• 浮点型 float和double类型的内存结构和精度问题


    首先引用一个例子在java中可能你会遇到这样的问题:

    例:0.99999999f==1f //true 

      0.9999999f==1f //false

    这是超出精度造成的,为了知道为什么会造成这样的问题,首先了解一下float和double的内存结构

    1.内存结构

    float和double的范围是由指数的位数来决定的。
    float的指数位有8位,而double的指数位有11位,分布如下:

    float类型的存储方式

    float:1bit(符号位) 8bits(指数位) 23bits(尾数位)                          

    double类型数据的存储方式


    double:1bit(符号位) 11bits(指数位) 52bits(尾数位)

    float的指数范围为-128~+127,而double的指数范围为-1024~+1023,并且指数位是按补码的形式来划分的。

    float的范围为-2^128 ~ +2^127,也即-3.40E+38 ~ +3.40E+38;double的范围为-2^1024 ~ +2^1023,也即-1.79E+308 ~ +1.79E+308。

    Float.MAX_VALUE = 3.4028235E38
    Float.MIN_VALUE = 1.4E-45
    Double.MAX_VALUE = 1.7976931348623157E308
    Double.MIN_VALUE = 4.9E-324
    public class DoubleBinaryTest {
        public static void main(String[] args) {
            /*
             * float类型的二进制存储是4个字节32位
             * 1位符号位   8位阶码位  23位尾数位
             * 1、将十进制40.125转换为整数部分和小数部分的二进制  101000.001
             * 2、转换为 1.01000001 * 2的5次方
             * 3、符号位为0
             * 4、指数e=阶码E-127,阶码位,5=E-127,E=132,转换为二进制为10000100 
             * 5、小数位,0100000100000000000000
             * 6、40.125f的二进制表现形式为01000010 00100000 10000000 00000000
             */       
            float f = 40.125f;
            int i = Float.floatToIntBits(f);//Float类的静态方法,以int类型的方式返回这个小数的二进制形式
            System.out.println(Integer.toBinaryString(i));
             
            /*
             * double类型的二进制存储是8个字节64位
             * 1位符号位 ,11位的阶码,52位的尾数位
             * 和float同理,只是阶码位不一样
             * E-1023=5,E=1028,转换为10000000100
             * 40.125d的二进制为 01000000 01000100 00010000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000
             */
            double d = 40.125;
            long l = Double.doubleToLongBits(d);
            System.out.println(Long.toBinaryString(l));
             
            /*
             * float类型的二进制存储是4个字节32位
             * 1位符号位   8位阶码位  23位尾数位
             * 1、将十进制-40.125转换为整数部分和小数部分的二进制  -101000.001
             * 2、转换为 -1.01000001 * 2的5次方
             * 3、符号位为1
             * 4、阶码位,E-127=5,E=132,转换为二进制为10000100
             * 5、小数位,0100000100000000000000
             * 6、40.125f的二进制表现形式为11000010 00100000 10000000 00000000
             */
            float f2 = -40.125f;
            int i2 = Float.floatToIntBits(f2);
            System.out.println(Integer.toBinaryString(i2));
        }
    }

    清楚了浮点型型的存储方式后,再来看例题在计算机中怎么存储的

    (1)0.99999999f 化为二进制表示:0011 1111 1000 0000 0000 0000 0000 0000

    (2)0.9999999f 化为二进制表示:0011 1111 0111 1111 1111 1111 1111 1110

    (3)1f 化为二进制表示:0011 1111 1000 0000 0000 0000 0000 0000

    通过计算后发现(2)和(3)我们可以根据上述方式计算出来二进制表示方式,但是(1)话就和我们算出来的不一样了,为什么会这样呢,接下来我们再了解一下浮点型的精度。

    2.关于精度:

    float和double的精度是由尾数的位数来决定的。浮点数在内存中是按科学计数法来存储的,其整数部分始终是一个隐含着的“1”,由于它是不变的,故不能对精度造成影响。

    float:2^23 = 8388608,一共七位,由于最左为1的一位省略了,这意味着最多能表示8位数: 2*8388608 = 16777216 。有8位有效数字,但绝对能保证的为7位,也即float的精度为7~8位有效数字
    double:2^52 = 4503599627370496,一共16位,同理,double的精度为16~17位

    我们可以用下面这段代码检验一下:

    [java] view plain copy
    1. float f1 = 16777215f;  
    2. for (int i = 0; i < 10; i++) {  
    3.     System.out.println(f1);  
    4.     f1++;  
    5. }  

    对于小数来说,更容易会因为精度而出错误。

    [java] view plain copy
    1. float f = 2.2f;  
    2. double d = (double) f;  
    3. System.out.println(d);   
    4. f = 2.25f;  
    5. d = (double) f;  
    6. System.out.println(d);   

    输出结果为:

            2.200000047683716
            2.25

    对于这种简单数的输出结果会是这样,是简直无法忍受的。

    其实通过上面关于两种存储结果的介绍,我们已经大概能找到答案。首先我们看看2.25的单精度存储方式,转化为2进制位便是10.01,整理为1.001*2 很简单 

    于是我们可以写出2.25的内存分布: 
            符号位为:0
            指数为1,用补码表示 0000 0001,转为移码就是1000 0001。
            尾数位为0010 0000 0000 0000 0000 000

    而2.25的双精度表示为:0 100 0000 0001 0010 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000,这样2.25在进行强制转换的时候,数值是不会变的,而我们再看看2.2呢,2.2用科学计数法表示应该为:将十进制的小数转换为二进制的小数的方法为将小数*2,取整数部分,所以0.282=0.4,所以二进制小数第一位为0.4的整数部分0,0.4×2=0.8,第二位为0,0.8*2=1.6,第三位为1,0.6×2 = 1.2,第四位为1,0.2*2=0.4,第五位为0,这样永远也不可能乘到=1.0,得到的二进制是一个无限循环的排列 00110011001100110011... ,对于单精度数据来说,尾数只能表示24bit的精度,所以2.2的float存储为:

    单精度数202的存储方式

    但是这样存储方式,换算成十进制的值,却不会是2.2的,因为十进制在转换为二进制的时候可能会不准确,如2.2,而double类型的数据也存在同样的问题,所以在浮点数表示中会产生些许的误差,在单精度转换为双精度的时候,也会存在误差的问题,如下面的代码,输出结果就不一样:

    [java] view plain copy
    1. float f = 2.2f;  
    2. double d = (double) f;  
    3. System.out.println(f);  
    4. System.out.println(d);  

    对于能够用二进制表示的十进制数据,如2.25,这个误差就会不存在,所以会出现上面比较奇怪的输出结果。

    3.关于BigDecimal

    再如0.1f,java里面32位的float对0.1在内存当中的表示是不精确的,原理同上,

    这个误差对我们生活小打小闹没啥影响,但是对科学计算和银行这样的应用或者领域是致命的,因此要用于银行以及科学计算会用java.math.BigDecimal提高精度,否则后果极其严重。

    JAVA的浮点型是会丢失精度的,所以要用精确计算就用BigDecimal。

    首先我们先来看如下代码示例:

    复制代码
    1 public class Test_1 {
    2     public static void main(String[] args) {
    3         System.out.println(0.06+0.01);
    4         System.out.println(1.0-0.42);
    5         System.out.println(4.015*100);
    6         System.out.println(303.1/1000);
    7     }
    8     
    9 }
    复制代码

              运行结果如下。

             0.06999999999999999

             0.5800000000000001

             401.49999999999994

             0.30310000000000004

             你认为你看错了,但结果却是是这样的。问题在哪里呢?原因在于我们的计算机是二进制的。浮点数没有办法是用二进制进行精确表示。我们的CPU表示浮点数由两个部分组成:指数和尾数,这样的表示方法一般都会失去一定的精确度,有些浮点数运算也会产生一定的误差。如:2.4的二进制表示并非就是精确的2.4。反而最为接近的二进制表示是 2.3999999999999999。浮点数的值实际上是由一个特定的数学公式计算得到的。

              其实java的float只能用来进行科学计算或工程计算,在大多数的商业计算中,一般采用java.math.BigDecimal类来进行精确计算。

              在使用BigDecimal类来进行计算的时候,主要分为以下步骤:

                  1、用float或者double变量构建BigDecimal对象。

                 2、通过调用BigDecimal的加,减,乘,除等相应的方法进行算术运算。

                 3、把BigDecimal对象转换成float,double,int等类型。

              一般来说,可以使用BigDecimal的构造方法或者静态方法的valueOf()方法把基本类型的变量构建成BigDecimal对象。

    1 BigDecimal b1 = new BigDecimal(Double.toString(0.48));
    2 BigDecimal b2 = BigDecimal.valueOf(0.48);

            对于常用的加,减,乘,除,BigDecimal类提供了相应的成员方法。

    1 public BigDecimal add(BigDecimal value);                        //加法
    2 public BigDecimal subtract(BigDecimal value);                   //减法 
    3 public BigDecimal multiply(BigDecimal value);                   //乘法
    4 public BigDecimal divide(BigDecimal value);                     //除法


              进行相应的计算后,我们可能需要将BigDecimal对象转换成相应的基本数据类型的变量,可以使用floatValue(),doubleValue()等方法。

              下面是一个工具类,该工具类提供加,减,乘,除运算。

    复制代码
     1 public class Arith {
     2     /**
     3      * 提供精确加法计算的add方法
     4      * @param value1 被加数
     5      * @param value2 加数
     6      * @return 两个参数的和
     7      */
     8     public static double add(double value1,double value2){
     9         BigDecimal b1 = new BigDecimal(Double.valueOf(value1));
    10         BigDecimal b2 = new BigDecimal(Double.valueOf(value2));
    11         return b1.add(b2).doubleValue();
    12     }
    13     
    14     /**
    15      * 提供精确减法运算的sub方法
    16      * @param value1 被减数
    17      * @param value2 减数
    18      * @return 两个参数的差
    19      */
    20     public static double sub(double value1,double value2){
    21         BigDecimal b1 = new BigDecimal(Double.valueOf(value1));
    22         BigDecimal b2 = new BigDecimal(Double.valueOf(value2));
    23         return b1.subtract(b2).doubleValue();
    24     }
    25     
    26     /**
    27      * 提供精确乘法运算的mul方法
    28      * @param value1 被乘数
    29      * @param value2 乘数
    30      * @return 两个参数的积
    31      */
    32     public static double mul(double value1,double value2){
    33         BigDecimal b1 = new BigDecimal(Double.valueOf(value1));
    34         BigDecimal b2 = new BigDecimal(Double.valueOf(value2));
    35         return b1.multiply(b2).doubleValue();
    36     }
    37     
    38     /**
    39      * 提供精确的除法运算方法div
    40      * @param value1 被除数
    41      * @param value2 除数
    42      * @param scale 精确范围
    43      * @return 两个参数的商
    44      * @throws IllegalAccessException
    45      */
    46     public static double div(double value1,double value2,int scale) throws IllegalAccessException{
    47         //如果精确范围小于0,抛出异常信息
    48         if(scale<0){         
    49             throw new IllegalAccessException("精确度不能小于0");
    50         }
    51         BigDecimal b1 = new BigDecimal(Double.valueOf(value1));
    52         BigDecimal b2 = new BigDecimal(Double.valueOf(value2));
    53         return b1.divide(b2, scale).doubleValue();    
    54     }
    55 }
    复制代码

    另外需要注意的一点是:double小数转bigdecimal后四舍五入计算有误差

    案例:

    double g= 12.35;  

    BigDecimal bigG=new BigDecimal(g).setScale(1, BigDecimal.ROUND_HALF_UP); //期望得到12.4

    System.out.println("test G:"+bigG.doubleValue()); 

    test G:12.3 

    原因:

    定义double g= 12.35;  而在计算机中二进制表示可能这是样:定义了一个g=12.34444444444444449,
    new BigDecimal(g)   g还是12.34444444444444449 
    new BigDecimal(g).setScale(1, BigDecimal.ROUND_HALF_UP); 得到12.3
    正确的定义方式是使用字符串构造函数
    new BigDecimal("12.35").setScale(1, BigDecimal.ROUND_HALF_UP)

    BigDecimal.setScale()方法用于格式化小数点
    setScale(1)表示保留一位小数,默认用四舍五入方式 
    setScale(1,BigDecimal.ROUND_DOWN)直接删除多余的小数位,如2.35会变成2.3 
    setScale(1,BigDecimal.ROUND_UP)进位处理,2.35变成2.4 
    setScale(1,BigDecimal.ROUND_HALF_UP)四舍五入,2.35变成2.4
    setScaler(1,BigDecimal.ROUND_HALF_DOWN)四舍五入,2.35变成2.3,如果是5则向下舍

    参考:

    http://blog.csdn.net/zq602316498/article/details/41148063

    http://bbs.csdn.net/topics/370105966

    Java浮点数float和double精确计算的精度误差问题总结

    Java精确运算(BigDecimal)

    转:十进制小数转化为二进制小数

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  • 原文地址:https://www.cnblogs.com/dyppp/p/7356698.html
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