Java Float類型 減法運算時精度丟失問題


package test1;

public class Test2 {

/**
* @param args
*/
public static void main(String[] args) {
   Float xx = 2.0f;
   Float yy = 1.8f;
   Float tt = xx - yy;
   System.out.println("tttttt-----" + tt);

}

}

果然輸出結果是: tttttt-----0.20000005

再測試了幾個float類型的減法,除了*.0這樣的相減沒有異議之外,都存在這個問題,就是說float在相減的時候精度丟失了。后來在網上找到一段解決這個問題的辦法,記在這里:

package test1;

import java.math.BigDecimal;

public class Test2 {

/**
* @param args
*/
public static void main(String[] args) {
   Float xx = 2.2f;
   Float yy = 2.0f;
   Float tt = xx - yy;
  
   BigDecimal b1 = new BigDecimal(Float.toString(xx));
   BigDecimal b2 = new BigDecimal(Float.toString(yy));
   float ss = b1.subtract(b2).floatValue(); 
   System.out.println("ssss----" + ss);
   System.out.println("tttttt-----" + tt);
}
}
輸出為:

ssss----0.2
tttttt-----0.20000005

這樣一對比,差異就很明顯了。

解決了問題,再找了一下為什么會產生這種差異:

網上有篇文章寫得很詳細,標題為《剖析float型的內存存儲和精度丟失問題》,全文內容如下:

問題提出:12.0f-11.9f=0.10000038,"減不盡"為什么?

現在我們就詳細剖析一下浮點型運算為什么會造成精度丟失?

1、小數的二進制表示問題

       首先我們要搞清楚下面兩個問題:

     (1) 十進制整數如何轉化為二進制數

           算法很簡單。舉個例子,11表示成二進制數:

                     11/2=5 余   1

                       5/2=2   余   1

                       2/2=1   余   0

                       1/2=0   余   1

                          0結束         11二進制表示為(從下往上):1011

          這里提一點:只要遇到除以后的結果為0了就結束了,大家想一想,所有的整數除以2是不是一定能夠最終得到0。換句話說,所有的整數轉變為二進制數的算法會不會無限循環下去呢?絕對不會,整數永遠可以用二進制精確表示 ,但小數就不一定了。

      (2) 十進制小數如何轉化為二進制數

           算法是乘以2直到沒有了小數為止。舉個例子,0.9表示成二進制數

                     0.9*2=1.8   取整數部分 1

                     0.8(1.8的小數部分)*2=1.6    取整數部分 1

                     0.6*2=1.2   取整數部分 1

                     0.2*2=0.4   取整數部分 0

                     0.4*2=0.8   取整數部分 0

                     0.8*2=1.6 取整數部分 1

                     0.6*2=1.2   取整數部分 0

                              .........      0.9二進制表示為(從上往下): 1100100100100......

           注意:上面的計算過程循環了,也就是說*2永遠不可能消滅小數部分,這樣算法將無限下去。很顯然,小數的二進制表示有時是不可能精確的 。其實道理很簡單,十進制系統中能不能准確表示出1/3呢?同樣二進制系統也無法准確表示1/10。這也就解釋了為什么浮點型減法出現了"減不盡"的精度丟失問題。

2、 float型在內存中的存儲 

     眾所周知、 Java 的float型在內存中占4個字節。float的32個二進制位結構如下

          

float內存存儲結構

             4bytes      31    30    29----23    22----0         

                        表示       實數符號位    指數符號位        指數位          有效數位

        其中符號位1表示正,0表示負。有效位數位24位,其中一位是實數符號位。

         將一個float型轉化為內存存儲格式的步驟為:

        (1)先將這個實數的絕對值化為二進制格式,注意實數的整數部分和小數部分的二進制方法在上面已經探討過了。 
     (2)將這個二進制格式實數的小數點左移或右移n位,直到小數點移動到第一個有效數字的右邊。 
     (3)從小數點右邊第一位開始數出二十三位數字放入第22到第0位。 
     (4)如果實數是正的,則在第31位放入“0”,否則放入“1”。 
     (5)如果n 是左移得到的,說明指數是正的,第30位放入“1”。如果n是右移得到的或n=0,則第30位放入“0”。 
     (6)如果n是左移得到的,則將n減去1后化為二進制,並在左邊加“0”補足七位,放入第29到第23位。如果n是右移得到的或n=0,則將n化為二進制后在左邊加“0”補足七位,再各位求反,再放入第29到第23位。

          舉例說明: 11.9的內存存儲格式

       (1) 將11.9化為二進制后大約是" 1011. 1110011001100110011001100..."。

       (2) 將小數點左移三位到第一個有效位右側: "1. 011 11100110011001100110 "。 保證有效位數24位,右側多余的截取(誤差在這里產生了 )。

       (3) 這已經有了二十四位有效數字,將最左邊一位“1”去掉,得到“ 011 11100110011001100110 ”共23bit。將它放入float存儲結構的第22到第0位。

       (4) 因為11.9是正數,因此在第31位實數符號位放入“0”。

       (5) 由於我們把小數點左移,因此在第30位指數符號位放入“1”。

       (6) 因為我們是把小數點左移3位,因此將3減去1得2,化為二進制,並補足7位得到0000010,放入第29到第23位。

           最后表示11.9為: 0 1 0000010 011 11100110011001100110

           再舉一個例子:0.2356的內存存儲格式
      (1)將0.2356化為二進制后大約是0.00111100010100000100100000。 
      (2)將小數點右移三位得到1.11100010100000100100000。 
      (3)從小數點右邊數出二十三位有效數字,即11100010100000100100000放
入第22到第0位。 
      (4)由於0.2356是正的,所以在第31位放入“0”。 
      (5)由於我們把小數點右移了,所以在第30位放入“0”。 
      (6)因為小數點被右移了3位,所以將3化為二進制,在左邊補“0”補足七
位,得到0000011,各位取反,得到1111100,放入第29到第23位。 
       

           最后表示0.2356為:0 0 1111100 11100010100000100100000

          將一個內存存儲的float二進制格式轉化為十進制的步驟: 
     (1)將第22位到第0位的二進制數寫出來,在最左邊補一位“1”,得到二十四位有效數字。將小數點點在最左邊那個“1”的右邊。 
     (2)取出第29到第23位所表示的值n。當30位是“0”時將n各位求反。當30位是“1”時將n增1。 
     (3)將小數點左移n位(當30位是“0”時)或右移n位(當30位是“1”時),得到一個二進制表示的實數。 
     (4)將這個二進制實數化為十進制,並根據第31位是“0”還是“1”加上正號或負號即可。

3、浮點型的減法運算

         浮點加減運算過程比定點運算過程復雜。完成浮點加減運算的操作過程大體分為四步: 
(1) 0操作數的檢查;

               如果判斷兩個需要加減的浮點數有一個為0,即可得知運算結果而沒有必要再進行有序的一些列操作。 

(2) 比較階碼(指數位)大小並完成對階;

                兩浮點數進行加減,首先要看兩數的 指數位 是否相同,即小數點位置是否對齊。若兩數 指數位 相同,表示小數點是對齊的,就可以進行尾數的加減運算。反之,若兩數階碼不同,表示小數點位置沒有對齊,此時必須使兩數的階碼相同,這個過程叫做對階 。

               如何對 階(假設兩浮點數的指數位為 Ex 和 Ey ):

        通過尾數的移位以改變 Ex 或 Ey ,使之相等。 由 於浮點表示的數多是規格化的,尾數左移會引起最高有位的丟失,造成很大誤差;而尾數右移雖引起最低有效位的丟失,但造成的誤差較小,因此,對階操作規定使 尾數右移,尾數右移后使階碼作相應增加,其數值保持不變。很顯然,一個增加后的階碼與另一個相等,所增加的階碼一定是小階。因此在對階時,總是使小階向大階看齊 ,即小階的尾數向右移位 ( 相當於小數點左移 ) ,每右移一位,其階碼加 1 ,直到兩數的階碼相等為止,右移的位數等於階差 △ 。 
(3) 尾數(有效數位)進行加或減運算;

               對階完畢后就可 有效數位 求和。 不論是加法運算還是減法運算,都按加法進行操作,其方法與定點加減運算完全一樣。 
(4) 結果規格化並進行舍入處理。

                略

4、 計算12.0f-11.9f

       12.0f 的內存存儲格式為: 0 1 0000010 10000000000000000000000    

     11.9f 的內存存儲格式為:   0 1 0000010 011 11100110011001100110

     可見兩數的指數位完全相同,只要對有效數位進行減法即可。

     12.0f-11.9f   結果:         0 1 0000010 00000011001100110011010

      

     將結果還原為十進制為: 0.000 11001100110011010= 0.10000038

 

 

分析:

 

 (6) 因為我們是把小數點左移3位,因此將3減去1得2,化為二進制,並補足7位得到0000010,放入第29到第23位。

           最后表示11.9為: 0 1 0000010 011 11100110011001100110

 

上面說到這個因為我們是把小數點左移3位,因此將3減去1得2 

不知道為什么會要減1呢???通過各種google和度娘獲得的知識:

首先浮點數是由

 

在IEEE754標准中,規定,float的32位這樣分:
    符號位(S)
1
階碼(E)
 8
尾數(M)
23
 而階碼就是移碼表示,移碼是補碼的第一位取反就可以得到的。而在正數時,就是小數點前面的是從第一位0,第二位1,第三位2.。。。。
比如說,10000五位1,10000可以表示1x2^3,即我的意思就是這里的11.9的移碼即階碼為10000010是因為,它的二進制后大約是" 1011 . 1110011001100110011001100...",而向左移動三位,第一位移動為0,第二位為1,第三位就是2了,所以要3減1。
這樣也可以說明0.2356化為二進制后大約是0.00111100010100000100100000為什么階碼即移碼為0 1111100,因為小數點后面的第一位為2^-1次方,所以右移是從-1開始的。


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