浮点型在内存中的存储

之前写了整型在内存中的存储,今天就来讲一讲浮点数在内存中的存储吧,看看是否是和整型一样呢~

我们先来看一段代码:

#include<stdio.h>
int main()
{
	int n = 9;
	float* pFloat = (float*)&n;
	printf("n的值为:%dn", n);
	printf("*pFloat的值为:%fn", *pFloat);
	*pFloat = 9.0;
	printf("num的值为:%dn", n);
	printf("*pFloat的值为:%fn", *pFloat);
	return 0;
}

输出结果:

从这个结果就可以看出,当一个整型以浮点型的形式读出时,会发现最后的结果与整型大不相同,而一个浮点数以整型读出时,结果也与原来的浮点型不同。这就可以大致猜测浮点型在内存中的存储应该与整型不同。那究竟是不是这样的呢,请看下文

 根据国际标准IEEE(电气和电子工程协会) 754,任意一个二进制浮点数V可以表示成下面的形式:

V=(-1)^S*M*2^E

(-1)^S表示符号位,当S=0时,V为正数,S=1时,V为负数;

M为有效数字,0<=M<=1;

2^E为指数位。

举例来说:

十进制的5.5,写成二进制是 101.1 ,相当于 1.01×2^2 。

因为关于二进制的“科学计数法”各位的意义如下(可类比于十进制):

 那按照上面的格式来说,S=0,M=101,E=2。以此为例,所有的二进制都可以写成这样的形式。所以浮点数在内存中的存储就只用存下S,M和E的值了~

IEEE 754规定:

对于32位的浮点数,最高的一位是符号位S,接下来的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,最高的一位是符号位S,接下来的11位是指数E,剩下的52位为有效数字M。

 IEEE 754对有效数字M和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.######的形式,其中######表示小数部分。

IEEE 754规定,在计算机保存M时,默认这个数的第一位总是1,因此可以被省去,只保存后面的#####(小数)部分。比如有效数字为1.001时,就只存小数部分001,等到读取的时候,再把1读上去。这样存储就节省以为有效数字。以32位有效数字为例,留给M的只有23位,但将第一位的1省去之后,就可以保存24位有效数字。

而对于指数E,情况就比较复杂。

首先E是一个无符号整数。

这就意味着,如果E为8位,那么E的取值范围就是0~255.如果E位为11位,则E的取值范围就为0~2047。但是对于科学计数法来说,E是可以为负数的。因此在存入E的真实值得时候要先加入一个中间数在存入。对于8位的E,要加上127。对于11位的E要加上2047。

最后,指数E从内存中取出还可以再分成三种情况:

(1)存储的E不全为0或不全为1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(十进制)转换为二进制就是0.1,由于规定整数部分必须为1,即将小数部分向后移动一位,即为1.0*2^-1(-1^0*1.0*2^-1)。其中E=-1.存储时要在其真实值的基础上加上127,则存储时的值就为126,二进制即为01111110;去掉整数部分的1,小数部分为0,则补齐0到23位00000000000000000000000,则存储的二进制表示形式为:

0 01111110 00000000000000000000000 

(2)存储的E全为0时浮点数的指数E(真实值)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)存储的E全为1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)

那关于浮点数的存储规则就先讲到这了。现在我们就再来分析一下最初的那段代码吧。

当整数9以浮点数形式存储时, 首先,要将 0x00000009 拆分成

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001 

得到第一位符号位s=0,后面8位的指数 E=00000000 ,最后23位的有效数为000000000000000 00001001,E的真实值为1-127=-126。

由于指数E全为0,所以符合上一节的第二种情况。因此,浮点数V就写成:

V=(-1)^0 × 0.00000000000000000001001×2^(-126)=1.001×2^(-146 )

显然,V是一个很小的接近于0的正数,所以用十进制小数表示就是0.000000。

再看例题的第二部分,浮点数9.0,以整数的形式读出时又是怎样的呢?

9.0可以写成-1^0*1.001*2^3,其中因为是正数,所以S=0,E的真实值为3,有效数字M=001。即存储时指数E等于3+127=130, 即10000010;有效数字M001后面再加20个0,凑满23位。即存储形式形式如下:

01000001000100000000000000000000

这个32位的二进制数,还原成十进制,以整型读出,就是 1091567616。也就是最后结果啦。

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THE END
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