關於printf錯用格式化字符串導致double和long double輸出錯誤的小隨筆

【題外話】

以前用HUSTOJ給學校搭建Online Judge，所有的評測都是在Linux下進行的。后來為了好往學校服務器上部署，所以大家重新做了一套Online Judge，Web和Judge都是基於Windows和.NET平台的。這兩天將學校Online Judge中以前在Linux下（GCC 4.6.3）評測的提交全部在Windows上（GCC 4.7.2 MinGW）重測一遍，結果莫名其妙發現很多以前通過的題目現在出現了結果錯誤的問題，其共同結果都是結果為0，查看源代碼發現其都是使用printf("%ld")輸出的double。原本以為是GCC的Bug，后來查找資料才發現實際上是對C語言了解不夠充分加上MinGW的問題才共同導致的問題。

 

【文章索引】

1. 奇怪的問題
2. 格式化字符串的問題
3. MinGW的問題

 

【一、奇怪的問題】

把出錯的一個提交的代碼精簡，然后就剩下如下的代碼：

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

在Linux下結果正常：

結果在Windows下會出現如下圖的結果：

 

【二、格式化字符串的問題】

接下來將上述程序的printf替換為cout，發現沒有任何問題，判斷是printf那行出現了問題。

查找相關資料（如相關鏈接1）發現，不論輸出float還是double都應該使用printf("%f")，因為不論float還是double都會作為double類型輸出，確實以前沒有注意到這個問題。所以在第一節給出的那個程序將“%lf”改為“%f”就正確了。但相關鏈接1中並沒有說明%lf指的是什么。

不過如果嘗試在GCC上編譯如下的代碼卻會給出如下圖的警告：

#include <cstdio>
using namespace std;

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

也就是說，對於GCC而言，在printf中使用“%f”和“%lf”實際上都表示的是double類型，而要表示long double，則應該使用“%Lf”（注意大小寫），而使用MSVC編譯編譯時並沒有發生這些問題（也可能是因為MSVC認為double = long double，所以一切都一樣了吧）。

 

【三、MinGW的問題】

雖然上一節找出了第一節程序的問題，可是為什么會出現這樣的問題呢。

繼續查找發現了相關鏈接2和相關鏈接3，發現在這兩個問題的回答中都提到了MinGW在Windows上運行是需要MSVC的運行時的。以前確實也沒注意到這點，於是去MinGW的官方網站，確實發現了如下兩段：

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雖然不需要任何第三方的運行庫，但是需要微軟的運行庫，其中包括了MSVCRT.DLL以及其他的微軟C語言運行庫。所以GCC編譯后的程序還是運行在MSVC運行庫上的程序。同時又由於32位的MSVC並不支持更高精度的double類型（在32位的MSVC中long double與double的精度均為8位，見相關鏈接4），而GCC在32位的long double是12字節，64位更是16字節，所以就出現了不兼容的問題。

所以我們可以做這樣一個實驗，將long double類型存儲的數據按字節輸出、同時按不同方式輸出其結果，代碼如下：

#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;
}

分別將這個代碼在32位機器上用MSVC和GCC MinGW編譯，以及在32位Linux下用GCC編譯，可以得到如下的結果（從上到下分別為32位Windows下用MSVC編譯、32位Windows下用GCC MinGW編譯、32位Linux下用GCC編譯）：

可以發現，MSVC下long double為8字節，而GCC編譯后的程序不論在Linux下還是在Windows下都為12字節。不過仔細看可以發現，雖然GCC生成的程序占用了12字節，但其只用到了前10字節（后2字節不論怎樣賦值其內容都不會發生改變），也就是說GCC的long double實際上是10字節（80bit）的。

除此之外，還可以發現，當使用scanf("%lf")時，不論變量是什么類型的，都是按8字節存儲的（即按double類型存儲的），而使用scanf("%Lf")，則是按10字節存儲的（即按long double類型存儲的）。由於在MSVC下double = long double，所以不論怎么混用，結果都是正確的。而在Linux下，我們發現，當存儲的long double為真正的long double時（使用scanf("%Lf")），只能使用%Lf輸出結果，而long double內存儲的內容為double時，只能使用輸出double的格式化字符串輸出。

所以猜想在GCC MinGW下，可能就像在Linux下存儲的double而強制輸出long double那樣會輸出為0一樣，存儲的內容為double，而MSVC將其認定為long double輸出，所以最終結果為0。

 

【相關鏈接】

1. 為什么printf()用%f輸出double型，而scanf卻用%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