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解释了一种将双精度数舍入为 32 位整数的快速方法

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在阅读Lua的源代码时,我注意到
Lua 使用宏将double值四舍五入为 32
int值。该宏在Llimits.h头文件中定义,内容如下:

union i_cast {double d; int i[2]};
#define double2int(i, d, t) \
    {volatile union i_cast u; u.d = (d) + 6755399441055744.0; \
    (i) = (t)u.i[ENDIANLOC];}

这里ENDIANLOC根据字节序定义:0为小端,1为大端架构;Lua
小心地处理字节序。t参数替换为整数类型,如intor unsigned int

我做了一些研究,发现该宏有一种更简单的格式,它使用相同的技术:

#define double2int(i, d) \
    {double t = ((d) + 6755399441055744.0); i = *((int *)(&t));}

或者,在 C++ 风格中:

inline int double2int(double d)
{
    d += 6755399441055744.0;
    return reinterpret_cast<int&>(d);
}

这个技巧可以在任何使用IEEE
754
的机器上运行(这意味着今天几乎每台机器)。它适用于正数和负数,并且四舍五入遵循银行家规则。(这并不奇怪,因为它遵循
IEEE 754。)

我写了一个小程序来测试它:

int main()
{
    double d = -12345678.9;
    int i;
    double2int(i, d)
    printf("%d\n", i);
    return 0;
}

-12345679按预期输出 。

我想详细了解这个棘手的宏是如何工作的。幻数6755399441055744.0其实是 2 51 + 2 52,也就是 1.5 脳 2 52,二进制中的
1.5 可以表示为 1.1。当任何 32 位整数被添加到这个幻数时——

好吧,我从这里迷路了。 这个技巧是如何工作的?

更新

  1. 正如@Mysticial 指出的那样,这种方法并不局限于 32-bit ,只要数字在 2 52int范围内,它也可以扩展到 64-bit 。(虽然宏需要一些修改。)int

  2. 有些资料说这种方法不能在Direct3D中使用。

  3. 当使用 Microsoft assembler for x86 时,有一个用汇编代码编写的更快的宏(以下也是从 Lua 源代码中提取的):

     #define double2int(i,n)  __asm {__asm fld n   __asm fistp i}
    
  4. 单精度数也有类似的幻数: 1.5 脳 2 23。


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2022-08-29

共1个答案

小编典典

double浮点类型的值表示如下:

双重代表

它可以看作是两个 32 位整数;现在,int所有版本的代码(假设它是 32-bit int)都是图中右侧的那个,所以你最终所做的只是取最低的 32
位尾数。


现在,到神奇的数字;正如你所说的那样,6755399441055744 是 2 51 + 2 52;添加这样一个数字会迫使double进入 2 52和
2 53之间的“甜范围” ,正如Wikipedia
所解释的那样
,它具有一个有趣的属性:

在 2 52 = 4,503,599,627,370,496 和 2 53 = 9,007,199,254,740,992
之间,可表示的数字恰好是整数。

这是因为尾数是 52 位宽。

关于添加 2 51 + 2 52的另一个有趣的事实是,它只影响尾数在两个最高位 - 无论如何都会被丢弃,因为我们只取它的最低 32 位。


最后但并非最不重要的:标志。

IEEE 754 浮点使用幅度和符号表示,而“正规”机器上的整数使用 2 的补码算法;这是如何处理的?

我们只讨论了正整数;现在假设我们正在处理一个 32 位可表示的范围内的负数int,因此(绝对值)小于 (鈭�2 31
+1);叫它听鈭抋。这样一个数显然是通过加上幻数使正数,得到的值为2 52 +2 51+ (鈭抋)。

现在,如果我们用 2’ 补码表示来解释尾数,我们会得到什么?它必须是 (2 52 + 2 51 ) 和 (鈭抋) 的 2’
补和的结果。同样,第一项仅影响高两位,位 0-50 中剩余的是 (-抋) 的 2-檚 补表示(同样,减去高两位)。

由于将 2’檚 补数减少到更小的宽度只是通过切除左侧多余的位来完成,因此取较低的 32 位可以让我们在 32 位中正确地得到 (‘) 2’ 补数算术。

2022-08-29