【原创】为什么浮点数1e38f + 1 - 1e38f等于0

1. 问题

    为什么1e38f + 1 - 1e38f为0？

2. 分析

  

    int ii = 2; //00 00 00 02

    int *pii = ⅈ

    float i = 1e38f; //7e 96 76 99     （0111 1110  1001 0110  0111 0110  1001 1001）

    float j = -1e38f;//fe 9676 99      （1111 1110  1001 0110  0111 0110  1001 1001）

    float *pi = &i;

    float *pj = &j;

    int fs = sizeof(float);

    float k = i + j + 1; //3f 80 00 00  （0011 1111 1000 0000 0000 0000 0000 0000）
    float l = i + 1 + j; //00 00 00 00

    float *pk = &k;
    float *pl = &l;

根据IEEE 754single-precision binary floating-point format

单精度浮点数：4个字节,最高位为符号位，23-30共8位指数，0-22共23为尾数（隐藏了最高位1）；指数用移码表示，指数的偏移量为127；尾数用补码表示。

 

float i = 1e38f; //99 76 96 7e  （0111 1110  1001 0110  0111 0110  1001 1001）

符号位：0

指数：1111 1101

尾数：001 0110  0111 0110  1001 1001

 

float j = -1e38f; //99 76 96 fe （1111 1110  1001 0110  0111 0110  1001 1001）

符号位：1

指数：1111 1101（和上面一样有没有）

尾数：001 0110  0111 0110  1001 1001

 

指数对齐，尾数相加，（对齐时，指数向大的对齐，相加前小的指数对应的尾数要右移指数差位）

这里指数一样大，不用对齐；

 

1 = +1 * 2^0

符号位：0

指数：127（0111 1111）

尾数：1（000 0000 0000 0000 0000 0000）

0 0111 1111 000 0000 0000 0000 0000 0000

 

3.  i + 1计算步骤：

3.1 指数对齐

         1111 1101和0111 1111，差为253-127=126

         尾数相加时要把隐藏的1写出来；

         尾数补上最高位1，再右移126位，由于右移126位超过了23位，尾数都被移除，全被置0。

3.2 尾数相加

   1001 0110  0111 0110  1001 1001

+  0000 0000  0000 0000  0000 0000

= 0 1001 0110  0111 0110  1001 1001

3.3 溢出判断

     上面的数没有溢出；

     如果溢出将该数右移1位且指数加1

3.4 结果合成

     由于尾数实际为24位，最高位总为1，实际上只存储23位，最高位不存储。

去除尾数最高位及指数部分清0：result =result &(~0xFF800000)

和较大指数合并：result= result| (e1 << 23);

result即为浮点数的二进制表示了，把它转换成浮点数：c = *((float *)&result);

    由上述可以得出，尾数相加后不变，指数不变，所以和结果不变，仍为较大的那个浮点数。

    进而我们可以得出一个结论：当两个浮点数的指数相差超过浮点数的尾数位数，那么两个浮点数的相加结果将会等于较大的浮点数！ 所以1e38f + 1 - 1e38f = 1e38f - 1e38f = 0

 

4. 代码

#include <stdio.h>

 

// simple ieee 754 single precision float number

// addition arithmetic.

// format:

// S  E   F

// 1  8   23

float test1(float a, float b)

{

    float c = 0;

    unsigned int p1 = *((unsigned int *)&a);

    unsigned int p2 = *((unsigned int *)&b);

    unsigned int    t;

 

    // compute exponent difference

    // essentially, we must let two number's exponent be same

    int e1 = (p1 << 1) >> 24;

    int e2 = (p2 << 1) >> 24;

    int diff = e1 - e2;

 

    if (diff < 0) {

        diff = 0 - diff;

        t = p1;

        p1 = p2;

        p2 = t;

        e1 = e2;

    }

    //convert mantissa to signed integer

 

    // there is a hidden bit

    //:) i do not want to handle minus number here

    //

    int p3 = p1 | 0x00800000;

    p3 = p3 & 0x00ffffff;

    int p4 = p2 | 0x00800000;

    p4 = p4 & 0x00ffffff;

    //mantissa should be shift right according to difference of

    //exponent.

    unsigned int result = p3 + (p4 >> diff);

    if (result >= 0x01000000) {

        result = result >> 1;

        e1 = e1 + 1;

    }

    // combination

    result = result&(~0xFF800000) | (e1 << 23);

    c = *((float *)&result);

    return c;

}

 

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])

{

    float c = test1(4.1f, 1.0f);

    return 0;

}

5. 流程图

 

6. 参考文献

https://en.wikipedia.org/wiki/Single-precision_floating-point_format

http://www.cnblogs.com/cornsea/archive/2010/09/18/1830366.html