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[C++知识库]为什么C语言用%d输出浮点数的结果像随机数

(以下内容纯属本人猜想,没有经过断点调试、反汇编、内存地址读取等方式来详细考证,具体执行结果与编译器等环境也有关系,如有雷同纯属巧合!)

问题描述:

#include <stdio.h>

int main()
{
    float a = 6.6f;
    printf("%d\n",a); //输出结果为1610612736
}

已知在本人的编译器中:

sizeof(int) = 4;
sizeof(float) = 4;
sizeof(long long int) = 8sizeof(double) = 8

6.6的单精度浮点数表示为:

符号位(1位)阶码(8位)尾数(23位)
01000000110100110011001100110011

二进制形式:01000000 11010011 00110011 00110011

十进制形式:1087583027

但是C语言编译器在向printf传递float类型的参数时,会自动将它转换为double类型再传给printf.

因此转换后的双精度浮点数可以表示为:

符号位(1位)阶码(11位)尾数(52位)
0100000000011010011001100110011001100000000000000000000000000000

二进制形式:01000000 00011010 01100110 01100110 01100000 00000000 0000000 000000000

十进制形式:4619116957705175040

%d只输出低32位的数据,而传入的double类型的数据有64位,将其截断后剩下的内容为01100000 00000000 0000000 000000000,其十进制形式为1610612736,与printf("%d\n",a)的输出结果完全吻合!

这里需要注意一个问题,6.6用二进制可以表示为:

110.100110011001100110011001100110011001100110011001100......

它是一个循环小数,末尾是“1100”的无限循环,将6.6直接转化为双精度浮点数应为:

符号位(1位)阶码(11位)尾数(52位)
0100000000011010011001100110011001100110011001100110011001100110

float a = 6.6f的赋值过程中,只有23位的尾数进入了内存栈,其余精度已经丢失,于是在单精度向双精度转换的过程中,23位尾数的后面填充29个0,共形成52位尾数,因此直接转换为双精度浮点数的结果,与先转换为单精度浮点数、再转换为双精度浮点数的结果不同。

结果验证:

#include <stdio.h>

int main()
{
    float a = 6.6f;
    printf("%lld\n",a); //输出结果为4619116957705175040
}

long long int的形式对a进行输出,其输出结果为4619116957705175040,与前面的双精度浮点数的十进制形式完全一致,印证了本人的猜想。

对猜想的推广:

#include <stdio.h>

int main()
{
    float a = 6.7f;
    printf("%d\n",a); //输出结果为-1073741824
}

把6.6改为6.7, 输出结果变为了-1073741824,这又是为什么呢?

6.7的单精度浮点数表示为:

符号位(1位)阶码(8位)尾数(23位)
01000000110101100110011001100110

参数传递后,其双精度浮点数可以表示为:

符号位(1位)阶码(11位)尾数(52位)
0100000000011010110011001100110011000000000000000000000000000000

二进制形式:01000000 00011010 11001100 11001100 11000000 00000000 00000000 00000000

十进制形式:4619229547588485120

将二进制形式的高32位截断后,剩下的内容为11000000 00000000 00000000 00000000,其十进制形式为3221225472,与printf("%d\n",a)的输出结果不吻合。

既然输出是负数,本人考虑了原码、补码和真值的关系。C语言中的int类型不仅能存储0和正整数,还能存储负整数啊,而计算机中负数以补码的方式进行存储。因此将“11000000 00000000 00000000 00000000”视为补码,将其转化为原码,结果为“11000000 00000000 00000000 00000000”,其中的第一个“1”是符号位,符号位为1表示它是负数,最后将原码转化为真值,结果为-1073741824, 再一次与printf("%d\n",a)的输出结果吻合!

因此,6.6在传参时被转化为双精度浮点数并截去高32位后的“01100000 00000000 0000000 000000000”中,最高位的“0”并不是数值位,而是符号位!由于它刚好是正数,所以不论是否考虑符号位,它转化为十进制的值都是1610612736.

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