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float与double的范围和精度

float与double的范围和精度

1 范围

float和double的范围是由指数的位数来决定的。

float的指数位有8位,而double的指数位有11位,分布如下:

float

1bit(符号位)

8bits(指数位)

23bits(尾数位)

double

1bit(符号位)

11bits(指数位)

52bits(尾数位)

在数学中,特别是在计算机相关的数字(浮点数)问题的表述中,有一个基本表达法[1]

value of floating-point = significand x base ^ exponent , with sign  F.1


译为中文表达即为:

(浮点)数值 = 尾数×底数^指数,(附加正负号)-------- F.2

于是,float的指数范围为-127~128,而double的指数范围为-1023~1024,并且指数位是按补码的形式来划分的。其中负指数决定了浮点数所能表达的绝对值最小的数;而正指数决定了浮点数所能表达的绝对值最大的数,也即决定了浮点数的取值范围。

float的范围为-2^128 ~ +2^128,也即-3.40E+38 ~ +3.40E+38;double的范围为-2^1024 ~ +2^1024,也即-1.79E+308 ~ +1.79E+308。

2 精度

float和double的精度是由尾数的位数来决定的。浮点数在内存中是按科学计数法来存储的,其整数部分始终是一个隐含着的“1”,由于它是不变的,故不能对精度造成影响。

float:2^23 = 8388608,一共七位,这意味着最多能有7位有效数字,但绝对能保证的为6位,也即float的精度为6~7位有效数字;

double:2^52 = 4503599627370496,一共16位,同理,double的精度为15~16位。

单精度类型(float)和双精度类型(double)存储

C 语言和C#语言中,对于浮点类型的数据采用单精度类型(float)和双精度类型(double)来存储,float数据占用32bit, double数据占用64bit,我们在声明一个变量float f= 2.25f的时候,是如何分配内存的呢?如果胡乱分配,那世界岂不是乱套了么,其实不论是float还是double在存储方式上都是遵从IEEE的规范 的,float遵从的是IEEE R32.24 ,而double 遵从的是R64.53。


无论是单精度还是双精度在存储中都分为三个部分:

  • 符号位(Sign) : 0代表正,1代表为负
  • 指数位(Exponent):用于存储科学计数法中的指数数据,并且采用移位存储
  • 尾数部分(Mantissa):尾数部分

其中float的存储方式如下图所示:




    而双精度的存储方式为:




     R32.24
和R64.53的存储方式都是用科学计数法来存储数据的,比如8.25用十进制的科学计数法表示就为:8.25* ,而120.5可以表示为:1.205*, 这些小学的知识就不用多说了吧。而我们傻蛋计算机根本不认识十进制的数据,他只认识0,1,所以在计算机存储中,首先要将上面的数更改为二进制的科学计数 法表示,8.25用二进制表示可表示为1000.01,我靠,不会连这都不会转换吧?那我估计要没辙了。120.5用二进制表示为:1110110.1用 二进制的科学计数法表示1000.01可以表示为1.0001* ,1110110.1可以表示为1.1101101* ,任何一个数都的科学计数法表示都为1.xxx* , 尾数部分就可以表示为xxxx,第一位都是1嘛,干嘛还要表示呀?可以将小数点前面的1省略,所以23bit的尾数部分,可以表示的精度却变成了 24bit,道理就是在这里,那24bit能精确到小数点后几位呢,我们知道9的二进制表示为1001,所以4bit能精确十进制中的1位小数点,24bit就能使float能精确到小数点后6位,而对于指数部分,因为指数可正可负,8位的指数位能表示的指数范围就应该为:-127-128了,所以 指数部分的存储采用移位存储,存储的数据为元数据+127,下面就看看8.25和120.5在内存中真正的存储方式。


首先看下8.25,用二进制的科学计数法表示为:1.0001*

按照上面的存储方式,符号位为:0,表示为正,指数位为:3+127=130 ,位数部分为,故8.25的存储方式如下图所示:




    而单精度浮点数120.5的存储方式如下图所示:



    那 么如果给出内存中一段数据,并且告诉你是单精度存储的话,你如何知道该数据的十进制数值呢?其实就是对上面的反推过程,比如给出如下内存 数据:0100001011101101000000000000,首先我们现将该数据分段,0 10000 0101 110 1101 0000 0000 0000 0000,在内存中的存储就为下图所示:


根据我们的计算方式,可以计算出,这样一组数据表示为:1.1101101* =120.5

而双精度浮点数的存储和单精度的存储大同小异,不同的是指数部分和尾数部分的位数。所以这里不再详细的介绍双精度的存储方式了,只将120.5的最后存储方式图给出,大家可以仔细想想为何是这样子的


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