號(hào)位為:0,表示為正,指數(shù)位為:3+127=130 ,位數(shù)部分為,故8.25的存儲(chǔ)方式如下圖所示:

http://img.jbzj.com/file_images/article/201606/2016061610214431.gif

而單精度浮點(diǎn)數(shù)120.5的存儲(chǔ)方式如下圖所示:

http://img.jbzj.com/file_images/article/201606/2016061610214432.gif

那么如果給出內(nèi)存中一段數(shù)據(jù),并且告訴你是單精度存儲(chǔ)的話,你如何知道該數(shù)據(jù)的十進(jìn)制數(shù)值呢?其實(shí)就是對(duì)上面的反推過(guò)程,比如給出如下內(nèi)存數(shù)據(jù):0100001011101101000000000000,首先我們現(xiàn)將該數(shù)據(jù)分段,0 10000 0101 110 1101 0000 0000 0000 0000,在內(nèi)存中的存儲(chǔ)就為下圖所示:

http://img.jbzj.com/file_images/article/201606/2016061610214433.gif

根據(jù)我們的計(jì)算方式,可以計(jì)算出,這樣一組數(shù)據(jù)表示為:1.1101101*http://img.jbzj.com/file_images/article/201606/2016061610214429.gif=120.5

而雙精度浮點(diǎn)數(shù)的存儲(chǔ)和單精度的存儲(chǔ)大同小異,不同的是指數(shù)部分和尾數(shù)部分的位數(shù)。所以這里不再詳細(xì)的介紹雙精度的存儲(chǔ)方式了,只將120.5的最后存儲(chǔ)方式圖給出,大家可以仔細(xì)想想為何是這樣子的

http://img.jbzj.com/file_images/article/201606/2016061610214434.gif

下面我就這個(gè)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)來(lái)解決一個(gè)我們的一個(gè)疑惑,請(qǐng)看下面一段程序,注意觀察輸出結(jié)果

復(fù)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(jié)果讓大家疑惑不解,單精度的2.2轉(zhuǎn)換為雙精度后,精確到小數(shù)點(diǎn)后13位后變?yōu)榱?.2000000476837,而單精度的2.25轉(zhuǎn)換為雙精度后,變?yōu)榱?.2500000000000,為何2.2在轉(zhuǎn)換后的數(shù)值更改了而2.25卻沒(méi)有更改呢?很奇怪吧?其實(shí)通過(guò)上面關(guān)于兩種存儲(chǔ)結(jié)果的介紹,我們已經(jīng)大概能找到答案。首先我們看看2.25的單精度存儲(chǔ)方式,很簡(jiǎn)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(jìn)行強(qiáng)制轉(zhuǎn)換的時(shí)候,數(shù)值是不會(huì)變的,而我們?cè)倏纯?.2呢,2.2用科學(xué)計(jì)數(shù)法表示應(yīng)該為:將十進(jìn)制的小數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制的小數(shù)的方法為將小數(shù)*2,取整數(shù)部分,所以0.282=0.4,所以二進(jìn)制小數(shù)第一位為0.4的整數(shù)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(yuǎn)也不可能乘到=1.0,得到的二進(jìn)制是一個(gè)無(wú)限循環(huán)的排列 00110011001100110011... ,對(duì)于單精度數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō),尾數(shù)只能表示24bit的精度,所以2.2的float存儲(chǔ)為:

http://img.jbzj.com/file_images/article/201606/2016061610214435.gif

  但是這樣存儲(chǔ)方式,換算成十進(jìn)制的值,卻不會(huì)是2.2的,應(yīng)為十進(jìn)制在轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制的時(shí)候可能會(huì)不準(zhǔn)確,如2.2,而double類型的數(shù)據(jù)也存在同樣的問(wèn)題,所以在浮點(diǎn)數(shù)表示中會(huì)產(chǎn)生些許的誤差,在單精度轉(zhuǎn)換為雙精度的時(shí)候,也會(huì)存在誤差的問(wèn)題,對(duì)于能夠用二進(jìn)制表示的十進(jìn)制數(shù)據(jù),如2.25,這個(gè)誤差就會(huì)不存在,所以會(huì)出現(xiàn)上面比較奇怪的輸出結(jié)果。

以上就是本文的全部?jī)?nèi)容,希望能給大家一個(gè)參考,也希望大家多多支持腳本之家。

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