C語言浮點數的二進制表示

1.

前幾天，我在讀一本C語言教材，有一道例題：

#include

void main(void){

int num=9; /* num是整型變量，設為9 */

float* pFloat=# /* pFloat表示num的內存地址，但是設為浮點數 */

printf("num的值為：%d\n",num); /* 顯示num的整型值 */

printf("*pFloat的值為：%f\n",*pFloat); /* 顯示num的浮點值 */

*pFloat=9.0; /* 將num的值改為浮點數 */

printf("num的值為：%d\n",num); /* 顯示num的整型值 */

printf("*pFloat的值為：%f\n",*pFloat); /* 顯示num的浮點值 */

}

運行結果如下：

num的值為：9

*pFloat的值為：0.000000

num的值為：1091567616

*pFloat的值為：9.000000

我很驚訝，num和*pFloat在內存中明明是同一個數，為什么浮點數和整數的解讀結果會差別這么大?

要理解這個結果，一定要搞懂浮點數在計算機內部的表示方法。我讀了一些資料，下面就是我的筆記。

2.

在討論浮點數之前，先看一下整數在計算機內部是怎樣表示的。

int num=9;

上面這條命令，聲明了一個整數變量，類型為int，值為9(二進制寫法為1001)。普通的32位計算機，用4個字節表示int變量，所以9就被保存為00000000 00000000 00000000 00001001，寫成16進制就是0x00000009。

那么，我們的問題就簡化成：為什么0x00000009還原成浮點數，就成了0.000000?

3.

根據國際標準IEEE 754，任意一個二進制浮點數V可以表示成下面的形式：

V = (-1)^s×M×2^E

(1)(-1)^s表示符號位，當s=0，V為正數;當s=1，V為負數。

(2)M表示有效數字，大于等于1，小于2。

(3)2^E表示指數位。

舉例來說，十進制的5.0，寫成二進制是101.0，相當于1.01×2^2。那么，按照上面V的格式，可以得出s=0，M=1.01，E=2。

十進制的-5.0，寫成二進制是-101.0，相當于-1.01×2^2。那么，s=1，M=1.01，E=2。

IEEE 754規定，對于32位的浮點數，最高的1位是符號位s，接著的8位是指數E，剩下的23位為有效數字M。

對于64位的浮點數，最高的1位是符號位S，接著的11位是指數E，剩下的52位為有效數字M。

5.

IEEE 754對有效數字M和指數E，還有一些特別規定。

前面說過，1≤M<2，也就是說，M可以寫成1.xxxxxx的形式，其中xxxxxx表示小數部分。IEEE 754規定，在計算機內部保存M時，默認這個數的第一位總是1，因此可以被舍去，只保存后面的xxxxxx部分。比如保存1.01的時候，只保存01，等到讀取的時候，再把第一位的1加上去。這樣做的目的，是節省1位有效數字。以32位浮點數為例，留給M只有23位，將第一位的1舍去以后，等于可以保存24位有效數字。

至于指數E，情況就比較復雜。

首先，E為一個無符號整數(unsigned int)。這意味著，如果E為8位，它的取值范圍為0~255;如果E為11位，它的取值范圍為0~2047。但是，我們知道，科學計數法中的E是可以出現負數的，所以IEEE 754規定，E的真實值必須再減去一個中間數，對于8位的E，這個中間數是127;對于11位的E，這個中間數是1023。

比如，2^10的E是10，所以保存成32位浮點數時，必須保存成10+127=137，即10001001。

然后，指數E還可以再分成三種情況：

(1)E不全為0或不全為1。這時，浮點數就采用上面的規則表示，即指數E的計算值減去127(或1023)，得到真實值，再將有效數字M前加上第一位的1。

(2)E全為0。這時，浮點數的指數E等于1-127(或者1-1023)，有效數字M不再加上第一位的1，而是還原為0.xxxxxx的小數。這樣做是為了表示±0，以及接近于0的很小的數字。

(3)E全為1。這時，如果有效數字M全為0，表示±無窮大(正負取決于符號位s);如果有效數字M不全為0，表示這個數不是一個數(NaN)。

6.

好了，關于浮點數的表示規則，就說到這里。

下面，讓我們回到一開始的問題：為什么0x00000009還原成浮點數，就成了0.000000?

首先，將0x00000009拆分，得到第一位符號位s=0，后面8位的指數E=00000000，最后23位的有效數字M=000 0000 0000 0000 0000 1001。

由于指數E全為0，所以符合上一節的第二種情況。因此，浮點數V就寫成：

V=(-1)^0×0.00000000000000000001001×2^(-126)=1.001×2^(-146)

顯然，V是一個很小的接近于0的正數，所以用十進制小數表示就是0.000000。

7.

再看例題的第二部分。

請問浮點數9.0，如何用二進制表示?還原成十進制又是多少?

首先，浮點數9.0等于二進制的1001.0，即1.001×2^3。

那么，第一位的符號位s=0，有效數字M等于001后面再加20個0，湊滿23位，指數E等于3+127=130，即10000010。

所以，寫成二進制形式，應該是s+E+M，即0 10000010 001 0000 0000 0000 0000 0000。這個32位的二進制數，還原成十進制，正是1091567616。

深圳北大青鳥