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double 的精度和,有效位數和表示範圍

  曾經的一道題目中,用double定義,輸出結果仍然不準確,精度不夠! double表示的範圍是-2^1024 ~ +2^1024,也即-1.79E+308 ~ +1.79E+308。雖然double表示的範圍很大,但是仍不能正常輸出,其原因是double表示的範圍不能精確表示要走輸出的值。

 在網上找過相關的資料,但不能完全看明白!內容具體如下:

 本文為原創,轉載請保留出處以及作者, 謝謝

    C語言和C#語言中,對於浮點型別的資料採用單精度型別(float)和雙精度型別(double)來儲存,float資料佔用32bit, double資料佔用64bit,我們在宣告一個變數float f= 2.25f的時候,是如何分配記憶體的呢?如果胡亂分配,那世界豈不是亂套了麼,其實不論是float還是double在儲存方式上都是遵從IEEE的規範 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儲存中都分為三個部分:

  1. 符號位(Sign) : 0代表正,1代表為負
  2. 指數位(Exponent):用於儲存科學計數法中的指數資料,並且採用移位儲存
  3. 尾數部分(Mantissa):尾數部分

 其中float的儲存方式如下圖所示:

float型別的儲存方式

而雙精度的儲存方式為:

double型別資料的儲存方式

    R32.24和R64.53的儲存方式都是用科學計數法來儲存資料的,比如8.25用十進位制的科學計數法表示就為:8.25*clip_image0021,而120.5可以表示為:1.205*clip_image0022, 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位制的資料,他只認識0,1,所以在計算機儲存中,首先要將上面的數更改為二進位制的科學計數 法表示,8.25用二進位制表示可表示為1000.01,我靠,不會連這都不會轉換吧?那我估計要沒轍了。120.5用二進位制表示為:1110110.1用 二進位制的科學計數法表示1000.01可以表示為1.0001*

clip_image002[2],1110110.1可以表示為1.1101101*clip_image002[3],任何一個數都的科學計數法表示都為1.xxx*clip_image002[1], 尾數部分就可以表示為xxxx,第一位都是1嘛,幹嘛還要表示呀?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,道理就是在這裡,那24bit能精確到小數點後幾位呢,我們知道9的二進位制表示為1001,所以4bit能精確十進位制中的1位小數點, 24bit就能使float能精確到小數點後6位,而對於指數部分,因為指數可正可負,8位的指數位能表示的指數範圍就應該為:-127-128了,所以 指數部分的儲存採用移位儲存,儲存的資料為元資料+127,下面就看看8.25和120.5在記憶體中真正的儲存方式。

     首先看下8.25,用二進位制的科學計數法表示為:1.0001*clip_image002[2]

按照上面的儲存方式,符號位為:0,表示為正,指數位為:3+127=130 ,位數部分為,故8.25的儲存方式如下圖所示:

單精度浮點數8.25的儲存方式

而單精度浮點數120.5的儲存方式如下圖所示:

單精度數120.5的儲存方式

那麼如果給出記憶體中一段資料,並且告訴你是單精度儲存的話,你如何知道該資料的十進位制數值呢?其實就是對上面的反推過程,比如給出如下記憶體 資料:0100001011101101000000000000,首先我們現將該資料分段,0 10000 0101 110 1101 0000 0000 0000 0000,在記憶體中的儲存就為下圖所示:

根據我們的計算方式,可以計算出,這樣一組資料表示為:1.1101101*clip_image002[3]=120.5

而雙精度浮點數的儲存和單精度的儲存大同小異,不同的是指數部分和尾數部分的位數。所以這裡不再詳細的介紹雙精度的儲存方式了,只將120.5的最後儲存方式圖給出,大家可以仔細想想為何是這樣子的

文字框: 0     100 0000 0101    1101 1010 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000

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

            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轉換為雙精度後,精確到小數點後13位後變為了2.2000000476837,而單精度的 2.25轉換為雙精度後,變為了2.2500000000000,為何2.2在轉換後的數值更改了而2.25卻沒有更改呢?很奇怪吧?其實通過上面關於兩 種儲存結果的介紹,我們已經大概能找到答案。首先我們看看2.25的單精度儲存方式,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:將十進位制的小數轉換為二進位制的小數 的方法為將小數*2,取整數部分,所以0.282=0.4,所以二進位制小數第一位為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,得到的二進位制是一個無限迴圈的排列 00110011001100110011... ,對於單精度資料來說,尾數只能表示24bit的精度,所以2.2的float儲存為:

單精度數202的儲存方式

但是這樣儲存方式,換算成十進位制的值,卻不會是2.2的,應為十進位制在轉換為二進位制的時候可能會不準確,如2.2,而double型別的數 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,對於能夠用二進位制表示的十進位制資料,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。

只是知道double表示資料的範圍並不是資料的精確值!博文還沒有結束,後續!

帶我經過一段時間專研琢磨之後,博文的內容就完整了!