浮點數在記憶體中的儲存形式

2021-08-09 00:16:42 字數 4495 閱讀 8616

浮點數:

浮點型變數在計算機記憶體中占用4位元組(byte),即32-bit。遵循ieee-754格式標準。乙個浮點數由2部分組成:底數m 和指數e。

±mantissa × 2exponent

(注意,公式中的mantissa 和 exponent使用二進位制表示)

底數部分 使用2進製數來表示此浮點數的實際值。

指數部分 占用8-bit的二進位制數,可表示數值範圍為0-255。

指數應可正可負,所以ieee規定,此處算出的次方須減去127才是真正的指數。所以float的指數可從 -126到128

底數部分實際是占用24-bit的乙個值,由於其最高位始終為 1 ,所以最高位省去不儲存,在儲存中只有23-bit。

到目前為止, 底數部分 23位加上指數部分 8位使用了31位。那麼前面說過,float是占用4個位元組即32-bit,那麼還有一位是幹嘛用的呢? 還有一位,其實就是4位元組中的最高位,用來指示浮點數的正負,當最高位是1時,為負數,最高位是0時,為正數。

浮點資料就是按下錶的格式儲存在4個位元組中:

address+0 address+1 address+2 address+3

contents seee eeee emmm mmmm mmmm mmmm mmmm mmmm

s: 表示浮點數正負,1為負數,0為正數

e: 指數加上127後的值的二進位制數

m: 24-bit的底數(只儲存23-bit)

注意:這裡有個特例,浮點數為0時,指數和底數都為0,但此前的公式不成立。因為2的0次方為1,所以,0是個特例。當然,這個特例也不用認為去干擾,編譯器會自動去識別。

舉例1:計算機儲存中的二進位制數如何轉換成實際浮點數

通過上面的格式,我們下面舉例看下-12.5在計算機中儲存的具體資料:

address+0 address+1 address+2 address+3

contents 0xc1 0x48 0x00 0x00

接下來我們驗證下上面的資料表示的到底是不是-12.5,從而也看下它的轉換過程。

由於浮點數不是以直接格式儲存,他有幾部分組成,所以要轉換浮點數,首先要把各部分的值分離出來。

address+0 address+1 address+2 address+3

格式 seeeeeee emmmmmmm mmmmmmmm mmmmmmmm

二進位制 11000001 01001000 00000000 00000000

16進製制 c1 48 00 00

可見:s: 為1,是個負數。

e:為 10000010 轉為10進製為130,130-127=3,即實際指數部分為3.

m:為 10010000000000000000000。這裡,在底數左邊省略儲存了乙個1,使用實際底數表示為 1.10010000000000000000000

到此,我們吧三個部分的值都拎出來了,現在,我們通過指數部分e的值來調整底數部分m的值。調整方法為:如果指數e為負數,底數的小數點向左移,如果指數e為正數,底數的小數點向右移。小數點移動的位數由指數e的絕對值決定。

這裡,e為正3,使用向右移3為即得: 1100.10000000000000000000 至次,這個結果就是12.5的二進位制浮點數,將他換算成10進製數就看到12.5了,如何轉換,看下面:

小數點左邊的1100 表示為 (1 × 23) + (1 × 22) + (0 × 21) + (0 × 20), 其結果為 12 。

小數點右邊的 .100… 表示為 (1 × 2-1) + (0 × 2-2) + (0 × 2-3) + ... ,其結果為.5 。

以上二值的和為12.5, 由於s 為1,使用為負數,即-12.5 。

所以,16進製制 0xc1480000 是浮點數 -12.5 。

舉例2:浮點數裝換成計算機儲存格式中的二進位制數。

舉例將 17.625換算成 float型。

首 先,將17.625換算成二進位制位:10001.101 ( 0.625 = 0.5+0.125, 0.5即 1/2, 0.125即1/8 如果不會將小數部分轉換成二進位制,請參考其他書籍)

再將 10001.101 向左移,直到小數點前只剩一位成了 1.0001101 x 2的4次方(因為左移了4位)。此時我們的底數m和指數e就出來了:

底數部分m,因為小數點前必為1,所以ieee規定只記錄小數點後的就好,所以此處底數為 0001101 。

指數部分e,實際為4,但須加上127,固為131,即二進位制數 10000011 符號部分s,由於是正數,所以s為0.

綜上所述,17.625的 float 儲存格式就是: 0 10000011 00011010000000000000000 轉換成16進製制:0x41 8d 00 00 所以,一看,還是占用了4個位元組。

浮點數型別包括float、double、long double

在這裡以float為例。

先看一段**:

[cpp]

view plain

copy

"font-size:14px;"

>#include

#include

intmain()  

它的執行結果如下:

為什麼會有這樣的結果呢?簡單分析一下:

對於9和9.0在記憶體中肯定都以補碼的形式存在,因為int和float對於這串補碼的處理方式不同所以才會得到不一樣的結果。

而對於float到底是怎樣在記憶體中儲存的呢?這就是我們討論的重點!

根據國際標準ieee(電氣和電子工程協會)規定,任何乙個浮點數num的二進位制數可以寫為:

num = (-1)^s*m*2^e;//(s表示符號,e表示階乘,m表示有效數字)

①當s為0時,表示乙個正數;當s為1時,表示乙個負數

②m表示有效數字,1<= m <2

③2^e表示指數

比如十進位制的3.0,二進位制就是0011.0 就可以寫成(-1)^0*1.1*2^1 

在比如十進位制的-3.0,二進位制就是-0011.0 就可以寫成(-1)^1*1.1*2^1 

而規定float型別有乙個符號位(s),有8個指數字(e),和23個有效數字位(m)

double型別有乙個符號位(s),有11個指數字(e),和52個有效數字位(m)

以float型別為例:

ieee對於(有效數字)m和(指數)e有特殊的規定: (以float為例)

1.因為m的值一定是1<= m <2,所以它絕對可以寫成1.******x的形式,所以規定m在儲存時捨去第乙個1,只儲存小數點之後的數字。這樣做節省了空間,以float型別為例,就可以儲存23位小數資訊,加上捨去的1就可以用23位來表示24個有效的資訊。

2.對於e(指數)e是乙個無符號整數所以e的取值範圍為(0~255),但是在計數中指數是可以為負的,所以規定在存入e時,在它原本的值上加上中間數(127),在使用時減去中間數(127),這樣e的真正取值範圍就成了(-127~128)。

對於e還分為三種情況:

①e不全為0,不全為1:

這時就用正常的計算規則,e的真實值就是e的字面值減去127(中間值),m的值要加上最前面的省去的1。

②e全為0

這時指數e等於1-127為真實值,m不在加上捨去的1,而是還原為0.******xx小數。這樣為了表示0,和一些很小的整數。

所以在進行浮點數與0的比較時,要注意。

③e全為1

當m全為0時,表示±無窮大(取決於符號位);當m不全為1時,表示這數不是乙個數(nan)

在看剛開始的題目:

①int a = 9;因為a是int型別的,所以他在記憶體中以補碼的形式儲存:

00000000 00000000 00000000 00001001

而*pa卻是float型別的所以,當*pa讀這塊記憶體的值時,它通過浮點數的形式讀取

0     0000000 0     0000000 00000000 00001001        

—   —————    ———————————————

s           e                                m

*pa = (-1)^0 * (0.0000000 00000000 00001001) * 2^(1-127)  這個數是乙個很小的數,用十進位制小數表示就是 0.000000

②*pa = 9.0;因為*pa是float型別的,所以9可以寫為(1001)= (-1)^0 * (1.001) * 2^(3)

所以:s = 0;m = 001000…… e = 3 + 127 = 130

0    1000001 0        0010000 00000000 00000000

—   —————    ———————————————

s           e                                m

而把這個二進位制數還原為十進位制數就為1091567616就是a的值

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