【C语言进阶】内存中浮点数的存储规则
文章目录- 前言
- 一、什么叫做浮点数？
- 1.1 浮点数家族有哪些？
- 二、 浮点数在内存中的存储是怎样的
- 2.1 引例
- 浮点数的存储规则：
- 举例来说:
- 有效数字M和指数E的特别规定
- 验证浮点数是不是这样存储的
- 2.2 指数E的三种情况
- （1） E不全为0或不全为1
- （2）E全为0
- （3）E全为1
- 三 、开头例题讲解
- 总结
- 今天我们讲解了
前言
大家在写C语言中都用过浮点数float，和double。但是你们知道在内存中是怎么存储的吗？
一、什么叫做浮点数？
- 在生活中我们常见的浮点数： 3.14 1E10
- 这种科学计数法：由于小数点可以左右移动，所以我们称为浮点数。
1.1 浮点数家族有哪些？
C语言常用的浮点数有： float doule long doule
其中 long double 是在C语言 C99& 的新标准中增加的。
二、 浮点数在内存中的存储是怎样的
2.1 引例
大家看一下下面这段代码，大家猜一下是多少
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", *pFloat);
return 0;
}- 我猜大多数人的结果都是：9 9.000000 9 9.000000
但实际上输出的结果是：9 0.000000 1091567616 9.000000 这是为什么呢？接下来就要了解一下浮点数的存储方式大家就明白了。
浮点数的存储规则：
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：
V = (-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。
那这些是什么意思呢？
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 因为是二进制所以 底数是2，小数点向左移动了俩位所以指数是2 那么，按照上面V的格式，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
那么，S=1，M=1.01，E=2 在IEEE 754规定： 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。
如图所示：
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。
有效数字M和指数E的特别规定
IEEE 754对有效数字M和指数E，还有一些特别规定。
- 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，因此可以被舍去，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，再把第一位的1加上去。这样做的目的，是节省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舍去以后，等于可以保存24位有效数字。
至于指数E，情况就比较复杂。 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是可以出现负数的。
- 所以IEEE 754规定，存入内存时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，所以保存成32位浮点数时，必须保存成10+127=137，即 10001001。
验证浮点数是不是这样存储的
#include <stdio.h>
int main()
{
float n = 5.5;
//5.5的二进制是101.1
//所以这时
//S=0 M=1.011 E=127+2
//根据浮点数在内存中的存储模型得
//在内存中存储的是
//0 10000001 01100000000000000000000
//转成16进制为
//0100 0000 1011 0000 0000 0000 0000 0000
//0x40 b0 00 00
return 0;
}扩展：
为什么5.5的二进制是101.1 0.5为什么转二进制会成为0.1呢 因为二进制小数点后面的计算方法是 从小数点往后1位就是2的-1次方乘以那个位置的数字得来的 0.1就是1*2的-1次方1等于0.5
我们在内存中看一下浮点数5.5的存储是不是我们上面代码计算那样
这时我们可以看到内存中的确是按这种方法存储的 由于在这里是小端存储所以16进制是反着存的
2.2 指数E的三种情况
（1） E不全为0或不全为1
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前加上第一位的1。
比如：
- 0.5（1/2）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*2^(-1)，其阶码为 -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。 所以 S=0 E=126 M=0 参考前面浮点数的储存模型可知 则其二进制表示形式为:
0 01111110 00000000000000000000000
（2）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，以及无限接近于0的很小的数字。
（3）E全为1
这时，如果有效数字M全为0，表示±无穷大（正负取决于符号位s)
好了我们关于浮点数在内存中的存储规则就了解完了。 有关指数E我们介绍了3种情况：
- E不全为0或不全为1
- E全为0
- E全为1
关于E全为0 或者 E全为1我们了解一下就可以了。这些都是特殊情况大家只需要明白是怎么回事就可以了。
三 、开头例题讲解
printf(“n的值为：%d\n”, n); 这句话为什么输出是 9呢？
因为n是个 int类型所以我们输出是以整形格式取出然后以%d十进制方式打印
printf(“*pFloat的值为：%f\n”, *pFloat); 这个的输出为什么是0.000000呢？
这个是对float类型的指针解引用但他指向地址是个整形 而整形类型的在计算机存储的是补码： 9转成二进制就是 00000000000000000000000000001001 而按浮点数类型拿出的话 S=0 E=0 M= 0…1010 这里就是指数E为0的时候 套用浮点数计算公式 V = (-1)^S * M * 2^E 我们拿出的是一个无限接近0的一个小数 而%f只打印6个零就不打印了所以我们打印的是： 0.000000
*pFloat = 9.0; printf(“num的值为：%d\n”, n); 这个打印为什么是1091567616
这段代码第一句话向指针指向的地址存进去了一个浮点数9.0 而浮点数的存储9.0 二进制是1001 写成科学计数法是 1.001 所以S=0 M=1.001 E=130 所以在内存存的是： 0 10000010 00100000000000000000000 转成十进制打印就是1091567616
*pFloat的值为：%f\n", *pFloat
这个是以浮点数的形式打印，而我们存进去的就是浮点数所以 打印还是9.0
总结
今天我们讲解了
- 什么是浮点数
- 浮点数的存储规则
- 浮点数在内存中的存储模型
- 在IEEE 电气电子工程师协会中关于 指数E 和 有效数字M的规定
- 指数E的3种情况
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