c++ float转二进制

本文详细解释了整数和浮点数在计算机内部的表示方法,通过实例展示了整数到浮点数的转换过程及结果差异,并深入解析了IEEE754标准下浮点数的构成与表示规则。

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1.
  前几天,我在读一本C语言教材,有一道例题:
  #include <stdio.h>
  void main(void){
  int num=9; /* num是整型变量,设为9 */
  float* pFloat=&num; /* pFloat表示num的内存地址,但是设为浮点数 */
  printf("num的值为:%d ",num); /* 显示num的整型值 */
  printf("*pFloat的值为:%f ",*pFloat); /* 显示num的浮点值 */
  *pFloat=9.0; /* 将num的值改为浮点数 */
  printf("num的值为:%d ",num); /* 显示num的整型值 */
  printf("*pFloat的值为:%f ",*pFloat); /* 显示num的浮点值 */
  }
  运行结果如下:
  num的值为:9
  *pFloat的值为:0.000000
  num的值为:1091567616
  *pFloat的值为:9.000000
  我很惊讶,num和*pFloat在内存中明明是同一个数,为什么浮点数和整数的解读结果会差别这么大?
  要理解这个结果,一定要搞懂浮点数在计算机内部的表示方法。我读了一些资料,下面就是我的笔记。
  2.
  在讨论浮点数之前,先看一下整数在计算机内部是怎样表示的。
  int num=9;
  上面这条命令,声明了一个整数变量,类型为int,值为9(二进制写法为1001)。普通的32位计算机,用4个字节表示int变量,所以9就被保存为00000000 00000000 00000000 00001001,写成16进制就是0x00000009。
  那么,我们的问题就简化成:为什么0x00000009还原成浮点数,就成了0.000000?
  3.
  根据国际标准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。
  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。
 

5.
  IEEE 754对有效数字M和指数E,还有一些特别规定。
  前面说过,1≤M<2,也就是说,M可以写成1.xxxxxx的形式,其中xxxxxx表示小数部分。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。比如保存1.01的时候,只保存01,等到读取的时候,再把第一位的1加上去。这样做的目的,是节省1位有效数字。以32位浮点数为例,留给M只有23位,将第一位的1舍去以后,等于可以保存24位有效数字。
  至于指数E,情况就比较复杂。
  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0~255;如果E为11位,它的取值范围为0~2047。但是,我们知道,科学计数法中的E是可以出现负数的,所以IEEE 754规定,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:
  (1)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。
  (2)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。
  (3)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)。
  6.
  好了,关于浮点数的表示规则,就说到这里。
  下面,让我们回到一开始的问题:为什么0x00000009还原成浮点数,就成了0.000000?
  首先,将0x00000009拆分,得到第一位符号位s=0,后面8位的指数E=00000000,最后23位的有效数字M=000 0000 0000 0000 0000 1001。
  由于指数E全为0,所以符合上一节的第二种情况。因此,浮点数V就写成:
  V=(-1)^0×0.00000000000000000001001×2^(-126)=1.001×2^(-146)
  显然,V是一个很小的接近于0的正数,所以用十进制小数表示就是0.000000。
  7.
  再看例题的第二部分。
  请问浮点数9.0,如何用二进制表示?还原成十进制又是多少?
  首先,浮点数9.0等于二进制的1001.0,即1.001×2^3。
  那么,第一位的符号位s=0,有效数字M等于001后面再加20个0,凑满23位,指数E等于3+127=130,即10000010。
  所以,写成二进制形式,应该是s+E+M,即0 10000010 001 0000 0000 0000 0000 0000。这个32位的二进制数,还原成十进制,正是1091567616。

在Qt C++中,将浮点数(`float`)换为二进制表示可以通过多种方式实现。以下是几种常用的方法: ### 方法一:使用 `union` 实现 float二进制换 可以利用 `union` 将 `float` 和 `unsigned int` 共享同一块内存空间,从而访问其底层二进制表示。 ```cpp #include <iostream> #include <bitset> int main() { float f = 3.14f; union { float f; unsigned int i; } u; u.f = f; std::bitset<32> binary(u.i); std::cout << "Binary representation of " << f << " is: " << binary << std::endl; // 二进制输出 return 0; } ``` 通过这种方式,可以将浮点数直接映射到其对应的32整数形式,并利用 `std::bitset` 来输出二进制字符串[^2]。 --- ### 方法二:使用指针类型换获取底层字节 另一种方法是通过指针将 `float` 换为字符数组,然后逐字节处理每个字符的二进制表示。 ```cpp #include <iostream> #include <bitset> int main() { float f = 3.14f; char* bytes = reinterpret_cast<char*>(&f); for (int i = 0; i < sizeof(float); ++i) { std::bitset<8> byteBits(static_cast<unsigned char>(bytes[i])); std::cout << byteBits << ' '; } std::cout << std::endl; return 0; } ``` 此代码片段将浮点数换为字符数组,再逐字节解析并以二进制格式输出,能够清晰地展示浮点数的内存布局[^2]。 --- ### 方法三:结合 Qt 的 QByteArray 和 QDataStream 如果希望在 Qt 框架内进行换,可以使用 `QByteArray` 和 `QDataStream` 将浮点数写入字节数组,再逐字节解析。 ```cpp #include <QByteArray> #include <QDataStream> #include <QDebug> #include <bitset> int main() { float f = 3.14f; QByteArray byteArray; QDataStream stream(&byteArray, QIODevice::WriteOnly); stream << f; for (char c : byteArray) { std::bitset<8> bits(static_cast<unsigned char>(c)); qDebug() << bits; } return 0; } ``` 通过 `QDataStream` 将浮点数序列化为 `QByteArray`,然后遍历其中的每个字节,并将其换为二进制表示输出[^1]。 --- ### 方法四:手动解析 IEEE 754 标准 IEEE 754 是浮点数的标准表示格式,包括符号、指数部分和尾数部分。可以通过手动计算来解析这些字段。 - **符号**(1):最高表示正负。 - **指数部分**(8):接下来的8表示指数偏移值。 - **尾数部分**(23):最后23表示小数部分。 以下是一个手动解析的例子: ```cpp #include <iostream> #include <bitset> void parseFloat(float f) { unsigned int* ptr = reinterpret_cast<unsigned int*>(&f); std::bitset<32> bits(*ptr); bool sign = bits[31]; // 符号 int exponent = (bits.to_ulong() >> 23) & 0xFF; // 指数部分 int mantissa = bits.to_ulong() & 0x7FFFFF; // 尾数部分 std::cout << "Sign: " << sign << ", Exponent: " << exponent << ", Mantissa: " << mantissa << std::endl; } int main() { float f = 3.14f; parseFloat(f); return 0; } ``` 通过这种方法,可以深入理解浮点数的内部结构。 --- ###
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