浮點型在內存中的存儲分布方式因機器平臺而異，完全理解所有機器平臺中的浮點型存儲無疑是一件相當麻煩的事。幸運的是，大多機器平臺都遵守 IEEE-754 標準，很可能讀者和我使用的平臺正是使用的 IEEE-754 標準。
IEEE-754是如何存儲浮點數的？
IEEE-754浮點（32位）或雙精度（64位）有三個部分（在IEEE-854下也有類似的96位擴展精度格式）：符號位，表示數字是正的還是負的；指數位；以及指定實際數字的尾數位。以C語言中的單精度浮點數為例，下面是某位浮點數的位布局：
該浮點數的值等於尾數乘以2^x。讀者應該注意，上圖是二進位分數，因此0.1表示1/2。為了方便理解，我們可以將其與十進位的小數對應起來：十進位的0.1等於1*10^-1，所以二進位的0.1等於1*2^-1，也即1/2。
「尾數+指數」模式存儲浮點數可能有一點問題，例如：2x10^-1=0.2x10^0=0.02x10^1，以此類推。同樣一個數字可能有多種「尾數+指數」的表示方法，而同時兼顧多種表示方法勢必會造成巨大的浪費（也可能使在硬體中實現數學操作變得困難和緩慢）。
所以，「尾數+指數」的存儲模式需要一個統一的標準。事實上，IEEE-754 確實已經有標準了：假設給定一個二進位的浮點數，那麼除非這個數是 0，否則總有某個位是 1。將小數點移到第一個 1 之後，調整指數位，這樣一來，「尾數+指數」的唯一存儲方式就固定下來了，也即「1.m x 2^n」形式。
既然小數點前總是 1，那麼上述標準下的「尾數+指數」的存儲模式甚至都不需要再花費空間存儲小數點前的 1.
但是如果數字是零呢？IEEE Standards Committee 通過將零作為一種特殊情況來解決這一問題：如果數字的每一位都為零，那麼數字就被認為是零。
現在讀者可能又有疑問了，因為 1.0 =1.0×2^0，上述存儲模式不存儲小數點前的 1，也即尾數和指數部分都為 0，而「如果數字的每一位都為零，那麼數字就被認為是零」，這樣看來，1.0 似乎是沒有辦法存儲的。
當然可以存儲 1.0。單精度浮點數的指數部分是「shift-127」編碼的，也即實際的指數等於 eeeeee 減去 127，所以 1.0 的表示方法實際上是 1.0×2^127。同樣的道理，最小值本應該是 2^-127，按照「shift-127」編碼指數部分，也即 2^0，可是這樣又變成「指數部分和尾數部分都為零」了，因此在該標準下的最小值，實際上的寫法是 2^1，也即 2^-126。
在我看來，為了表示 0 和 1，捨棄最小值（2^-127）是非常可取的做法。
零不是唯一的「特殊情況」。對於正無窮大和負無窮大，非數字（NaN），以及沒有數學意義的結果（例如，非實數，或無窮大乘以零之類的計算結果）也有表示：如果指數的每一位都等於1，那麼這個數字是無窮大，如果指數的每一位都等於1，並且尾數位也都等於1，那麼這個數字就是NaN。符號位仍然區分+/-inf和+/-nan。
現在，讀者應該明白IEEE-754浮點數的表示方法了，下面是幾個數字的表示方法：
作為程式設計師，了解浮點表示的某些特性是很重要的，下標列出了單精度和雙精度IEEE浮點數的示例值：
注意，本文中的所有數字都假定為單精度浮點數；上面包含雙精度浮點數用於參考和比較。
在C語言程序開發中，數值的處理是一門值得深究的科學。本文不可能將複雜的數值算法以及相關的C語言程序開發經驗一一列出。事實上，討論如何以理想的數值精度進行計算，就和討論如何編寫最快的C語言程序，如何設計一款優秀的軟體一樣，主要取決於程式設計師本身的綜合素質。
鑑於此，這裡將嘗試介紹一些基礎的，我認為每個C語言程式設計師都應該知道的內容。
相等
首先，我們應該明白C語言程序開發中的兩個浮點數何時相等。可能讀者並不覺得難，因為似乎C語言中的 == 運算符就能判斷兩個浮點數是否完全相等。
然而實際上，C語言中的 == 運算符是逐位比較兩個操作數的，而兩個浮點數的精度總是有限的，在這種場景下，== 運算符的實際使用意義就沒有那麼大了。
讀者應該已經明白，計算機存儲浮點數時，很有可能是需要捨棄一些位的（如果該浮點數過長），如果 CPU 或者相應的程序沒有按照預期四捨五入，那麼使用 == 運算符判斷兩個浮點數是否相等可能會失敗。
例如，標準C語言函數庫三角函數 cos() 的實現其實只是一種多項式近似，也就是說，我們並不能指望 cos(π/2) 結果的每一個位都為零。在C語言程序開發中，我們甚至不能準確的表示 π。
看到這裡，讀者應該思考「相等到底是什麼意思呢？」，對於大多數情況來說，兩個數「相等」意味著這兩個數「足夠接近」。本著這種精神，在實際的C語言程序開發中，程式設計師通常定義一個很小的值模擬「足夠接近」，並以此判斷兩個浮點數是否「足夠接近到相等」，例如：
宏 flt_equals(a, b) 正是通過判斷 a 和 b 的距離是否小於 EPSILON（10的-7次方），來斷定 a 和 b 是否可以被認為「相等」的。這樣的近似模擬技術有時候是有用的，有時候卻可能導致錯誤結果，讀者應該自行判斷它是否符合自己的程序。
在本例中，EPSILON 可以看作是一種用於說明程序精度的標尺。應該明白，衡量精度的應該是有效數字，糾結 EPSILON 的具體大小並無意義，下面是一個例子。
假設在某段C語言程序中有兩個數字 1.25e-20 和 2.25e-20，它倆的差值是 1e-20，遠小於 EPSILON，但是顯然它倆並不相等。但是如果這兩個數字是 1.2500000e-20和1.2500001e-20，那麼就可以認為它們是相等的。也就是說，兩個數字距離足夠接近時，我們還需要關注需要匹配多少有效數字。
溢出
計算機存儲空間總是有限的，因此數值溢出是C語言程式設計師最關心的問題之一。讀者應該已經知道，如果向C語言中的最大無符號整數加一，該整數將歸零，令人崩潰的是，我們並不能只通過看這個數字的方式獲知是否有溢出發生，歸零的整數看起來和標準零一模一樣。
當溢出發生時，實際上大多數 CPU 是會設置一個標誌位的，如果讀者懂得彙編，可以通過檢查該標誌位獲知是否有溢出發生。
float 浮點數溢出時，我們可以方便的使用 +/- inf（無窮）。+inf（正無窮）大於任何數字，-inf（負無窮）小於任何數字，inf+1 等於 inf ，依此類推。因此在C語言程序開發中，一個小技巧是，將整數轉換為浮點數，這樣就方便判斷後續處理是否會造成溢出了。處理完畢後，再將該數轉換回整數即可。
不過，將整數轉換為浮點數判斷是否溢出也是要付出代價的，因為浮點數可能沒有足夠的精度來保存整個整數。32 位的整數可以表示任何 9 位十進位數，但是 32 位的浮點數最多只能表示 7 位的十進位數。所以，如果將一個很大的整數轉換為浮點數，可能不會得到期望的結果。
此外，在C語言程序開發中，int 與 float 之間的數值類型轉換，包括 float 與 double 之間的數值類型轉換，實際上是會帶來一定的性能開銷的。
讀者應該明白，在C語言程序開發中，不管是否使用整數，都應該小心避免數值溢出的發生，不僅僅是最開始和最終結果數值可能溢出，在一些計算的中間過程，可能會產生一些更大的值。一個經典的例子是「C語言數字配方」計算複數的幅度問題，極可能造成數值溢出的C語言實現是下面這樣的：
假設該複數的實部 re 和虛部 im 都等於 1e200，那麼它們的幅度約為 1.414e200，這的確在雙精度的允許範圍內。但是，上述C語言代碼的中間過程將產生 1e200 的平方值，也即 1e400，這超出了 inf 的範圍，此時上面的實現函數計算的平方根將仍然是無窮大。
因此，magnitude() 函數的更佳C語言實現如下：
應該明白，上述C語言代碼為了避免數值溢出，給出的實現實際上是一種近似。例如 im 等於 1e200，re 等於 1，那麼 im/re 的平方仍然能夠達到 1e400，這會造成數值溢出。但是平方 re/im 卻是可以的，因為 1e-400 會被四捨五入到零，足夠接近得到正確的答案。
有效數字丟失
上面討論的浮點數精度，以及相等問題只是C語言程序數值運算中的冰山一角。「有效數字丟失」指的是一類情況，在這種情況下，程式設計師很可能丟失數值的準確性。
前面我們提到，1.m 的尾數形式確保小數點前總是 1（非零時），既然如此，我們沒有必要再花費一個位的空間用於存儲 1。此時，即使尾數只有最後一位為 1，其他位都為 0，那麼它的有效數字也是全部的，因為最前方有個「隱藏的 1」。但是，如果兩個比較接近的浮點數相減，這個「隱藏的1」就會被抵消，最終得到的答案可能只剩下一位有效數字的精度。
幸運的是，就像上面求複數幅度避免出現數值溢出一樣，避免兩個接近的數字相減出現精度損失的方法也是有的，但是並沒有一個通用的方法。這裡給出一個簡單的實例就是使用 1/x 的函數代替 x 的函數，這對於處理二次運算很有效。我的建議是，如果讀者發現自己的C語言程序給出了令人懷疑的數值，就應該檢查一下相應的減法運算了。
看到這裡，相信讀者應該想到C語言程序中的加法可能也有同樣的問題：假設有數字 1.0，現在將其與 1e-20 相加。程序很可能認為 1e-20 很小，小於 EPSILON，於是忽略它，得到答案 1.0。這實際上也是一種精度損失。
經驗法則
要完全規避C語言程序中的浮點數可能帶來的問題，工作量無疑是巨大的。為了簡化問題，我們通常認為浮點數帶來的精度問題是這樣的：對浮點數的操作越多，損失的精度也會越多。
正如前文舉的例子 cos(π/2)，C語言它的實現實際上是一種近似，得到的答案並不是 0，而是 6.12303E-17。不過就這個答案本身而言，它已經足夠小，認為等於 0 也沒什麼大問題。但是如果我們下一步計算是除以 1e-17，那麼得到的答案就約是 6 了，這與預期的零相差甚遠。
不要忘記整數
最後，在C語言程序開發中，並不是只有浮點數才重要的，整數同樣重要，它的精確性是一個有用的工具。有時程序需要跟蹤變化的分數（例如比例因子）。在這種情況下，既然浮點數受各種因素影響，那麼我們完全可以將該分數存儲為整數分子和分母來避免問題。在需要使用浮點數時，隨時再做一次除法運算就可以了。
歡迎在評論區一起討論，質疑。文章都是手打原創，每天最淺顯的介紹C語言、linux等嵌入式開發，喜歡我的文章就關注一波吧，可以看到最新更新和之前的文章哦。