浮点数计算中的精度丢失


1 js浮点数运算精度丢失

如果你用过js计算浮点数你肯定会遇到过下面这种情况:(我的小学白读了吗==。)

0.2 + 0.4 === 0.6000000000000001
> true

0.2 + 0.4 === 0.6
> false

(其实不只是js,你用其他的IEEE 754浮点数标准的语言也能遇到相同的问题)

为什么会这样呢?

因为你的浮点数首先要被转化成二进制存储到内存中,然后才被计算。丢失的精度其实是在浮点数转化成二进制时发生的。(你可能还不是特别明白,下面会进一步解释)

2 浮点数转化二进制

浮点数要怎么转化成二进制?

十进制: 11.11= 1*10^1 + 1*10^0 + 1*10^-1 + 1*10^-2

二进制: 11.11= 1*2^1 + 1*2^0 + 1*2^-1 + 1*2^-2

十进制1.6要转化成二进制需要分成两部分,

整数部分要做的是: 除2取余
1%2 = 1
小数部分要做的是:乘2取整
0.6*2 = 1 + 0.2
0.2*2 = 0 + 0.4
0.4*2 = 0 + 0.8
0.8*2 = 1 + 0.6
0.6*2 = 1 + 0.2
...
你会发现得到的二进制1.10011.... 是一个无穷长的无限循环二进制小数。

为什么会这样,其实十进制中的0.5相当于一的一半,类似的二进制中的0.1相当于一的一半。(0-1-2)
那十进制0.6代表着二进制中0.1的1/6。
所以在0.0到0.9中只有0和0.5有对应具体的二进制表示。

所以答案就出来了,如果你把一个无限循环的二进制数放入不管是32还是64位的系统中肯定是只能取其中的一部分存储,那被截取的一部分就是浮点数计算的时候有时会丢失精度的原因。

3 国际标准IEEE 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. (-1)^s表示符号位,当s=0,V为正数;当s=1,V为负数。
  2. M表示有效数字,大于等于1,小于2。
  3. 2^E表示指数位。

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。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。

2.1 内存中的浮点数

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。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。

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。

2.2 特殊的指数E

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0255;如果E为11位,它的取值范围为02047。但是,我们知道,科学计数法中的E是可以出现负数的,所以E的真实值必须再减去一个中间数,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。

然后,指数E还可以再分成三种情况:

  • E不全为0或不全为1。这时,浮点数就采用上面的规则表示,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。
  • E全为0。这时,浮点数的指数E等于1-127(或者1-1023),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,以及接近于0的很小的数字。
  • 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);如果有效数字M不全为0,表示这个数不是一个数(NaN)。

参考:
代码之谜(五)- 浮点数 谁偷了你的精度
浮点数的二进制表示

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