深入C/C++浮點(diǎn)數(shù)在內(nèi)存中的存儲方式詳解
任何數(shù)據(jù)在內(nèi)存中都是以二進(jìn)制的形式存儲的,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。但是對于浮點(diǎn)數(shù)在內(nèi)存是如何存儲的?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:符號位+階碼(N)+尾數(shù)(M)。對于float型數(shù)據(jù),其二進(jìn)制有32位,其中符號位1位,階碼8位,尾數(shù)23位;對于double型數(shù)據(jù),其二進(jìn)制為64位,符號位1位,階碼11位,尾數(shù)52位。
31 30-23 22-0
float 符號位 階碼 尾數(shù)
63 62-52 51-0
double 符號位 階碼 尾數(shù)
符號位:0表示正,1表示負(fù)
階碼:這里階碼采用移碼表示,對于float型數(shù)據(jù)其規(guī)定偏置量為127,階碼有正有負(fù),對于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)行存儲了。
下面舉例說明:
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
而反過來若要根據(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
對于double型數(shù)據(jù)情況類似,只不過其階碼為11位,偏置量為1023,尾數(shù)為52位。
測試程序:
/*測試浮點(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
因此對于p和p+1指向的單元,其中存儲的二進(jìn)制數(shù)表示的十進(jìn)制整數(shù)為0;
而對于p+2指向的單元,由于為char型指針,為帶符號的數(shù)據(jù)類型,因此11111011,符號位為1,則為負(fù)數(shù),由于在內(nèi)存中二進(jìn)制是以補(bǔ)碼存儲的,所以其真值為-5.
對于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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