硬件设计师的视角

我认为，既然我设计并构建了浮点硬件，我就应该添加一个硬件设计师的视角。了解错误的来源可能有助于了解软件中发生的情况，最终，我希望这有助于解释为什么浮点错误会发生并似乎会随着时间累积的原因。

1.概述

从工程角度来看，大多数浮点运算都会有一些误差，因为进行浮点运算的硬件只需要在最后一个位置的误差小于一个单位的一半。因此，许多硬件将停止在一个精度上，该精度只需要在单个操作的最后位置产生小于一个单位的一半的误差，这在浮点除法中尤其有问题。什么构成一个操作取决于该单元需要多少个操作数。大多数情况下，它是两个，但有些单位需要3个或更多操作数。因此，不能保证重复操作会导致期望的错误，因为错误会随着时间的推移而增加。

2.标准

大多数处理器遵循IEEE-754标准，但有些处理器使用非规范化或不同的标准例如，IEEE-754中存在一种非规范化模式，该模式允许以精度为代价表示非常小的浮点数。然而，下面将介绍IEEE-754的标准化模式，这是典型的操作模式。

在IEEE-754标准中，硬件设计者可以使用误差/ε的任何值，只要它在最后一个位置小于一个单位的一半，并且一次操作的结果只需要在最后一位小于一个单元的一半。这解释了为什么当重复操作时，错误会增加。对于IEEE-754双精度，这是第54位，因为53位用于表示浮点数的数字部分（标准化），也称为尾数（例如5.3e5中的5.3）。下一节将更详细地介绍各种浮点操作的硬件错误原因。

3.除法舍入误差的原因

浮点除法误差的主要原因是用于计算商的除法算法。大多数计算机系统使用逆函数的乘法来计算除法，主要是Z=X/Y，Z=X*（1/Y）。迭代地计算除法，即每个周期计算商的一些比特，直到达到所需的精度，对于IEEE-754来说，这是最后一位误差小于一个单位的任何值。Y（1/Y）的倒数表在慢除法中被称为商选择表（QST），商选择表的位大小通常是基数的宽度，或每次迭代中计算的商的位数，加上几个保护位。对于IEEE-754标准，双精度（64位），它将是除法器基数的大小，加上几个保护位k，其中k>=2。因此，例如，一次计算2位商（基数4）的除法器的典型商选择表将是2+2=4位（加上几个可选位）。

3.1除法舍入误差：倒数近似

商选择表中的倒数取决于除法：慢除法如SRT除法，或快除法如Goldschmidt除法；根据除法算法修改每个条目，以尝试产生最小的可能误差。然而，在任何情况下，所有的倒数都是实际倒数的近似值，并引入了一些误差因素。慢除法和快除法都迭代地计算商，即每一步计算商的一些位数，然后从被除数中减去结果，除法器重复这些步骤，直到误差小于最后一个单位的一半。慢除法计算每一步的商的固定位数，通常构建成本较低，而快除法计算每步的位数可变，构建成本通常较高。除法中最重要的部分是，它们大多依赖于通过倒数的近似值进行重复乘法，因此容易出错。

4.其他操作中的舍入错误：截断

所有操作中舍入误差的另一个原因是IEEE-754允许的最终答案的不同截断模式。有截断、向零舍入、向最接近（默认）舍入、向下舍入和向上舍入。所有方法都会在单个操作的最后位置引入小于一个单位的误差元素。随着时间的推移和重复操作，截断也会累积地增加结果误差。这种截断误差在涉及某种形式的重复乘法的求幂运算中尤其有问题。

5.重复操作

由于执行浮点计算的硬件只需要在单个操作的最后一个位置产生误差小于一个单位的一半的结果，因此如果不注意，误差将随着重复操作而增加。这就是为什么在需要有界误差的计算中，数学家使用诸如在IEEE-754的最后一位使用舍入到最接近的偶数位的方法，因为随着时间的推移，误差更可能相互抵消，而区间算术结合了IEEE754舍入模式的变化来预测舍入误差，并对其进行校正。由于与其他舍入模式相比，其相对误差较低，因此舍入到最近的偶数位（最后一位）是IEEE-754的默认舍入模式。

请注意，默认舍入模式（舍入到最后一位最接近的偶数位）保证一次操作的误差小于最后一位单位的一半。仅使用截断、向上舍入和向下舍入可能会导致误差大于最后一位一个单位的一半，但小于最后一位的一个单位，因此不建议使用这些模式，除非它们用于区间算术。

6.总结

简而言之，浮点运算中出现错误的根本原因是硬件中的截断和除法中倒数的截断。由于IEEE-754标准只要求单个操作的误差小于最后一位一个单位的一半，因此重复操作中的浮点误差将相加，除非得到纠正。

它被打破的方式与你在小学学习并每天使用的十进制（以10为基础）表示法完全相同，只是以2为基础。

要理解，请考虑将1/3表示为十进制值。这是不可能做到的！世界将在你写完小数点后的3之前结束，所以我们写了一些地方，认为它足够准确。

以同样的方式，1/10（十进制0.1）不能以2为基数（二进制）精确地表示为“十进制”值；小数点后的重复模式将永远持续下去。该值不精确，因此无法使用常规浮点方法对其进行精确计算。与基数10一样，还有其他值也显示了这个问题。

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。

十进制数（如0.1、0.2和0.3）在二进制编码浮点类型中没有精确表示。0.1和0.2的近似值之和与0.3的近似值不同，因此，0.1+0.2==0.3的错误在这里可以更清楚地看到：

#include <stdio.h>

int main() {
    printf("0.1 + 0.2 == 0.3 is %s\n", 0.1 + 0.2 == 0.3 ? "true" : "false");
    printf("0.1 is %.23f\n", 0.1);
    printf("0.2 is %.23f\n", 0.2);
    printf("0.1 + 0.2 is %.23f\n", 0.1 + 0.2);
    printf("0.3 is %.23f\n", 0.3);
    printf("0.3 - (0.1 + 0.2) is %g\n", 0.3 - (0.1 + 0.2));
    return 0;
}

输出：

0.1 + 0.2 == 0.3 is false
0.1 is 0.10000000000000000555112
0.2 is 0.20000000000000001110223
0.1 + 0.2 is 0.30000000000000004440892
0.3 is 0.29999999999999998889777
0.3 - (0.1 + 0.2) is -5.55112e-17

为了更可靠地计算这些计算，您需要对浮点值使用基于十进制的表示。C标准没有默认指定此类类型，而是作为技术报告中描述的扩展。

_Decimal32、_Decimal64和_Decimal128类型可能在您的系统上可用（例如，GCC在选定的目标上支持它们，但Clang在OS X上不支持它们）。

你试过胶带解决方案了吗？

尝试确定错误发生的时间，并用简短的if语句修复它们，这并不漂亮，但对于某些问题，这是唯一的解决方案，这就是其中之一。

 if( (n * 0.1) < 100.0 ) { return n * 0.1 - 0.000000000000001 ;}
                    else { return n * 0.1 + 0.000000000000001 ;}    

我在c#的一个科学模拟项目中也遇到过同样的问题，我可以告诉你，如果你忽视蝴蝶效应，它会变成一条大胖龙，咬你一口**

这个问题的许多重复问题都是关于浮点舍入对特定数字的影响。在实践中，通过查看感兴趣的计算的确切结果而不是仅仅阅读它，更容易了解它的工作原理。一些语言提供了实现这一点的方法，例如在Java中将浮点或双精度转换为BigDecimal。

由于这是一个语言不可知的问题，因此需要语言不可知工具，例如十进制到浮点转换器。

将其应用于问题中的数字，视为双精度：

0.1转换为0.1000000000000000055511151231257827021181583404541015625，

0.2转换为0.200000000000000011102230246251565404236316680908203125，

0.3转换为0.299999999999999988897769753748434595763683319091796875，以及

0.300000000000000004转换为0.30000000000000000444089209850062616169452667236328125。

手动或在十进制计算器（如Full Precision calculator）中添加前两个数字，显示实际输入的精确和为0.30000000000000000166533453693773481063544750213623046875。

如果四舍五入到等于0.3，则舍入误差将为0.000000000000000027755575615628913510591702705078125。四舍五入等于0.300000000000000004也会产生舍入误差0.000000000000000027755575615628913510591702705078125。打成平手的规则适用。

返回浮点转换器，0.300000000000000004的原始十六进制是3fd333333333334，以偶数结尾，因此是正确的结果。