IEEE-754 64位双精度浮点数存储详解

IEEE-754双精度浮点数

IEEE二进制浮点数算术标准（IEEE 754）规定了四种表示浮点数值的方式：单精确度（32位）、双精确度（64位）、延伸单精确度（43比特以上，很少使用）与延伸双精确度（79比特以上，通常以80位实现），本文介绍64位双精度浮点数。

存储结构

IEEE-754双精度浮点数(double floating-point)存储为64bit，由符号位(s)、有偏指数(e)、小数部分(f)组成：

类型划分

11位的指数部分可存储00000000000 ~ 11111111111（十进制范围为0 ~ 2047），取值可分为3种情况：

1. 11位指数不为00000000000和11111111111，即在00000000001 ~ 11111111110（1 ~ 2046）范围，这被称为规格化。
2. 指数值为00000000000（0），这被称为非规格化
3. 指数值为11111111111（2047），这是特殊值，有两种情况：
   • 当52位小数部分f全为0时，若符号位是0，则表示+Infinity(正无穷)，若符号位是1，则表示-Infinity(负无穷)
   • 当52位小数部分f不全为0时，表示NaN(Not a Number)

规格化

规格化下，浮点数的形式可表示为：
( − 1 ) s × 1. b b b ⋯ b ⏟ f ( 有 效 52 位 ) ( c c c ⋯ ⏟ 53 位 及 以 后 ) × 2 e − 1023 ( 0 < e < 2047 ) (-1)^s\times1.\underbrace{bbb\cdots b}_{f(有效52位)}(\underbrace{ccc\cdots}_{53位及以后})\times2^{e-1023} \quad (0< e < 2047) (−1)s×1.f(有效52位) bbb⋯b​​(53位及以后 ccc⋯​​)×2e−1023(0<e<2047)
其中：

• s为0或1，0表示正数，1表示负数，对应1bit的符号位
• f为52位有效位，其中的每一位b是0或1，对应52bit的小数部分（不足52位补0）
• c是超出52位的部分（如果有的话，需要舍入（精度会丢失），规则下述）
• e为十进制数值，其11位的二进制数值对应11bit的指数部分
• 1023为移码，移码值为 2 n − 1 − 1 2^{n-1}-1 2n−1−1，这里的n表示指数位数，对于64bit的双精度存储，n是11

十进制中，12345可表示为 1.2345 × 1 0 4 1.2345\times10^4 1.2345×104；二进制中，10011可表示为 1.0011 × 2 4 1.0011\times2^4 1.0011×24

先看个简单例子，计算2.25的双精度浮点数：

2.25转为二进制为10.01，10.01转为上述表示法为 1. 001 ⏟ f × 2 1 1.\underbrace{001}_{\scriptsize{f}}\times2^1 1.f 001​​×21，可得：

• 数值为正，因此符号位是0
• 小数为001，不足52位，补0，得到
  0010000000000000000000000000000000000000000000000000 ⏟ 001 后 49 个 0 共 52 位 \underbrace{0010000000000000000000000000000000000000000000000000}_{001后49个0\quad共52位} 001后49个0共52位 0010000000000000000000000000000000000000000000000000​​
• 指数e-1023 = 1，则 e = 1024，二进制值为 10000000000 ⏟ 11 位 \underbrace{10000000000}_{11位} 11位 10000000000​​

综上，将1位符号、11位指数、52位小数整合可得到2.25的双精度浮点数表示：
0 ⏟ s 10000000000 ⏟ e 0010000000000000000000000000000000000000000000000000 ⏟ f \underbrace{0}_{s}\underbrace{10000000000}_{e}\underbrace{0010000000000000000000000000000000000000000000000000}_{f} s 0​​e 10000000000​​f 0010000000000000000000000000000000000000000000000000​​
上述步骤反向操作可得到十进制值

上面这个例子中，小数部分不存在舍入的问题（位数小于52位），那么如果小数超出了52位，如何处理呢？有以下几种情况：

1、第53位是0，无需处理
2、第53位是1且53位之后全是0：

• 若第52位是0，无需处理；
• 若第52位是1，那么向上舍入

3、第53位是1，且之后不全是0：那么向上舍入

再看一个例子，计算23.3的双精度浮点数：
23.3转为二进制为
10111.0100110011001100110011001100110011001100110011001100 ⋯ ⏟ 1100 循 环 10111.0100110011001100110011001100110011001100110011001100\underbrace{\cdots}_{1100循环} 10111.01001100110011001100110011001100110011001100110011001100循环 ⋯​​
改写为
1. 0111010011001100110011001100110011001100110011001100 ⏟ 52 位 1100 ⋯ ⏟ 1100 循 环 × 2 4 1.\underbrace{0111010011001100110011001100110011001100110011001100}_{52位}\underbrace{1100 \cdots}_{1100循环}\times2^4 1.52位 0111010011001100110011001100110011001100110011001100​​1100循环 1100⋯​​×24
数值为正，因此符号位是0；指数e -1023 = 4，e = 1027 = 10000000011，因此指数部分是10000000011；小数位无限循环，53位是1且之后不全是0，符合上述规则3，因此向上舍入，第52位由0变为1，最终小数部分为：
0111010011001100110011001100110011001100110011001101 0111010011001100110011001100110011001100110011001101 0111010011001100110011001100110011001100110011001101
整合后得到23.3的双精度浮点数表示：
0 ⏟ s 10000000011 ⏟ e 0111010011001100110011001100110011001100110011001101 ⏟ f \underbrace{0}_{s}\underbrace{10000000011}_{e}\underbrace{0111010011001100110011001100110011001100110011001101}_{f} s 0​​e 10000000011​​f 0111010011001100110011001100110011001100110011001101​​

非规格化

非规格化可用以下形式表示（小数点前面是0）：
( − 1 ) s × 0. b b b ⋯ b ⏟ f ( 52 位 ) × 2 e − 1022 ( e = 0 ) (-1)^s\times0.\underbrace{bbb\cdots b}_{f(52位)}\times2^{e-1022} \quad (e=0) (−1)s×0.f(52位) bbb⋯b​​×2e−1022(e=0)
当 f = 0 f=0 f=0（52位小数全为0）时，表示的值是0： s = 0 s=0 s=0表示-0， s = 1 s=1 s=1表示+0

特殊值

当 e = 2047 e=2047 e=2047（11位指数全为1）时：

• 若 f > 0 f>0 f>0，表示NaN
• 若 f = 0 , s = 0 f=0,s=0 f=0,s=0，表示+Infinity
• 若 f = 0 , s = 1 f=0,s=1 f=0,s=1，表示-Infinity

数值范围

1、在规格化中，当指数e最大（前10位为1，11位为0，即2046）且小数f最大（52位全为1）时，能表示出最大正值，为
1. 111 ⋯ 11 ⏟ 52 个 1 × 2 2046 − 1023 = 111 ⋯ 11 ⏟ 53 个 1 000 ⋯ 00 ⏟ 971 个 0 1.\underbrace{111\cdots11}_{52个1}\times2^{2046 - 1023} = \underbrace{111\cdots11}_{53个1}\underbrace{000\cdots00}_{971个0} 1.52个1 111⋯11​​×22046−1023=53个1 111⋯11​​971个0 000⋯00​​
转为十进制值为1.7976931348623157e+308，则能表示的最小负值为-1.7976931348623157e+308。

2、在规格化中，当指数e最小（前10位为0，11位为1，即1）且小数f最小（52位全为0）时，能表示出最小正值，为
1. 000 ⋯ 00 ⏟ 52 个 0 × 2 1 − 1023 = 0. 000 ⋯ 00 ⏟ 1021 个 0 1 1.\underbrace{000\cdots00}_{52个0}\times2^{1 - 1023} = 0.\underbrace{000\cdots00}_{1021个0}1 1.52个0 000⋯00​​×21−1023=0.1021个0 000⋯00​​1
转为十进制值为2.2250738585072014e-308，则能表示的最大负值为-2.2250738585072014e-308。

在非规格化中，指数e为0
1、当小数f最大（52位全为1）时，能表示出最大正值，为
0. 111 ⋯ 11 ⏟ 52 个 1 × 2 − 1022 = 0. 000 ⋯ 00 ⏟ 1022 个 0 111 ⋯ 11 ⏟ 52 个 1 0.\underbrace{111\cdots11}_{52个1}\times2^{-1022} = 0.\underbrace{000\cdots00}_{1022个0}\underbrace{111\cdots11}_{52个1} 0.52个1 111⋯11​​×2−1022=0.1022个0 000⋯00​​52个1 111⋯11​​
转为十进制值为2.225073858507201e-308，则最小负值为-2.225073858507201e-308

2、当小数f最小（前51位为0，52位为1）时，能表示出最小正值，为
0. 000 ⋯ 01 ⏟ 第 52 位 为 1 × 2 − 1022 = 0. 000 ⋯ 00 ⏟ 1073 个 0 1 0.\underbrace{000\cdots01}_{第52位为1}\times2^{-1022} = 0.\underbrace{000\cdots00}_{1073个0}1 0.第52位为1 000⋯01​​×2−1022=0.1073个0 000⋯00​​1
转为十进制值为5e-324，则最大负值为-5e-324

整数范围（精确整数，无精度丢失）

当 e - 1023 = 52，即e = 1075，小数f最大（52位全为1）时，能表示出最大安全正整数，为
1. 111 ⋯ 11 ⏟ 52 个 1 × 2 52 = 111 ⋯ 11 ⏟ 53 个 1 1.\underbrace{111\cdots11}_{52个1}\times2^{52} = \underbrace{111\cdots11}_{53个1} 1.52个1 111⋯11​​×252=53个1 111⋯11​​
转为十进制值为 2 53 − 1 2^{53}-1 253−1 = 9007199254740991，则能表示的最小安全负整数为-9007199254740991

总结

1、javascript中的数值统一采用IEEE-754双精度存储，因此在计算时可能出现精度丢失，导致奇怪的结果，如 0.1 + 0.2 !== 0.3

2、下表列出了IEEE-754中的数值边界值，其中某些值对应javascript中的数值常量

IEEE 754可以表示的数值范围是：
[ − 1.7976931348623157 × 1 0 308 , − 5 × 1 0 − 324 ] ∪ [ 5 × 1 0 − 324 , 1.7976931348623157 × 1 0 308 ] [-1.7976931348623157\times10^{308},-5\times10^{-324}] \cup [5\times10^{-324},1.7976931348623157\times10^{308}] [−1.7976931348623157×10308,−5×10−324]∪[5×10−324,1.7976931348623157×10308]
超过1.7976931348623157e+308为Infinity，小于-1.7976931348623157e+308为-Infinity，在(-5e-324,5e-324)之间的数显示为0