C/C++的浮點(diǎn)數(shù)在內(nèi)存中的存儲(chǔ)方式分析

任何數(shù)據(jù)在內(nèi)存中都是以二進(jìn)制的形式存儲(chǔ)的，例如一個(gè)short型數(shù)據(jù)1156，其二進(jìn)制表示形式為00000100 10000100。則在Intel CPU架構(gòu)的系統(tǒng)中，存放方式為  10000100(低地址單元) 00000100(高地址單元)，因?yàn)镮ntel CPU的架構(gòu)是小端模式。但是對(duì)于浮點(diǎn)數(shù)在內(nèi)存是如何存儲(chǔ)的?目前所有的C/C++編譯器都是采用IEEE所制定的標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)格式，即二進(jìn)制科學(xué)表示法。

       在二進(jìn)制科學(xué)表示法中，S=M*2^N 主要由三部分構(gòu)成：符號(hào)位+階碼(N)+尾數(shù)(M)。對(duì)于float型數(shù)據(jù)，其二進(jìn)制有32位，其中符號(hào)位1位，階碼8位，尾數(shù)23位；對(duì)于double型數(shù)據(jù)，其二進(jìn)制為64位，符號(hào)位1位，階碼11位，尾數(shù)52位。

                31        30-23       22-0

float       符號(hào)位     階碼        尾數(shù)

                63        62-52       51-0

double    符號(hào)位     階碼        尾數(shù)

符號(hào)位：0表示正，1表示負(fù)

階碼：這里階碼采用移碼表示，對(duì)于float型數(shù)據(jù)其規(guī)定偏置量為127,階碼有正有負(fù)，對(duì)于8位二進(jìn)制，則其表示范圍為-128-127，double型規(guī)定為1023，其表示范圍為-1024-1023。比如對(duì)于float型數(shù)據(jù)，若階碼的真實(shí)值為2，則加上127后為129，其階碼表示形式為10000010

尾數(shù):有效數(shù)字位，即部分二進(jìn)制位(小數(shù)點(diǎn)后面的二進(jìn)制位)，因?yàn)橐?guī)定M的整數(shù)部分恒為1，所以這個(gè)1就不進(jìn)行存儲(chǔ)了。

下面舉例說(shuō)明：

float型數(shù)據(jù)125.5轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)格式

125二進(jìn)制表示形式為1111101，小數(shù)部分表示為二進(jìn)制為 1，則125.5二進(jìn)制表示為1111101.1，由于規(guī)定尾數(shù)的整數(shù)部分恒為1，則表示為1.1111011*2^6，階碼為6，加上127為133，則表示為10000101，而對(duì)于尾數(shù)將整數(shù)部分1去掉，為1111011，在其后面補(bǔ)0使其位數(shù)達(dá)到23位，則為11110110000000000000000

則其二進(jìn)制表示形式為

0 10000101 11110110000000000000000，則在內(nèi)存中存放方式為：

00000000   低地址

00000000

11111011

01000010   高地址

而反過(guò)來(lái)若要根據(jù)二進(jìn)制形式求算浮點(diǎn)數(shù)如0 10000101 11110110000000000000000

由于符號(hào)為為0，則為正數(shù)。階碼為133-127=6，尾數(shù)為11110110000000000000000，則其真實(shí)尾數(shù)為1.1111011。所以其大小為

1.1111011*2^6，將小數(shù)點(diǎn)右移6位，得到1111101.1，而1111101的十進(jìn)制為125，0.1的十進(jìn)制為1*2^(-1)=0.5，所以其大小為125.5。

同理若將float型數(shù)據(jù)0.5轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制形式

0.5的二進(jìn)制形式為0.1，由于規(guī)定正數(shù)部分必須為1，將小數(shù)點(diǎn)右移1位，則為1.0*2^(-1)，其階碼為-1+127=126，表示為01111110，而尾數(shù)1.0去掉整數(shù)部分為0，補(bǔ)齊0到23位00000000000000000000000，則其二進(jìn)制表示形式為

0 01111110 00000000000000000000000

由上分析可知float型數(shù)據(jù)最大表示范圍為1.11111111111111111111111*2^127=3.4*10^38

對(duì)于double型數(shù)據(jù)情況類(lèi)似，只不過(guò)其階碼為11位，偏置量為1023，尾數(shù)為52位。

 測(cè)試程序：

/*測(cè)試浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)在內(nèi)存中存放方式 2011.10.2*/ 

#include <iostream>
using namespace std;

int main(int argc, char *argv[])
{
  float a=125.5;
  char *p=(char *)&a;
  printf("%d\n",*p);
  printf("%d\n",*(p+1));
  printf("%d\n",*(p+2));
  printf("%d\n",*(p+3));
  return 0;
}

輸出結(jié)果為：

0

0

-5

66

在上面已經(jīng)知道float型125.5在內(nèi)存中存放方式為：

00000000   低地址

00000000

11111011

01000010   高地址

因此對(duì)于p和p+1指向的單元，其中存儲(chǔ)的二進(jìn)制數(shù)表示的十進(jìn)制整數(shù)為0；

而對(duì)于p+2指向的單元，由于為char型指針，為帶符號(hào)的數(shù)據(jù)類(lèi)型，因此11111011，符號(hào)位為1，則為負(fù)數(shù)，由于在內(nèi)存中二進(jìn)制是以補(bǔ)碼存儲(chǔ)的，所以其真值為-5.

對(duì)于p+3指向的單元，01000010，為正數(shù)，則其大小為66。上面程序輸出結(jié)果驗(yàn)證了其正確性。

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