阿发伯的业余编程心得

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自己动手写C语言浮点数转换字符串函数

    前几天,应一个小友要求,写了几个字符串转换函数帮助其进行语言学习,自觉其中的几个函数还比较满意,故发布在此,可供初学者参考。

    浮点数转换字符串函数说简单也简单,说麻烦,也够烦心的,关键看你如何写了。简单点的几十行代码就行,复杂点的恐怕就的几百行代码了。如果还要考虑移植性、可读性甚至可维护性等就更麻烦的了。我一贯认为,一些事务性的项目应着重考虑移植性、可读性和可维护性等,而常用的带点系统性质的函数代码就应该以执行效率为主。

    本文的浮点数转换字符串函数还是比较复杂的,基本可算得上较低层次的转换。由于我已经习惯了用BCB写C/C++代码,因此我写的浮点数转换字符串函数是80位扩展精度浮点数的,但那个小友拿回去试了一下,说他用的VC不支持80位扩展精度浮点数,虽然能定义long double变量,但实际上还是64位的,我只好又重写了一个64位双精度浮点数的,2个版本使用条件编译,这也算得上是移植性吧,呵呵。

    下面是浮点数转换字符串函数的全部代码:

#define    USE_EXTENDED

/***************************************************************************
* 定义浮点数转换字符串结构                                                 *
**************************************************************************
*/
typedef struct
{
    SHORT    exponent;    /* 指数(整数位数) */
    BYTE    negative;    /* 负数(0正,1负)*/
    CHAR    digits[21];    /* 十进制整数字串 */
}FloatRec;

#define    F_DEFDECIMALS    6
#define    F_MAXDECIMALS    100

#ifdef    USE_EXTENDED

#define    F_MAXPRECISION    19
#define    F_CONEXPONENT    0x3fff

typedef long double            EXTENDED, *PExtended, *PEXTENDED;

#include <pshpack2.h>

typedef struct
{
    UINT64 mantissa;
    USHORT exponent;
}_Extended;

#include <poppack.h>

static CONST _Extended _tab0[] =
{
    {0x80000000000000000x3FFF},    /* 10**0 */
    {0xA0000000000000000x4002},    /* 10**1 */
    {0xC8000000000000000x4005},    /* 10**2 */
    {0xFA000000000000000x4008},    /* 10**3 */
    {0x9C400000000000000x400C},    /* 10**4 */
    {0xC3500000000000000x400F},    /* 10**5 */
    {0xF4240000000000000x4012},    /* 10**6 */
    {0x98968000000000000x4016},    /* 10**7 */
    {0xBEBC2000000000000x4019},    /* 10**8 */
    {0xEE6B2800000000000x401C},    /* 10**9 */
    {0x9502F900000000000x4020},    /* 10**10 */
    {0xBA43B740000000000x4023},    /* 10**11 */
    {0xE8D4A510000000000x4026},    /* 10**12 */
    {0x9184E72A000000000x402A},    /* 10**13 */
    {0xB5E620F4800000000x402D},    /* 10**14 */
    {0xE35FA931A00000000x4030},    /* 10**15 */
    {0x8E1BC9BF040000000x4034},    /* 10**16 */
    {0xB1A2BC2EC50000000x4037},    /* 10**17 */
    {0xDE0B6B3A764000000x403A},    /* 10**18 */
    {0x8AC7230489E800000x403E},    /* 10**19 */
    {0xAD78EBC5AC6200000x4041},    /* 10**20 */
    {0xD8D726B7177A80000x4044},    /* 10**21 */
    {0x878678326EAC90000x4048},    /* 10**22 */
    {0xA968163F0A57B4000x404B},    /* 10**23 */
    {0xD3C21BCECCEDA1000x404E},    /* 10**24 */
    {0x84595161401484A00x4052},    /* 10**25 */
    {0xA56FA5B99019A5C80x4055},    /* 10**26 */
    {0xCECB8F27F4200F3A0x4058},    /* 10**27 */
    {0x813F3978F89409840x405C},    /* 10**28 */
    {0xA18F07D736B90BE50x405F},    /* 10**29 */
    {0xC9F2C9CD04674EDF0x4062},    /* 10**30 */
    {0xFC6F7C40458122960x4065}    /* 10**31 */
};

static CONST _Extended _tab1[] =
{
    {0x9DC5ADA82B70B59E0x4069},    /* 10**32 */
    {0xC2781F49FFCFA6D50x40D3},    /* 10**64 */
    {0xEFB3AB16C59B14A30x413D},    /* 10**96 */
    {0x93BA47C980E98CE00x41A8},    /* 10**128 */
    {0xB616A12B7FE617AA0x4212},    /* 10**160 */
    {0xE070F78D3927556B0x427C},    /* 10**192 */
    {0x8A5296FFE33CC9300x42E7},    /* 10**224 */
    {0xAA7EEBFB9DF9DE8E0x4351},    /* 10**256 */
    {0xD226FC195C6A2F8C0x43BB},    /* 10**288 */
    {0x81842F29F2CCE3760x4426},    /* 10**320 */
    {0x9FA42700DB900AD20x4490},    /* 10**352 */
    {0xC4C5E310AEF8AA170x44FA},    /* 10**384 */
    {0xF28A9C07E9B09C590x4564},    /* 10**416 */
    {0x957A4AE1EBF7F3D40x45CF},    /* 10**448 */
    {0xB83ED8DC0795A2620x4639}    /* 10**480 */
};

static CONST _Extended _tab2[] =
{
    {0xE319A0AEA60E91C70x46A3},    /* 10**512 */
    {0xC976758681750C170x4D48},    /* 10**1024 */
    {0xB2B8353B3993A7E40x53ED},    /* 10**1536 */
    {0x9E8B3B5DC53D5DE50x5A92},    /* 10**2048 */
    {0x8CA554C020A1F0A60x6137},    /* 10**2560 */
    {0xF9895D25D88B5A8B0x67DB},    /* 10**3072 */
    {0xDD5DC8A2BF27F3F80x6E80},    /* 10**3584 */
    {0xC46052028A20979B0x7525},    /* 10**4096 */
    {0xAE3511626ED559F00x7BCA}    /* 10**4608 */
};

static CONST EXTENDED _conPrec = 1E19;

#else    // USE_EXTENDED

#define    F_MAXPRECISION    17
#define    F_CONEXPONENT    0x03ff

typedef double        EXTENDED, *PExtended, *PEXTENDED;

static CONST UINT64 _tab0[] =
{
    {0x3FF0000000000000},    /* 10**0 */
    {0x4024000000000000},    /* 10**1 */
    {0x4059000000000000},    /* 10**2 */
    {0x408F400000000000},    /* 10**3 */
    {0x40C3880000000000},    /* 10**4 */
    {0x40F86A0000000000},    /* 10**5 */
    {0x412E848000000000},    /* 10**6 */
    {0x416312D000000000},    /* 10**7 */
    {0x4197D78400000000},    /* 10**8 */
    {0x41CDCD6500000000},    /* 10**9 */
    {0x4202A05F20000000},    /* 10**10 */
    {0x42374876E8000000},    /* 10**11 */
    {0x426D1A94A2000000},    /* 10**12 */
    {0x42A2309CE5400000},    /* 10**13 */
    {0x42D6BCC41E900000},    /* 10**14 */
    {0x430C6BF526340000},    /* 10**15 */
    {0x4341C37937E08000},    /* 10**16 */
    {0x4376345785D8A000},    /* 10**17 */
    {0x43ABC16D674EC800},    /* 10**18 */
    {0x43E158E460913D00},    /* 10**19 */
    {0x4415AF1D78B58C40},    /* 10**20 */
    {0x444B1AE4D6E2EF50},    /* 10**21 */
    {0x4480F0CF064DD592},    /* 10**22 */
    {0x44B52D02C7E14AF7},    /* 10**23 */
    {0x44EA784379D99DB4},    /* 10**24 */
    {0x45208B2A2C280291},    /* 10**25 */
    {0x4554ADF4B7320335},    /* 10**26 */
    {0x4589D971E4FE8402},    /* 10**27 */
    {0x45C027E72F1F1281},    /* 10**28 */
    {0x45F431E0FAE6D722},    /* 10**29 */
    {0x46293E5939A08CEA},    /* 10**30 */
    {0x465F8DEF8808B024}    /* 10**31 */
};

static CONST UINT64 _tab1[] =
{
    {0x4693B8B5B5056E17},    /* 10**32 */
    {0x4D384F03E93FF9F5},    /* 10**64 */
    {0x53DDF67562D8B363},    /* 10**96 */
    {0x5A827748F9301D32},    /* 10**128 */
    {0x6126C2D4256FFCC3},    /* 10**160 */
    {0x67CC0E1EF1A724EB},    /* 10**192 */
    {0x6E714A52DFFC679A},    /* 10**224 */
    {0x75154FDD7F73BF3C},    /* 10**256 */
    {0x7BBA44DF832B8D46},    /* 10**288 */
};

static CONST EXTENDED _conPrec = 1E17;

#endif        // !USE_EXTENDED

static CONST UINT64 _cvttab[F_MAXPRECISION] =
{
#ifdef    USE_EXTENDED
    0xDE0B6B3A76400000x16345785D8A0000
#endif
    0x02386F26FC100000x0038D7EA4C680000x0005AF3107A40000x00009184E72A000,
    0x00000E8D4A510000x00000174876E8000x0000002540BE4000x00000003B9ACA00,
    0x000000005F5E1000x0000000009896800x0000000000F42400x0000000000186A0,
    0x0000000000027100x0000000000003E80x0000000000000640x00000000000000A,
    0x000000000000001
};

#define    DECIMAL_EXP(exponent)    ((((exponent - F_CONEXPONENT) * 0x4d10) >> 16) + 1)

static VOID AdjFloatDigits(UINT64 value, INT precision, INT decimals, FloatRec *rec)
{
    INT i;
    // value是F_MAXPRECISION位十进制整数,故从最高位开始转换为数字串
    for (i = 0; value; i ++)
    {
        rec->digits[i] = (CHAR)((value / _cvttab[i]) | 0x30);
        value %= _cvttab[i];
    }
    memset(rec->digits + i, 0, F_MAXPRECISION - i);
    // 下面对数字串作精度处理
    
// 如果总的精度小于0,数字串为空串,该数字转换为'0'
    if ((i = (rec->exponent + decimals)) < 0)
    {
        rec->exponent = rec->negative = rec->digits[0] = 0;
        return;
    }
    if (i > precision) i = precision;
    // 如果精度位数小于18,同时该位大于等于'5',四舍五入
    if (i < F_MAXPRECISION && rec->digits[i] >= '5')
    {
        do
        {
            rec->digits[i --] = 0;
            rec->digits[i] ++;
        }while (i >= 0 && rec->digits[i] > '9');
        if (i < 0)
        {
            rec->digits[0] = '1';
            rec->exponent ++;
        }
    }
    // 否则,去掉数字串尾部多余的'0'
    else
    {
        if (i > F_MAXPRECISION) i = F_MAXPRECISION;
        do rec->digits[i --] = 0;
        while (i >= 0 && rec->digits[i] == '0');
        if (i < 0) rec->negative = 0;
    }
}

#ifdef    USE_EXTENDED

// 解析扩展精度浮点数为十进制字符串,并存入浮点数记录中
// 参数:浮点数指针,精度,小数位,浮点数记录
VOID FloatResolve(PEXTENDED pvalue, INT precision, INT decimals, FloatRec *rec)
{
    INT power;
    EXTENDED val;

    // 79位:扩展精度浮点数符号位
    rec->negative = ((_Extended*)pvalue)->exponent >> 15;
    // 64-78位:扩展精度浮点数阶码(阶码 - 0x3fff = 二进制指数)
    rec->exponent = ((_Extended*)pvalue)->exponent & 0x7fff;
    if (!rec->exponent)            // *pvalue = 0
    {
        rec->negative = rec->digits[0] = 0;
        return;
    }
    if (rec->exponent == 0x7fff)// *pvalue = nan or inf
    {
        if (!((*(LPBYTE)pvalue + 7) & 0x80) || !(*(PUINT64)pvalue & 0x7fffffffffffffff))
        {
            lstrcpyA(rec->digits, "INF");
        }
        else
        {
            rec->exponent ++;
            rec->negative = 0;
            lstrcpyA(rec->digits, "NAN");
        }
        return;
    }
    // 阶码转换为十进制指数
    rec->exponent = DECIMAL_EXP(rec->exponent);
    // 0-63位:扩展精度浮点数尾数转换成F_MAXPRECISION位十进制浮点整数格式
    val = *pvalue;
    *((LPBYTE)&val + 9) &= 0x7f;// val = fabs(*pvalue)
    power = F_MAXPRECISION - rec->exponent;
    if (power > 0)                // if (power > 0) val *= (10**power)
    {
        val *= *(PEXTENDED)&_tab0[power & 31];
        power >>= 5;            // power /= 32;
        if (power)
        {
            if (power & 15)
                val *= *(PEXTENDED)&_tab1[(power & 15) - 1];
            power >>= 4;        // power /= 16;
            if (power)
                val *= *(PEXTENDED)&_tab2[power - 1];
        }
    }
    else if (power < 0)            // if (power < 0) val /= (10**power)
    {
        power = -power;
        val /= *(PEXTENDED)&_tab0[power & 31];
        power >>= 5;            // power /= 32;
        if (power)
        {
            if (power & 15)
                val /= *(PEXTENDED)&_tab1[(power & 15) - 1];
            power >>= 4;        // power /= 16;
            if (power)
                val /= *(PEXTENDED)&_tab2[power - 1];
        }
    }
    val += 0.5;                    // 四舍五入
    if (val >= _conPrec)
    {
        val /= 10;
        rec->exponent ++;
    }
    // 调整并转换扩展精度浮点数尾数的整数部分rec->digits
    AdjFloatDigits(*(PUINT64)&val >> ((((_Extended*)&val)->exponent - 0x3fff) ^ 0x3f),
        precision, decimals, rec);
}

#else    // USE_EXTENDED

// 解析双精度浮点数为十进制字符串,并存入浮点数记录中
// 参数:浮点数指针,精度,小数位,浮点数记录
VOID FloatResolve(PEXTENDED pvalue, INT precision, INT decimals, FloatRec *rec)
{
    INT power;
    EXTENDED val;

    // 63位:双精度浮点数符号位
    rec->negative = *((LPBYTE)pvalue + 7) >> 7;
    // 52-62位:双精度浮点数阶码(阶码 - 0x3ff = 二进制指数)
    rec->exponent = (*(PUINT64)pvalue >> 52) & 0x7ff;
    if (!rec->exponent)            // *pvalue = 0
    {
        rec->negative = rec->digits[0] = 0;
        return;
    }
    if (rec->exponent == 0x7ff)// *pvalue = nan or inf
    {
        if ((*(PUINT64)pvalue & 0xfffffffffffff) == 0)
        {
            lstrcpyA(rec->digits, "INF");
        }
        else
        {
            rec->exponent ++;
            rec->negative = 0;
            lstrcpyA(rec->digits, "NAN");
        }
        return;
    }
    // 阶码转换为十进制指数
    rec->exponent = DECIMAL_EXP(rec->exponent);
    // 0-51位:双精度浮点数尾数转换成F_MAXPRECISION位十进制浮点整数格式
    val = *pvalue;
    *((LPBYTE)&val + 7) &= 0x7f;// val = fabs(*pvalue)
    power = F_MAXPRECISION - rec->exponent;
    if (power > 0)                // if (power > 0) val *= (10**power)
    {
        val *= *(PEXTENDED)&_tab0[power & 31];
        power >>= 5;            // power /= 32;
        if (power)
            val *= *(PEXTENDED)&_tab1[power - 1];
    }
    else if (power < 0)            // if (power < 0) val /= (10**power)
    {
        power = -power;
        val /= *(PEXTENDED)&_tab0[power & 31];
        power >>= 5;            // power /= 32;
        if (power)
            val /= *(PEXTENDED)&_tab1[power - 1];
    }

    // 16位十进制浮点整数四舍五入
    val += 0.5;
    if (val >= _conPrec)
    {
        val /= 10;
        rec->exponent ++;
    }
    // 调整并转换扩展精度浮点数尾数的整数部分rec->digits
    
// 清除52-63位,加隐藏的高位,F_MAXPRECISION=17,高位超过52位,所以左移
    AdjFloatDigits(((*(PUINT64)&val & 0x000fffffffffffff) | 0x0010000000000000) <<
        -(52 - ((*(PUINT64)&val >> 52) - 0x3ff)), precision, decimals, rec);
}

#endif    // !USE_EXTENDED

// 输出指数字符串到buffer,返回指数字符串长度
INT PutExponent(LPSTR buffer, CONST FloatRec *rec)
{
    LPSTR p = buffer;
    INT e, exp = rec->digits[0]? rec->exponent - 1 : 0;
    *p ++ = rec->negative & 0x80'E' : 'e';
    if (exp < 0)
    {
        exp = -exp;
        *p ++ = '-';
    }
    else *p ++ = '+';
    if ((e = (exp / 1000)) != 0)
    {
        *p ++ = e + 0x30;
        exp %= 1000;
    }
    *p ++ = exp / 100 + 0x30;
    exp %= 100;
    *(PUSHORT)p = (((exp % 10) << 8) | (exp / 10)) + 0x3030;
    return (INT)(p - buffer + 2);
}

// 浮点数转换为字符串。参数:字符串,浮点数
LPSTR FloatToStr(LPSTR str, EXTENDED value)
{
    INT exp;
    FloatRec rec;
    LPSTR pd = rec.digits;
    LPSTR ps = str;

    // 解析浮点数,并将信息保存在rec
    FloatResolve(&value, 159999, &rec);
    // 打印负数符号
    if (rec.negative) *ps ++ = '-';
    // NAN or INF
    if (*pd > '9')                
    {
        memcpy(ps, pd, 4);
        return str;
    }
    exp = rec.exponent;
    // 如果十进制指数大于15或者小于-3,转换为指数形式
    if (exp > 15 || exp < -3)    
    {
        *ps ++ = *pd ++;
        if (*pd)
            for (*ps ++ = '.'; *pd; *ps ++ = *pd ++);
        ps += PutExponent(ps, &rec);
        *ps = 0;
        return str;
    }
    // 否则,转换为小数形式
    if (exp <= 0)
    {
        *ps ++ = '0';
        if (*pd)
        {
            for (*ps ++ = '.'; exp < 0; *ps ++ = '0', exp ++);
            while (*ps ++ = *pd ++);
        }
        else *ps = 0;
    }
    else
    {
        for (; exp > 0 && *pd; *ps ++ = *pd ++, exp --);
        if (*pd)
        {
            *ps ++ = '.';
            while (*ps ++ = *pd ++);
        }
        else
        {
            memset(ps, '0', exp);
            ps[exp] = 0;
        }
    }
    return str;

    2个版本的代码加起来很长,但还有个自写的springf函数(下篇文章开始介绍)也要用到本文除FloatToSt函数外的全部代码。

    代码开头的USE_EXTENDED为编译条件,如果你的编译系统不支持80位扩展精度浮点数,可将该定义注释掉。

    前面说了,由于该代码主要是学习用的,因此数据转换层次较低,涉及到的有关浮点数格式的知识,可在网上搜索到。当然,知道是一回事,而具体怎样去操作则又是另一回事了,一些关键地方,我都作了较详细的注释,相信能对初学者正确理解浮点数格式有所帮助。例如,如何在不调用C有关函数,不使用汇编而快速的求一个浮点数的绝对值?本文代码就直接对浮点数进行操作:*((LPBYTE)&val + 7) &= 0x7f;(双精度浮点数)和*((LPBYTE)&val + 9) &= 0x7f;(扩展精度浮点数),也就是直接将浮点数的最高位置零,这当然比什么if (val < 0) val = -val语句快多了。不过,如果你要说后者的可移植性好,那我就无话可说了。要说可移植性,前者也可办到的,修改一下:*((LPBYTE)&val + sizeof(val) - 1) &= 0x7f;不就行了么,除非浮点数格式规则改变。只不过本文代码主要用来学习,用显式的方式更有意义。

    80位扩展精度浮点数的有效数字为19位,而64位双精度浮点数有效数字为15 - 16位,本文的解析函数FloatResolve分别用了19位和17位的最大转换精度,尽可能的多显示几位,这主要是为自写的sprintf函数(另文介绍)做准备的,本文的浮点数转换字符串函数FloatToStr只用了最大15位的精度。

    下面是个很简单的调用例子:

int main(int argc, char* argv[])
{
    CHAR s[32];
    UINT64 inf = 0x7ff0000000000000;
    double v = -1.230E45;
    INT a, b;

    puts(FloatToStr(s, -10000));
    puts(FloatToStr(s, 123456789012345678));
    puts(FloatToStr(s, 1234567890.12345678));
    puts(FloatToStr(s, 0.0001234567890));
    puts(FloatToStr(s, -0.00001234567890));
    puts(FloatToStr(s, v));
    puts(FloatToStr(s, 0));
    puts(FloatToStr(s, *(double*)&inf));

    system("pause");
    return 0;

    下面是运行结果:

-10000
1.23456789012346e+017
1234567890.12346
0.000123456789
-1.23456789e-005
-1.23e+045
0
INF

请按任意键继续. . . 

    再次声明:本文代码主要供学习使用,如作其它用途,出问题慨不负责。

    水平有限,错误在所难免,欢迎指正和指导。邮箱地址:maozefa@hotmail.com

posted on 2011-12-21 13:34  阿发伯  阅读(8860)  评论(4编辑  收藏  举报