計算機中的浮點運算

Sheng Gordon發表於2015-11-30

文章討論了計算機中的浮點運算問題,給出了各種不同語言的浮點輸出。

浮點數運算

你使用的語言並不爛,它能夠做浮點數運算。計算機天生只能儲存整數,因此它需要某種方法來表示小數。這種表示方式會帶來某種程度的誤差。這就是為什麼往往 0.1 + 0.2 不等於 0.3。

為什麼會這樣?

實際上很簡單。對於十進位制數值系統(就是我們現實中使用的),它只能表示以進位制數的質因子為分母的分數。10 的質因子有 2 和 5。因此 1/2、1/4、1/5、1/8和 1/10 都可以精確表示,因為這些分母只使用了10的質因子。相反,1/3、1/6 和 1/7 都是迴圈小數,因為它們的分母使用了質因子 3 或者 7。二進位制下(進位制數為2),只有一個質因子,即2。因此你只能精確表示分母質因子是2的分數。二進位制中,1/2、1/4 和 1/8 都可以被精確表示。但是,1/5 或者 1/10 就變成了迴圈小數。所以,在十進位制中能夠精確表示的 0.1 與 0.2(1/10 與 1/5),到了計算機所使用的二進位制數值系統中,就變成了迴圈小數。當你對這些迴圈小數進行數學運算時,並將二進位制資料轉換成人類可讀的十進位制資料時,會對小數尾部進行截斷處理。

下面是在不同的語言中,執行 0 .1 + 0.2 的輸出結果:

語言 程式碼 結果
C #include<stdio.h>int main(int argc, char* argv) {printf(“%.17fn”, .1+.2);return 0;} 0.30000000000000004
C++ #include <iomanip>std::cout << setprecision(17) << 0.1 + 0.2 << std.endl; 0.30000000000000004
PHP echo .1 + .2; 0.3
注1:PHP 將 0.30000000000000004 格式化成字串時,會把它縮短成 “0.3”。為了得到需要的浮點數結果,在 ini檔案中調整精度設定:iniset(“precision”, 17)。
MySQL SELECT .1 + .2; 0.3
Postgres SELECT select 0.1::float + 0.2::float; 0.3
Delphi XE5 writeln(0.1 + 0.2); 3.00000000000000E-0001
Erlang io:format(“~w~n”, [0.1 + 0.2]). 0.30000000000000004
Elixir IO.puts(0.1 + 0.2) 0.30000000000000004
Ruby puts 0.1 + 0.2 And puts 1/10r + 2/10r 0.30000000000000004 And 3/10
注2:Ruby 2.1及以後版本在語法上支援有理數。對於老版本,請使用 Rational。Ruby還有一個專門處理小數的庫: BigDecimal
Python 2 print(.1 + .2)

float(decimal.Decimal(“.1”) + decimal.Decimal(“.2”))  .1 + .2

0.3

0.3

0.30000000000000004

注3:Python 2 中的 “print” 語句將 0.30000000000000004 轉成一個字串,並縮短成 “0.3”。為了達到需要的浮點數結果,使用 print(repr(.1 + .2))。在 Python 3中這是內建設定(見下面例子)。
Python 3 print(.1 + .2)

.1 + .2

0.30000000000000004

0.30000000000000004

Lua print(.1 + .2) print(string.format(“%0.17f”, 0.1 + 0.2)) 0.3 0.30000000000000004
JavaScript document.writeln(.1 + .2); 0.30000000000000004
Java System.out.println(.1 + .2);System.out.println(.1F + .2F); 0.30000000000000004

0.3

Julia .1 + .2 0.30000000000000004
注4:Julia 內建 支援有理數 ,並且還有一個內建的資料型別BigFloat,它支援任意精度 。要得到正確的運算結果,使用 1//10 + 2//10 會返回3//10。
Clojure (+ 0.1 0.2) 0.30000000000000004
注5:Clojure 支援任意精度的資料。 (+ 0.1M 0.2M) 返回 0.3M,而 (+ 1/10 2/10) 返回 3/10。
C# Console.WriteLine(“{0:R}”, .1 + .2); 0.30000000000000004
GHC (Haskell) 0.1 + 0.2 0.30000000000000004
注6:Haskell 支援有理數。要得到正確的運算結果,使用 (1 % 10) + (2 % 10) 返回 3 % 10。
Hugs (Haskell) 0.1 + 0.2 0.3
bc 0.1 + 0.2 0.3
Nim echo(0.1 + 0.2) 0.3
Gforth 0.1e 0.2e f+ f. 0.3
dc 0.1 0.2 + p .3
Racket (PLT Scheme) (+ .1 .2) And (+ 1/10 2/10) 0.30000000000000004 And 3/10
Rust extern crate num; use num::rational::Ratio; fn main() { println!(.1+.2); println!(“1/10 + 2/10 = {}”, Ratio::new(1, 10) + Ratio::new(2, 10)); } 0.30000000000000004 3/10
注7:Rust 中,使用 num crate 支援獲得 有理數支援
Emacs Lisp (+ .1 .2) 0.30000000000000004
Turbo Pascal 7.0 writeln(0.1 + 0.2); 3.0000000000E-01
Common Lisp (+ .1 .2) And * (+ 1/10 2/10) 0.3 And 3/10
Go package main import “fmt” func main() { fmt.Println(.1 + .2) var a float64 = .1 var b float64 = .2 fmt.Println(a + b) fmt.Printf(“%.54fn”, .1 + .2) } 0.3 0.30000000000000004 0.299999999999999988897769753748434595763683319091796875
注8:Go語言的數字常數有任意精度
Objective-C 0.1 + 0.2; 0.300000012
OCaml 0.1 +. 0.2;; float = 0.300000000000000044
Powershell PS C:>0.1 + 0.2 0.3
Prolog (SWI-Prolog) ?- X is 0.1 + 0.2. X = 0.30000000000000004.
Perl 5 perl -E ‘say 0.1+0.2’ perl -e ‘printf q{%.17f}, 0.1+0.2’ 0.3 0.30000000000000004
Perl 6 perl6 -e ‘say 0.1+0.2’ perl6 -e ‘say sprintf(q{%.17f}, 0.1+0.2)’ perl6 -e ‘say 1/10+2/10’ 0.3 0.30000000000000000 0.3
注9:Perl 6 與 Perl 5 不同,預設使用有理數。因此 .1 被儲存成類似這樣 { 分子 => 1, 分母 => 10 }.
R print(.1+.2) print(.1+.2, digits=18) 0.3 0.300000000000000044
scala scala -e ‘println(0.1 + 0.2)’ And scala -e ‘println(0.1F + 0.2F)’ And scala -e ‘println(BigDecimal(“0.1”) + BigDecimal(“0.2”))’ 0.30000000000000004 And 0.3 And 0.3
Smalltalk 0.1 + 0.2. 0.30000000000000004
Swift 0.1 + 0.2 0.3
D import std.stdio; void main(string[] args) { writefln(“%.17f”, .1+.2); writefln(“%.17f”, .1f+.2f); writefln(“%.17f”, .1L+.2L); } 0.29999999999999999 0.30000001192092896 0.30000000000000000

更多參考資料:| wikipedia | IEEE 754 | Stack Overflow

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