关于printf错用格式化字符串导致double和long double输出错误的小随笔

【题外话】

以前用HUSTOJ给学校搭建Online Judge，所有的评测都是在Linux下进行的。后来为了好往学校服务器上部署，所以大家重新做了一套Online Judge，Web和Judge都是基于Windows和.NET平台的。这两天将学校Online Judge中以前在Linux下（GCC 4.6.3）评测的提交全部在Windows上（GCC 4.7.2 MinGW）重测一遍，结果莫名其妙发现很多以前通过的题目现在出现了结果错误的问题，其共同结果都是结果为0，查看源代码发现其都是使用printf("%ld")输出的double。原本以为是GCC的Bug，后来查找资料才发现实际上是对C语言了解不够充分加上MinGW的问题才共同导致的问题。

 

【文章索引】

1. 奇怪的问题
2. 格式化字符串的问题
3. MinGW的问题

 

【一、奇怪的问题】

把出错的一个提交的代码精简，然后就剩下如下的代码：

#include <cstdio>
using namespace std;
int main()
{
    double n;
    scanf("%lf",&n);
    printf("%.0lf\n",n);
    return 0;
}

在Linux下结果正常：

结果在Windows下会出现如下图的结果：

 

【二、格式化字符串的问题】

接下来将上述程序的printf替换为cout，发现没有任何问题，判断是printf那行出现了问题。

查找相关资料（如相关链接1）发现，不论输出float还是double都应该使用printf("%f")，因为不论float还是double都会作为double类型输出，确实以前没有注意到这个问题。所以在第一节给出的那个程序将“%lf”改为“%f”就正确了。但相关链接1中并没有说明%lf指的是什么。

不过如果尝试在GCC上编译如下的代码却会给出如下图的警告：

#include <cstdio>
using namespace std;

int main()
{
    long double n = 1.22222222;
    printf("%f", n);
    printf("%lf", n);
    return 0;
}

也就是说，对于GCC而言，在printf中使用“%f”和“%lf”实际上都表示的是double类型，而要表示long double，则应该使用“%Lf”（注意大小写），而使用MSVC编译编译时并没有发生这些问题（也可能是因为MSVC认为double = long double，所以一切都一样了吧）。

 

【三、MinGW的问题】

虽然上一节找出了第一节程序的问题，可是为什么会出现这样的问题呢。

继续查找发现了相关链接2和相关链接3，发现在这两个问题的回答中都提到了MinGW在Windows上运行是需要MSVC的运行时的。以前确实也没注意到这点，于是去MinGW的官方网站，确实发现了如下两段：

MinGW provides a complete Open Source programming tool set which is suitable for the development of native MS-Windows applications, and which do not depend on any 3rd-party C-Runtime DLLs. (It does depend on a number of DLLs provided by Microsoft themselves, as components of the operating system; most notable among these is MSVCRT.DLL, the Microsoft C runtime library. Additionally, threaded applications must ship with a freely distributable thread support DLL, provided as part of MinGW itself).

MinGW compilers provide access to the functionality of the Microsoft C runtime and some language-specific runtimes. MinGW, being Minimalist, does not, and never will, attempt to provide a POSIX runtime environment for POSIX application deployment on MS-Windows. If you want POSIX application deployment on this platform, please consider Cygwin instead.

果然，MinGW虽然不需要任何第三方的运行库，但是需要微软的运行库，其中包括了MSVCRT.DLL以及其他的微软C语言运行库。所以GCC编译后的程序还是运行在MSVC运行库上的程序。同时又由于32位的MSVC并不支持更高精度的double类型（在32位的MSVC中long double与double的精度均为8位，见相关链接4），而GCC在32位的long double是12字节，64位更是16字节，所以就出现了不兼容的问题。

所以我们可以做这样一个实验，将long double类型存储的数据按字节输出、同时按不同方式输出其结果，代码如下：

#include <cstdio>
using namespace std;

void print_bytes(const char* name, long double &n)
{
    char* p = (char*)&n;

    printf("%s [%ld-%ld]\n", name, p, p + sizeof(long double));

    for (int i = 0; i < sizeof(long double); i++)
    {
        printf("0x%02X ", (*p & 0xFF));
        p++;
    }

    printf("\n");
}

int main()
{
    long double n1 = 0;
    long double n2 = 0;

    print_bytes("inited_n1", n1);
    print_bytes("inited_n2", n2);
    printf("\n");

    scanf("%lf", &n1);
    scanf("%Lf", &n2);

    print_bytes("inputed_n1", n1);
    print_bytes("inputed_n2", n2);
    printf("\n");

    printf("type \t\t n1 \t\t\t\t n2\n");
    printf("%%f \t\t ");
    printf("%f \t\t\t ", n1);
    printf("%f\n", n2);

    printf("%%lf \t\t ");
    printf("%lf \t\t\t ", n1);
    printf("%lf\n", n2);

    printf("%%Lf \t\t ");
    printf("%Lf \t\t\t ", n1);
    printf("%Lf\n", n2);

    return 0;
}

分别将这个代码在32位机器上用MSVC和GCC MinGW编译，以及在32位Linux下用GCC编译，可以得到如下的结果（从上到下分别为32位Windows下用MSVC编译、32位Windows下用GCC MinGW编译、32位Linux下用GCC编译）：

可以发现，MSVC下long double为8字节，而GCC编译后的程序不论在Linux下还是在Windows下都为12字节。不过仔细看可以发现，虽然GCC生成的程序占用了12字节，但其只用到了前10字节（后2字节不论怎样赋值其内容都不会发生改变），也就是说GCC的long double实际上是10字节（80bit）的。

除此之外，还可以发现，当使用scanf("%lf")时，不论变量是什么类型的，都是按8字节存储的（即按double类型存储的），而使用scanf("%Lf")，则是按10字节存储的（即按long double类型存储的）。由于在MSVC下double = long double，所以不论怎么混用，结果都是正确的。而在Linux下，我们发现，当存储的long double为真正的long double时（使用scanf("%Lf")），只能使用%Lf输出结果，而long double内存储的内容为double时，只能使用输出double的格式化字符串输出。

所以猜想在GCC MinGW下，可能就像在Linux下存储的double而强制输出long double那样会输出为0一样，存储的内容为double，而MSVC将其认定为long double输出，所以最终结果为0。

 

【相关链接】

1. 为什么printf()用%f输出double型，而scanf却用%lf呢？：http://book.51cto.com/art/200901/106880.htm
2. printf and long double：http://stackoverflow.com/questions/4089174/printf-and-long-double
3. gcc: printf and long double leads to wrong output：http://stackoverflow.com/questions/7134547/gcc-printf-and-long-double-leads-to-wrong-output-c-type-conversion-messes-u
4. Long Double：http://msdn.microsoft.com/en-us/library/9cx8xs15.aspx