浮点数的编码方式

1.float类型的IEEE编码


在进行二进制转换前,需要对单精度浮点数进行科学计数法。例如,将float类型的12.25f转换成IEEE编码,需要12.25f转换成对应的二进制数1100.01,整数部分为1100,小数部分为01;小数点向左移动,每移动1次指数加1,移动到除符号位的最高位为1处,停止移动,这里移动3次。对12.25f进行科学计数法转换后二进制部分为1.10001,指数部分为3.在IEEE编码中,由于在二进制情况下最高位始终为1,为一个恒定值,故将其忽略不计。这里是一个整数,所以符号位添0。

12.25经转换后各位的情况:

  • 符号位:0
  • 指数位:十进制3+127,转换为二进制是10000010
  • 尾数位:10001000000000000000000
    由于尾数位中最高位为1是恒定值,故省略不计,只要转换回十进制时加1即可。为什么指数位要加127呢?由于指数可能出现负数,十进制数127可表示二进制数01111111.IEEE编码方式规定,当指数域小于01111111时为一个负数,反之为正数,因此01111111为0。
    12.25f转换后的IEEE编码按照二进制拼接为01000001010001000000000000000000。转换成十六进制数为0x41440000,内存中以小尾方式排列,故为00 00 44 41。分析结果如下图所示:

    上面演示了符号位为正,指数位也为正的情况。那么什么情况下指数为负呢?根据科学计数法,小数点向小数部分移动时,指数需要以0开始做减法。浮点数-0.125f转换为IEEE编码后,将会是一个符号位为1,指数部分为负的小数。-0.125f经转换后二进制部分为0.001,用科学计数法表示为1.0;指数部分为-3.

    -0.125fIEEE转换后各位的情况:

  • 符号位:1
  • 指数位:十进制127+(-3),转换为二进制是01111100,如果不足为8位,则高位补0
  • 尾数位:00000000000000000000000
    -0.125f转换后的IEEE编码二进制拼接为10111110000000000000000000000000。转换成十六进制为0xBE000000,内存中显示为00 00 00 BE
    上面的两个浮点数小数部分转换为二进制时都是有穷的,如果小数部分转换为二进制时得到一个无穷值,则会根据尾数部分的长度舍弃多余的部分。单精度数1.3f,小数部分转换为二进制就会产生无穷值,依次转换为:0.3、0.6、1.2、0.4、0.8、1.6、0.4、0.8…转换后得到的二进制数为1.01001100110011001100110,到23位终止,尾数部分无法保存更大的值。

    1.3f经IEEE转换后各位的情况:

  • 符号位:0
  • 指数位:十进制0+127,转换二进制01111111
  • 尾数位:01001100110011001100110
    1.3f转换后的IEEE编码二进制拼接为00111111101001100110011001100110。转换成十六进制为0x3FA66666,内存中显示为66 66 A6 3F。由于在转换二进制过程中产生了无穷值,舍弃了部分位数,所以进行IEEE编码转换得到的是一个近似值,存在一定误差。再次将这个IEEE编码转换成十进制小数,得到的值为1.2516582,四舍五入后为1.3。这就解释了为什么C++在比较浮点数值是否为0时,要做一个区间比较而不是直接进行等值比较。
    正确浮点数比较的代码如下图所示:
    1
    2
    3
    4
    5
    float fTemp = 0.0001f;
    if (fFloat >= -fTemp && fFloat <= fTemp)
    {
    //fTemp等于0
    }

2.double类型的IEEE编码

double类型和float类型大同小异,只是double类型表示的范围更大,占用空间更多,是float类型所占用空间的两倍。当然,精准度也会更高。
double类型占8字节的内存空间,同样,高位也用于表示符号,指数位占11位,剩余42位用于表示位数。
在float中,指数范围用8位表示,加127后用于判断指数符号。在double中,由于扩大了精度,因此指数范围使用11位正数表示,加1023后可用于指数符号判断。
double类型的IEEE编码转换过程与float类型一样,可根据float类型的转换流程来转换double类型。

本文标题:浮点数的编码方式

文章作者:water

发布时间:2018年07月02日 - 18:31:42

最后更新:2018年07月02日 - 20:30:30

原始链接:http://9cat.top/2018/07/02/浮点数的编码方式/

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