为了好玩，我按照标准C99的定义玩了浮点数的表示，并编写了下面的代码。

代码以3个独立的组打印浮点的二进制表示

SIGN EXPONENT FRACTION

然后，它打印一个和，当以足够的精度求和时，它将显示硬件中真正存在的值。

因此，当你写float x=999…时，编译器会将该数字转换为函数xx打印的位表示，这样函数yy打印的和就等于给定的数字。

事实上，这个总数只是一个近似值。对于数字999999999，编译器将在浮点的位表示中插入数字1000000000

代码之后，我附加了一个控制台会话，在该会话中，我计算硬件中真正存在的两个常量（减去PI和999999999）的项和，并由编译器插入其中。

#include <stdio.h>
#include <limits.h>

void
xx(float *x)
{
    unsigned char i = sizeof(*x)*CHAR_BIT-1;
    do {
        switch (i) {
        case 31:
             printf("sign:");
             break;
        case 30:
             printf("exponent:");
             break;
        case 23:
             printf("fraction:");
             break;

        }
        char b=(*(unsigned long long*)x&((unsigned long long)1<<i))!=0;
        printf("%d ", b);
    } while (i--);
    printf("\n");
}

void
yy(float a)
{
    int sign=!(*(unsigned long long*)&a&((unsigned long long)1<<31));
    int fraction = ((1<<23)-1)&(*(int*)&a);
    int exponent = (255&((*(int*)&a)>>23))-127;

    printf(sign?"positive" " ( 1+":"negative" " ( 1+");
    unsigned int i = 1<<22;
    unsigned int j = 1;
    do {
        char b=(fraction&i)!=0;
        b&&(printf("1/(%d) %c", 1<<j, (fraction&(i-1))?'+':')' ), 0);
    } while (j++, i>>=1);

    printf("*2^%d", exponent);
    printf("\n");
}

void
main()
{
    float x=-3.14;
    float y=999999999;
    printf("%lu\n", sizeof(x));
    xx(&x);
    xx(&y);
    yy(x);
    yy(y);
}

这里是一个控制台会话，我在其中计算硬件中存在的浮点值的实际值。我使用bc打印主程序输出的项的总和。可以将该和插入python-repl或类似的内容中。

-- .../terra1/stub
@ qemacs f.c
-- .../terra1/stub
@ gcc f.c
-- .../terra1/stub
@ ./a.out
sign:1 exponent:1 0 0 0 0 0 0 fraction:0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1
sign:0 exponent:1 0 0 1 1 1 0 fraction:0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0
negative ( 1+1/(2) +1/(16) +1/(256) +1/(512) +1/(1024) +1/(2048) +1/(8192) +1/(32768) +1/(65536) +1/(131072) +1/(4194304) +1/(8388608) )*2^1
positive ( 1+1/(2) +1/(4) +1/(16) +1/(32) +1/(64) +1/(512) +1/(1024) +1/(4096) +1/(16384) +1/(32768) +1/(262144) +1/(1048576) )*2^29
-- .../terra1/stub
@ bc
scale=15
( 1+1/(2) +1/(4) +1/(16) +1/(32) +1/(64) +1/(512) +1/(1024) +1/(4096) +1/(16384) +1/(32768) +1/(262144) +1/(1048576) )*2^29
999999999.999999446351872

就是这样。999999999的值实际上是

999999999.999999446351872

您也可以通过bc检查-3.14也受到干扰。不要忘记在bc中设置比例因子。

显示的金额是硬件内部的金额。通过计算它获得的值取决于设置的比例。我确实将比例因子设置为15。数学上，以无限的精度，它似乎是1000000000。

想象一下，以10为基数，例如8位数的精度工作。您检查是否

1/3 + 2 / 3 == 1

并了解到这返回错误。为什么？好吧，作为真实的数字

1/3=0.333….和2/3=0.666。。。。

在小数点后八位截断，我们得到

0.33333333 + 0.66666666 = 0.99999999

当然，这与1.00000000正好相差0.00000001。

具有固定位数的二进制数的情况完全类似。作为实数，我们有

1/10=0.0001100110011001100…（底座2）

and

1/5=0.00111001100110011001…（底座2）

如果我们把这些截成七位

0.0001100 + 0.0011001 = 0.0100101

而另一方面，

3/10=0.010011001100110011…（基数2）

被截断为七位的值为0.0100110，两者相差0.0000001。

确切的情况稍显微妙，因为这些数字通常以科学符号存储。因此，例如，我们可以将其存储为1.10011*2^-4，而不是将1/10存储为0.0001100，这取决于我们为指数和尾数分配了多少位。这会影响计算的精度位数。

结果是，由于这些舍入错误，您根本不想在浮点数上使用==。相反，您可以检查它们的差值的绝对值是否小于某个固定的小数字。

正常的算术是以10为基数的，所以小数表示十分、百分等。当你试图用二进制2为基数的算术表示浮点数时，你要处理的是半、四、八等。

在硬件中，浮点存储为整数尾数和指数。尾数表示有效数字。指数类似于科学记数法，但它使用的基数是2而不是10。例如，64.0将用尾数1和指数6表示。0.125将用尾数1和指数-3表示。

浮点小数必须加上2的负幂

0.1b = 0.5d
0.01b = 0.25d
0.001b = 0.125d
0.0001b = 0.0625d
0.00001b = 0.03125d

等等

在处理浮点运算时，通常使用误差增量而不是相等运算符。而不是

if(a==b) ...

你会使用

delta = 0.0001; // or some arbitrarily small amount
if(a - b > -delta && a - b < delta) ...

浮点数的陷阱是它们看起来像十进制，但它们是二进制的。

2的唯一素因子是2，而10的素因子为2和5。这样做的结果是，每一个可以完全写成二进制分数的数字也可以完全写成十进制分数，但只有一部分可以写成十进制分数的数字可以写成二进制分数。

浮点数本质上是一个有效位数有限的二进制分数。如果你超过这些有效数字，那么结果将被四舍五入。

当您在代码中键入文字或调用函数将浮点数解析为字符串时，它需要一个十进制数，并将该十进制数的二进制近似值存储在变量中。

当您打印浮点数或调用函数将浮点数转换为字符串时，它将打印浮点数的十进制近似值。可以将二进制数字精确地转换为十进制，但在转换为字符串*时，我所知道的任何语言都不会默认这样做。一些语言使用固定数量的有效数字，其他语言使用最短的字符串，该字符串将“往返”返回到相同的浮点值。

*Python在将浮点数转换为“decimal.decimal”时确实会进行精确的转换。这是我所知道的获得浮点数的精确十进制等效值的最简单方法。

不，不破，但大多数小数必须近似

总结

浮点运算是精确的，不幸的是，它与我们通常的以10为基数的数字表示法不太匹配，所以我们经常给它的输入与我们写的略有不同。

即使是像0.01、0.02、0.03、0.04…0.24这样的简单数字也不能精确地表示为二进制分数。如果你数到0.01、.02、.03…，直到你数到0.25，你才能得到以2为底的第一个分数。如果你尝试使用FP，那么你的0.01会稍微有点偏差，所以要将其中的25个相加到一个精确的0.25，就需要一长串的因果关系，包括保护位和舍入。很难预测，所以我们举手说“FP不准确”，但事实并非如此。

我们不断地给FP硬件一些在基数10中看似简单但在基数2中却是重复的分数。

这是怎么发生的？

当我们用十进制书写时，每个分数（特别是每个终止的小数）都是形式的有理数

          a/（2n x 5m）

在二进制中，我们只得到2n项，即：

a/2n

所以在十进制中，我们不能表示1/3。因为基数10包括2作为素因子，所以我们可以写成二进制分数的每个数字也可以写成基数10的分数。然而，我们写为10进制分数的任何东西都很难用二进制表示。在0.01、0.02、0.03…0.99的范围内，只有三个数字可以用我们的FP格式表示：0.25、0.50和0.75，因为它们是1/4、1/2和3/4，所有的数字都只使用2n项。

在base10中，我们不能表示1/3。但在二进制中，我们不能做1/10或1/3。

因此，虽然每一个二进制分数都可以用十进制来表示，但反过来却不正确。事实上，大多数小数在二进制中重复。

处理它

开发人员通常被要求进行＜epsilon比较，更好的建议可能是舍入为整数值（在C库中：round（）和round f（），即保持FP格式），然后进行比较。舍入到特定的小数部分长度可以解决大多数输出问题。

此外，在实数运算问题（FP是在早期昂贵的计算机上为之发明的问题）上，宇宙的物理常数和所有其他测量值只为相对较少的有效数字所知，因此整个问题空间无论如何都是“不精确的”。FP“精度”在这种应用中不是问题。

当人们尝试使用FP进行计数时，整个问题就真的出现了。它确实可以做到这一点，但前提是你坚持使用整数值，这会破坏使用它的意义。这就是为什么我们拥有所有这些小数软件库的原因。

我喜欢克里斯的披萨回答，因为它描述了实际问题，而不仅仅是关于“不准确”的通常手写。如果FP只是“不准确”，我们可以修复它，而且几十年前就已经做到了。我们没有这样做的原因是因为FP格式紧凑快速，是处理大量数字的最佳方式。此外，这也是太空时代和军备竞赛以及早期使用小型内存系统解决速度非常慢的计算机的大问题的尝试所留下的遗产。（有时，单个磁芯用于1位存储，但这是另一回事。）

结论

如果您只是在银行数豆子，那么首先使用十进制字符串表示的软件解决方案工作得非常好。但你不能这样做量子色动力学或空气动力学。

浮点舍入错误。从每个计算机科学家应该知道的浮点运算：

将无限多的实数压缩成有限位数需要近似表示。虽然有无限多的整数，但在大多数程序中，整数计算的结果可以存储在32位中。相反，给定任何固定位数，大多数使用实数的计算将产生无法使用那么多位数精确表示的量。因此，浮点计算的结果必须经常舍入，以适应其有限表示。这种舍入误差是浮点计算的特征。