Microsoft MVP성태의 닷넷 이야기
개발 환경 구성: 440. C#, C++ - double의 Infinity, NaN 표현 방식 [링크 복사], [링크+제목 복사],
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정성태 (techsharer at outlook.com)
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.NET Framework: 539. C# - 부동 소수 계산 왜 이렇게 나오죠? (1)
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/10872

.NET Framework: 540. C# - 부동 소수 계산 왜 이렇게 나오죠? (2)
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/10873

.NET Framework: 608. double 값을 구할 때는 반드시 피연산자를 double로 형변환!
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11055

개발 환경 구성: 440. C#, C++ - double의 Infinity, NaN 표현 방식
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11896

기타: 85. 단정도/배정도 부동 소수점의 정밀도(Precision)에 따른 형변환 손실
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/13212

닷넷: 2257. C# - float (단정도 실수) 저장소의 비트 구조
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/13617

닷넷: 2258. C# - double (배정도 실수) 저장소의 비트 구조
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/13618

닷넷: 2259. C# - decimal 저장소의 비트 구조
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/13619




C#, C++ - double의 Infinity, NaN 표현 방식

Raymond Chen의 글에 따르면,

What does -1.#IND mean?: A survey of how the Visual C runtime library prints special floating point values
; https://blogs.msdn.microsoft.com/oldnewthing/20130221-00/?p=5183

다음과 같은 특별한 double 값들이 있습니다.

1#INF   Positive infinity 
-1#INF  Negative infinity 

1#SNAN  Positive signaling NaN 
-1#SNAN Negative signaling NaN 

1#QNAN  Positive quiet NaN 
-1#QNAN Negative quiet NaN 

1#IND   Positive indefinite NaN 
-1#IND  Negative indefinite NaN 

우선, 가장 쉬운 infinity에 대해 볼까요? ^^ 대표적인 재현 코드로는 0이 아닌 수를 0으로 나누는 것인데, 말 그대로 무한대의 값을 표현하는 것으로 부호에 따라 양의 무한대, 음의 무한대를 표현합니다. C#으로는 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

class Program
{
    static unsafe void Main(string[] args)
    {
        WriteValue(double.PositiveInfinity, nameof(double.PositiveInfinity));
        WriteValue(double.NegativeInfinity, nameof(double.NegativeInfinity));
    }

    private static unsafe void WriteValue(double value, string title)
    {
        byte* pBytes = (byte*)&value;
        ulong* pLong = (ulong*)pBytes;
        Console.WriteLine(title + ": 0x" + (*pLong).ToString("x"));
    }
}

/* 출력 결과
PositiveInfinity: 0x7ff0000000000000
NegativeInfinity: 0xfff0000000000000
*/

이것을 double의 메모리 표현과 엮어 볼까요? ^^

/* C++ 코드 */
typedef union tagDoubleExt 
{
    struct
    {
        unsigned int mantisaPart2 : 32;
        unsigned int mantisaPart1 : 20;
        unsigned int exponent : 11;
        unsigned int sign : 1;
    } d;

    double value;

} DoubleExt;

Infinity의 경우에는 위의 코드에서 지수부 11비트가 모두 1 (0x7ff)이고 가수부 52비트가 모두 0인 값을 의미합니다.

exponent = 0x7ff
mantisa == 0

단지, sign == 0이면 PositiveInfinity, 1이면 NegativeInfinity입니다.




다음으로 NaN의 경우에는 제법 복잡합니다. 문서에 의하면, signaling, quiet, indefinite 유형으로 나뉘는데 C#의 경우에는 단일하게 무조건 double.NaN의 출력으로 처리하므로 다른 점을 찾을 수 없습니다. 대신 C/C++ 코드로는 확인할 수 있습니다.

C/C++의 경우에는 double (인 경우 8 바이트) 내용이 초기화되지 않은 메모리인 경우 말 그대로 적절한 IEEE 부동 소수점 포맷에 맞지 않는 값일 때 "Not a Number"라는 의미로 NaN 값을 가지게 됩니다. 물론 약간의 운이 따라야만 초기화되지 않은 double 값이 NaN 값을 가지게 되는데요, IEEE 표준에 의하면 NaN은 지수부 11비트가 전부 1(0x7ff)이면서 가수부는 최소 1비트 이상이 설정된 경우라고 합니다. 따라서 이 값은 Infinity와는 달리 가수부 경우의 수만큼 NaN 바이트 표현이 존재합니다. 가령, 아래의 경우 모두 NaN에 해당합니다.

#include <math.h>
#include <stdio.h>
#include <string>
#include <numeric>

using namespace std;

//double 형식의 메모리를 확인하기 위한 공용체 정의
typedef union tagDoubleExt 
{
    struct
    {
        unsigned int mantisaPart2 : 32;
        unsigned int mantisaPart1 : 20;
        unsigned int exponent : 11;
        unsigned int sign : 1;
    } d;

    unsigned char buf[8];
    double value;

} DoubleExt;

void print(string title, DoubleExt t)
{
    printf("[%s] %lf is \t", title.c_str(), t.value);

    // little endian
    for (int i = 7; i >= 0; i--)
    {
        printf("%02X ", t.buf[i]);
    }

    printf("\n");
}

int main(void)
{
    DoubleExt dblValue;

    {
        memset(&dblValue, 0, sizeof(dblValue));
        dblValue.d.exponent = 0x7ff;
        dblValue.d.mantisaPart1 = 101;
        print("sign = 0, exp = 0x7ff, mantisaPart1 = 101", dblValue);

        dblValue.d.sign = 1;
        print("sign = 1, exp = 0x7ff, mantisaPart1 = 101", dblValue);
    }

    {
        memset(&dblValue, 0, sizeof(dblValue));
        dblValue.d.exponent = 0x7ff;
        dblValue.d.mantisaPart2 = 1;
        print("sign = 0, exp = 0x7ff, mantisaPart2 = 1", dblValue);

        dblValue.d.sign = 1;
        print("sign = 1, exp = 0x7ff, mantisaPart2 = 1", dblValue);
    }

    return 0;
}

/* 출력 결과
[sign = 0, exp = 0x7ff, mantisaPart1 = 101] nan(snan) is        7F F0 00 65 00 00 00 00
[sign = 1, exp = 0x7ff, mantisaPart1 = 101] -nan(snan) is       FF F0 00 65 00 00 00 00
[sign = 0, exp = 0x7ff, mantisaPart2 = 1] nan(snan) is  7F F0 00 00 00 00 00 01
[sign = 1, exp = 0x7ff, mantisaPart2 = 1] -nan(snan) is         FF F0 00 00 00 00 00 01
*/

보는 바와 같이 출력값에서 "(snan)"이 나오는데 바로 이 경우가 부호에 따라 1#SNAN, -1#SNAN으로 표현되는 값입니다.

1#SNAN  Positive signaling NaN 
-1#SNAN Negative signaling NaN 

그다음 quiet NaN은 mantisa 가수부의 최상위 1비트가 1이면서 나머지 가수부가 최소 1 이상의 값인 경우에 해당합니다. 즉, 다음과 같이 double을 구성하면 재현할 수 있습니다.

/*
How to get the sign, mantissaand exponent of a floating point number
; https://stackoverflow.com/questions/15685181/how-to-get-the-sign-mantissa-and-exponent-of-a-floating-point-number
*/
typedef union tagDoubleExt 
{
    struct
    {
        unsigned int mantisaPart2 : 32;
        unsigned int mantisaPart1 : 19;
        unsigned int quiet_nan : 1;
        unsigned int exponent : 11;
        unsigned int sign : 1;
    } d;

    unsigned char buf[8];
    double value;

} DoubleExt;

{
    memset(&dblValue, 0, sizeof(dblValue));
    dblValue.d.exponent = 0x7ff;
    dblValue.d.quiet_nan = 1;
    dblValue.d.mantisaPart1 = 101;
    print("sign = 0, exp = 0x7ff, quiet=1, mantisaPart1 = 101", dblValue);

    dblValue.d.sign = 1;
    print("sign = 1, exp = 0x7ff, quiet=1, mantisaPart1 = 101", dblValue);
}

{
    memset(&dblValue, 0, sizeof(dblValue));
    dblValue.d.exponent = 0x7ff;
    dblValue.d.quiet_nan = 1;
    dblValue.d.mantisaPart2 = 1;
    print("sign = 0, exp = 0x7ff, quiet=1, mantisaPart2 = 1", dblValue);

    dblValue.d.sign = 1;
    print("sign = 1, exp = 0x7ff, quiet=1, mantisaPart2 = 1", dblValue);
}

/* 출력 결과
[sign = 0, exp = 0x7ff, quiet=1, mantisaPart1 = 101] nan is     7F F8 00 65 00 00 00 00
[sign = 1, exp = 0x7ff, quiet=1, mantisaPart1 = 101] -nan is    FF F8 00 65 00 00 00 00
[sign = 0, exp = 0x7ff, quiet=1, mantisaPart2 = 1] nan is       7F F8 00 00 00 00 00 01
[sign = 1, exp = 0x7ff, quiet=1, mantisaPart2 = 1] -nan is      FF F8 00 00 00 00 00 01
*/

그런데, 이번에는 보는 바와 같이 "quiet"를 식별하는 출력 없이 그냥 "nan"으로만 찍힙니다. 이제 남은 것은, "indefinite NaN"인데요.

1#IND   Positive indefinite NaN 
-1#IND  Negative indefinite NaN 

이것은 위의 quiet nan에서 quiet 비트를 제외한 다른 가수부의 값을 0으로 만들면 됩니다.

{
    memset(&dblValue, 0, sizeof(dblValue));
    dblValue.d.exponent = 0x7ff;
    dblValue.d.quiet_nan = 1;
    print("sign = 0, exp = 0x7ff, quiet=1, mantisa = 0", dblValue);

    dblValue.d.sign = 1;
    print("sign = 1, exp = 0x7ff, quiet=1, mantisa = 0", dblValue);
}

/* 출력 결과
[sign = 0, exp = 0x7ff, quiet=1, mantisa = 0] nan is    7F F8 00 00 00 00 00 00
[sign = 1, exp = 0x7ff, quiet=1, mantisa = 0] -nan(ind) is      FF F8 00 00 00 00 00 00
*/

단지, "-nan(ind)"의 경우에는 구분이 되는 반면 "nan(ind)"인 듯한 값은 C/C++도 그냥 "nan"으로 출력합니다. (혹시 "Positive indefinite NaN"에 관한 정확한 정보를 아시는 분은 덧글 부탁드립니다. ^^)

여기까지 해서 각각의 nan/inf에 대해 정리해 보면 다음과 같습니다.

1#INF   Positive infinity 
    exponent = 0x7ff
    mantisa == 0
    sign = 0
-1#INF  Negative infinity 
    exponent = 0x7ff
    mantisa == 0
    sign = 1

1#SNAN  Positive signaling NaN 
    exponent = 0x7ff
    mantisa == (1이 아닌 값)
    sign = 0
-1#SNAN Negative signaling NaN 
    exponent = 0x7ff
    mantisa == (1이 아닌 값)
    sign = 1

1#QNAN  Positive quiet NaN 
    exponent = 0x7ff
    mantisa == 최상위 비트가 1, 나머지 가수부에는 1이 아닌 값
    sign = 0
-1#QNAN Negative quiet NaN 
    exponent = 0x7ff
    mantisa == 최상위 비트가 1, 나머지 가수부에는 1이 아닌 값
    sign = 1

1#IND   Positive indefinite NaN 
    (출력은 안되지만, 아마도)
    exponent = 0x7ff
    mantisa == 최상위 비트만 1
    sign = 0
-1#IND  Negative indefinite NaN 
    exponent = 0x7ff
    mantisa == 최상위 비트만 1
    sign = 1




알아본 김에, C++의 NaN 관련 값/함수들을 알아볼까요? ^^

우선 NAN(매크로 상수)는,

dblValue.value = NAN;
print("NAN", dblValue); // == -1#IND

dblValue.value = -NAN;
print("-NAN\t", dblValue); // == 1#IND

/* 출력 결과
[NAN] -nan(ind) is      FF F8 00 00 00 00 00 00
[-NAN   ] nan is        7F F8 00 00 00 00 00 00
*/

보는 바와 같이 NAN 값이 "-1#IND"에 해당하는 비트 값을 가집니다. 그다음, std::numeric_limits::signaling_NaN()은,

dblValue.value = std::numeric_limits<double>::signaling_NaN();
print("signaling_NaN", dblValue); // == 1#QNAN

dblValue.value = -std::numeric_limits<double>::signaling_NaN();
print("-signaling_NaN", dblValue); // == -1#QNAN

/* 출력 결과
[signaling_NaN] nan is  7F F8 00 00 00 00 00 01
[-signaling_NaN] -nan is        FF F8 00 00 00 00 00 01
*/

signaling이라는 단어가 무색하게 "quiet" 비트가 1로 설정된 1#QNAN, -1#QNAN에 해당하는 비트 값을 가집니다. 반면 std::numeric_limits::quiet_NaN()은,

dblValue.value = std::numeric_limits<double>::quiet_NaN();
print("quiet_NaN", dblValue); // == -NAN == 1#IND

dblValue.value = -std::numeric_limits<double>::quiet_NaN();
print("quiet_NaN", dblValue); // == NAN == -1#IND

/* 출력 결과
[quiet_NaN] nan is      7F F8 00 00 00 00 00 00
[quiet_NaN] -nan(ind) is        FF F8 00 00 00 00 00 00
*/

(어쨌든 "quiet" 비트가 1이지만) 1#IND, -1#IND의 값을 가집니다. 마지막으로 nan("...") 함수는,

dblValue.value = nan(nullptr);
print("nan(nullptr)", dblValue);

dblValue.value = nan("");
print("nan(empty)", dblValue);

dblValue.value = nan("test");
print("nan(test)", dblValue);

/* 출력 결과
[nan(nullptr)] nan is   7F F8 00 00 00 00 00 00
[nan(empty)] nan is     7F F8 00 00 00 00 00 00
[nan(test)] nan is      7F F8 00 00 00 00 00 00
*/

"1#IND"에 해당하는 값을 반환합니다. 따라서 위의 값/함수들로는 C++에서 "nan(snan)"으로 출력되는 nan 값을 가질 수는 없습니다.




아래의 문서에 보면,

std::numeric_limits::signaling_NaN
; https://en.cppreference.com/w/cpp/types/numeric_limits/signaling_NaN

signaling_NaN 값을 다른 값과 연산하면 "quiet NaN"이 결괏값으로 나온다고 합니다.

#include <iostream>
#include <limits>
#include <cfenv>
#pragma STDC_FENV_ACCESS on

void show_fe_exceptions()
{
    int n = std::fetestexcept(FE_ALL_EXCEPT);
    if(n & FE_INVALID) std::cout << "FE_INVALID is raised\n";
    else if(n == 0)    std::cout << "no exceptions are raised\n";
    std::feclearexcept(FE_ALL_EXCEPT);
}

int main()
{
    double snan = std::numeric_limits<double>::signaling_NaN();
    std::cout << "After sNaN was obtained ";
    show_fe_exceptions();
    double qnan = snan * 2.0;
    std::cout << "After sNaN was multiplied by 2 ";
    show_fe_exceptions();
    double qnan2 = qnan * 2.0;
    std::cout << "After the quieted NaN was multiplied by 2 ";
    show_fe_exceptions();
    std::cout << "The result is " << qnan2 << '\n';
}

/* 출력 결과
After sNaN was obtained no exceptions are raised
After sNaN was multiplied by 2 FE_INVALID is raised
After the quieted NaN was multiplied by 2 no exceptions are raised
The result is nan
*/

위의 소스 코드를 Visual C++로 옮기려면 "#pragma STDC_FENV_ACCESS on" 대신 "#pragma fenv_access(on)"으로 바꿔야 합니다. (이 설정을 하면 부동 소수점 최적화를 하지 않습니다.)

그런데 실제로 snan과 qnan, qnan2의 값이 다를까요? 이것은 환경마다 다른 것 같습니다. 왜냐하면 Visual C++의 경우 다음과 같이 출력하기 때문입니다.

#pragma fenv_access(on)

#include <iostream>
#include <limits>
#include <cfenv>

void show_fe_exceptions()
{
    int n = std::fetestexcept(FE_ALL_EXCEPT);
    if (n & FE_INVALID) std::cout << "FE_INVALID is raised\n";
    else if (n & _EM_ZERODIVIDE) std::cout << "_EM_ZERODIVIDE is raised\n";
    else if (n == 0)    std::cout << "no exceptions are raised\n";
    std::feclearexcept(FE_ALL_EXCEPT);
}

int test_nan()
{
    std::cout << endl;

    DoubleExt dblValue;

    double snan = std::numeric_limits<double>::signaling_NaN();
    dblValue.value = snan;
    print("snan", dblValue);
    std::cout << "1) After sNaN was obtained ";
    show_fe_exceptions();
    std::cout << endl;

    double qnan = snan * 2.0;
    dblValue.value = qnan;
    print("qnan", dblValue);
    std::cout << "2) After sNaN was multiplied by 2 ";
    show_fe_exceptions();
    std::cout << endl;

    double qnan2 = qnan * 2.0;
    dblValue.value = qnan2;
    print("qnan2", dblValue);
    std::cout << "3) After the quieted NaN was multiplied by 2 ";
    show_fe_exceptions();

    return 0;
}

/*
[snan] nan is   7F F8 00 00 00 00 00 01
1) After sNaN was obtained FE_INVALID is raised

[qnan] nan is   7F F8 00 00 00 00 00 01
2) After sNaN was multiplied by 2 no exceptions are raised

[qnan2] nan is  7F F8 00 00 00 00 00 01
3) After the quieted NaN was multiplied by 2 no exceptions are raised
*/

보는 바와 같이 모든 변수의 값에 변함이 없습니다. 단지 결과적으로 봤을 때 signaling, quiet라는 의미에서 이해를 시도해 볼 수 있습니다. 즉, 처음 signaling_NaN을 생성하는 경우 부동 소수점 오류가 발생해 FE_INVALID 값이 설정되는 것입니다. 이후 해당 nan 값에 대해 연산을 시도하는 경우 quiet nan 처리가 된다는 의미에서 부동 소수점 연산에 예외가 발생하지 않는 것입니다.




휴~~~ 어렵군요. ^^; 일단, 정리는 해놨으니 이론적으로 출중하신 분이 이 글을 우연히 읽으신다면 더 좋은 덧글이 달릴 것으로 기대합니다. ^^ 참고로, C#의 경우 아래와 같이 확인을 할 수 있고,

static unsafe void Main(string[] args)
{
    {
        DoubleExp t = new DoubleExp { Value = double.PositiveInfinity };
        WriteValue(double.PositiveInfinity, "1#INF: " + nameof(double.PositiveInfinity));
    }
    {
        DoubleExp t = new DoubleExp { Value = double.NegativeInfinity };
        WriteValue(double.NegativeInfinity, "-1#INF: " + nameof(double.NegativeInfinity));
    }

    Console.WriteLine();

    {
        DoubleExp nanType1 = new DoubleExp();
        nanType1.SetBits(false, 0x7ff, false, 101);

        WriteValue(nanType1.Value, "1#SNAN: false, 0x7ff, false, 101");
    }
    {
        DoubleExp nanType2 = new DoubleExp();
        nanType2.SetBits(true, 0x7ff, false, 101);

        WriteValue(nanType2.Value, "-1#SNAN: true, 0x7ff, false, 101");
    }

    Console.WriteLine();

    {
        DoubleExp nanType1 = new DoubleExp();
        nanType1.SetBits(false, 0x7ff, true, 101);

        WriteValue(nanType1.Value, "1#QNAN: false, 0x7ff, true, 101");
    }
    {
        DoubleExp nanType2 = new DoubleExp();
        nanType2.SetBits(true, 0x7ff, true, 101);

        WriteValue(nanType2.Value, "-1#QNAN: true, 0x7ff, true, 101");
    }

    Console.WriteLine();

    {
        DoubleExp nanType1 = new DoubleExp();
        nanType1.SetBits(false, 0x7ff, true, 0);

        WriteValue(nanType1.Value, "1#IND: false, 0x7ff, true, 0");
    }
    {
        DoubleExp nanType2 = new DoubleExp();
        nanType2.SetBits(true, 0x7ff, true, 0);

        WriteValue(nanType2.Value, "-1#IND: true, 0x7ff, true, 0");
    }

    Console.WriteLine();

    WriteValue(double.NaN, nameof(double.NaN));
}

출력 결과를 놓고 보면,

1#INF: PositiveInfinity(∞): 0x7ff0000000000000
-1#INF: NegativeInfinity(-∞): 0xfff0000000000000

1#SNAN: false, 0x7ff, false, 101(NaN): 0x7ff0000000000065
-1#SNAN: true, 0x7ff, false, 101(NaN): 0xfff0000000000065

1#QNAN: false, 0x7ff, true, 101(NaN): 0x7ff8000000000065
-1#QNAN: true, 0x7ff, true, 101(NaN): 0xfff8000000000065

1#IND: false, 0x7ff, true, 0(NaN): 0x7ff8000000000000
-1#IND: true, 0x7ff, true, 0(NaN): 0xfff8000000000000

NaN(NaN): 0xfff8000000000000

INF를 제외하고는 모든 NAN이 아무런 구별 없이 "NAN"으로 출력되는 것을 볼 수 있습니다. 또한 "double.NaN" 상수는 메모리 표현상으로 보면 "-1#IND" 값과 동일합니다. 즉, C++의 NAN 매크로 상숫값과 같습니다.

(첨부 파일은 이 글의 소스 코드를 포함합니다.)

[https://twitter.com/PR0GRAMMERHUM0R/status/1699530441399636325]
Nan_ne_Nan.jpg




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[최초 등록일: ]
[최종 수정일: 9/7/2023]

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11634정성태8/1/201816655.NET Framework: 790. .NET Thread 상태가 Cooperative일 때 GC hang 현상 재현 방법파일 다운로드1
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11629정성태7/26/201818614.NET Framework: 789. C# 컴파일 옵션 - Check for arithmetic overflow/underflow [2]
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11626정성태7/25/201814623오류 유형: 471. .C++ 함수를 const로 바꾼 경우 C2440 컴파일 오류가 발생한다면?
11625정성태7/24/201813310Math: 49. GeoGebra 기하 (25) - 타원의 중심점 찾기파일 다운로드1
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11623정성태7/24/201816893Math: 48. C# - 가우시안 함수의 이산형(discrete) 커널 값 생성파일 다운로드1
11622정성태7/23/201817444개발 환경 구성: 388. Windows 환경에서 Octave 패키지 설치하는 방법
11621정성태7/23/201815303VC++: 127. 멤버 함수에 대한 포인터를 외부에서 호출하는 방법파일 다운로드1
11620정성태7/22/201818651Graphics: 11. Unity로 실습하는 Shader (7) - Blur (평균값, 가우스, 중간값) 필터 [1]파일 다운로드1
11619정성태7/21/201817260Graphics: 10. Unity로 실습하는 Shader (6) - Mosaic Shading
11618정성태7/20/201814756개발 환경 구성: 387. 삼성 오디세이(Odyssey) 노트북의 운영체제를 새로 설치하는 방법
11617정성태7/20/201815573Team Foundation Server: 50. TFS 소스 코드 관리 기능 (5) - "Rollback", "Rollback Entire Changeset"
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11613정성태7/16/201817206Graphics: 7. Unity로 실습하는 Shader (5) - Flat Shading
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