带你彻底了解浮点型数据的存储

简介: 🐰浮点型在内存的存储🤔提示:数据类型的存储范围🌸浮点型的类型:✈️引入:🐰浮点型数据存储的规则🌸有效位数字M的规定🌸10进制的小数转换成2进制的小数🌸指数E的规定🌸引入的解读

🚀🚀🚀大家觉不错的话,就恳求大家点点关注,点点小爱心,指点指点🚀🚀🚀

目录

🐰浮点型在内存的存储

🤔提示:数据类型的存储范围

🌸浮点型的类型:

✈️引入:

🐰浮点型数据存储的规则

🌸有效位数字M的规定

🌸10进制的小数转换成2进制的小数

🌸指数E的规定

🌸引入的解读


🐰浮点型在内存的存储

🤔提示:数据类型的存储范围

整形家族的类型的取值范围:放在limits.h的文件

浮点型类型的取值范围:放在float.h的文件

🌸浮点型的类型:

float:单精度浮点型        

double:双精度浮点型

long double:更高精度的浮点型(不常用)

✈️引入:

浮点型存储的例子

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

结果为:

n的值为:9

pFloat的值为:0.000000

num的值为:1091567616

pFloat的值为:0.000000

🐰浮点型数据存储的规则

num和*pFloat在内存中明明是同一个数,为什么浮点数和整数的解读结果会差别这么大?

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:

(-1)^S*M*(2^E)
(-1)^S表示符号位,当S=0,V为正数;当S=1,V为负数
M表示有效数字,大于等于1,小于2
2^E表示指数位
举例来说:
十进制的5.0,写成二进制是101.0,相当于1.01*2^2
可以得出S=0,M=1.01,E=2
十进制的-5.0,写成二进制是-101.0,相当于-1.01*2^2
可以得出S=1,M=1.01,E=2

再例如:5.5

V=5.5=(-1)^0*1.011*2^2

S=0

M=1.011

E=2

IEEE 754规定:

float(单精度浮点型) 32位的浮点型

对于32位的浮点数,最高的1位是符号位S,接着的8位是指数E,剩下的23位为有效数字M

C1737469-51B2-43B4-8B0D-0CFE893E7B25.png

double(双精度浮点型) 64位的浮点型

对于64位的浮点数,最高的1位是符号位S,接着的11位是指数E,剩下的52位为有效数字M

89B7113E-0C77-42E8-94C0-7CB49B93CEE9.png

IEEE 754对有效数字M和指数E,还有一些特别的规定

🌸有效位数字M的规定

前面说过1<=M<2,也就是说,M可以写成1.xxxxxx的形式,其中xxxxxx表示小数部分。

IEEE 754规定,在计算机内部保存M时,默认这个数的第一位总是1,因此可以舍去,只保存后面的xxxxxx部分。比如保存1.01的时候,只保存01,等到读取的时候,在把第一位加上去。这样做的目的,节省1位有效数字。以32位浮点数为例,留给M只有23位,将第一位的1舍去后,等于可以保存24位有效数字

🌸10进制的小数转换成2进制的小数

10进制的小数乘以2,算出乘积,取出乘积的整数部分,再用2乘以余下的小数部分,又可以得到一个乘积,再取出乘积的整数部分,如此进行,直到乘积中的小数部分为零,或者达到所要求的精度为止。然后把取出的整数部分按顺序排列起来。

先取的整数作为高位,后取的整数作为低位。

0.6875

*2

取出整数部分

高位 

1.3750

*2

1

0.7500

*2

0

1.5000

*2

1

1.0000

1

低位 

所以 0.6875(10)=0.1011(2)

或者达到所要求的精度为止,这句话的意思:不是所有的10进制数都可以完全转化为二进制数,例如:0.3

0.3

*2

取出整数部分

高位

0.6

*2

0

1.2

*2

1

0.4

*2

0

0.8

*2

0

1.6

*2

1

1.2

*2

1

0.4

*2

0

...

...

低位

所以 0.3(10)不能完全转化为二进制的数,可以根据精度,取接近0.3的值

再例如:5.3

#include<stdio.h>
int main()
{
    float n=5.3;
    printf("%.10f",n);
    return 0;
}
打印出来的值为5.3000001907

🌸指数E的规定

首先,E为一个无符号整数(unsigned int)

这意味着,如果E为8位,它的取值范围为0~255;如果E为11位,它的取值范围为0~2047.但是我们知道,科学计数法中的E可以是负数,所以IEEE 754规定,存入内存时的E的真实值必须再加上一个中间数,对于8位的E,这个中间数是127,对于11位的E,这个中间数是1023。

比如,2^10的E是10,所以保存32位浮点数时,必须保存成10+127=137,即,10001001(无符号数)

E的范围为-127~128

5.5的表示,以32位为例

#include<stdio.h>
int main()
{
    float n=5.5f;
    //5.5的二进制表示形式:101.1
    //V=5.5=(-1)^0*1.011*2^2
    //S:0   E:2(在内存存储的是2+127=129 二进制为:10000001) M:1.011(内存中真实存储的是011)
    //所以内存中存储的是0 10000001 01100000000000000000000
    //十六进制为40b00000
    return 0;
}

E从内存中取出,也得分三种情况

E不全为0或不全为1(我们常见的情况)

这时,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前加第一位的1

比如:0.5的二进制形式为0.1,由于规定正数部分必须为1,即将小数点右移1位,则为(-1)^0*1.0*2^(-1),E真实存储为-1+127=126,表示为01111110,而尾数1.0去掉整数部分为0,补齐0到23位00000000000000000000000,则其二进制表示形式为:0 01111110 00000000000000000000000

E全为0

这时,浮点数的指数E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

E全为1

表示+-无穷大的数(+-取决于符号位s)

🌸引入的解读

#include<stdio.h>
int main()
{
    int n=9;
    //00000000000000000000000000001001-9的补码
    //S:0 E:00000000 M:00000000000000000001001
    //E=1-127=-126
    //M=0.00000000000000000001001
    //(-1)^0*0.00000000000000000001001*2^-126
    float* pFloat=(float*)&n;
    printf("n的值为:%d\n",n);
    printf("pFloat的值为:%f\n",*pFloat);
    *pFloat=9.0;
    //00000000000000000000000000001001-9的补码
    //1.001*2^3
    //V=(-1)^0*1.001*2^3
    //s:0 E:3(存储的 3+127=130) M:00100000000000000000000
    //0 10000010 00100000000000000000000
    printf("num的值为:%d\n",n);
    //如果以整形打印的话,就会把 0 10000010 00100000000000000000000直接当成补码,打印出来,结果为1091567616
    printf("pFloat的值为:%f\n",n);
    return 0;
}

这样就可以理解打印的值为:

n的值为:9

pFloat的值为:0.000000

num的值为:1091567616

pFloat的值为:0.000000

🌸🌸🌸如果大家还有不懂或者建议都可以发在评论区,我们共同探讨,共同学习,共同进步。谢谢大家! 🌸🌸🌸    



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