Microsoft MVP성태의 닷넷 이야기
닷넷: 2258. C# - double (배정도 실수) 저장소의 비트 구조 [링크 복사], [링크+제목 복사],
조회: 8845
글쓴 사람
정성태 (techsharer at outlook.com)
홈페이지
첨부 파일

(시리즈 글이 8개 있습니다.)
.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# - double (배정도 실수) 저장소의 비트 구조

double의 경우 지난 글에서 다룬 float 방식과 거의 같습니다.

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

단지, 지수부와 가수부를 위한 비트 수만 좀 더 확장한 유형인데요, 다음의 그림에 따라,

[배정도 실수 - 그림 출처: https://en.wikipedia.org/wiki/Double-precision_floating-point_format]
single_float_2.png

비트 구조만 맞춰서 masking만 잘하면 됩니다.

static unsafe void Main(string[] args)
{
    double d = -118.625;
    Console.WriteLine($"{d} (decimal: {(decimal)d}): sizeof(double): {sizeof(double)}");
    Console.WriteLine();

    byte* pDouble = (byte*)&d;
    PrintDoubleFormat(pDouble);
}

private static unsafe void PrintDoubleFormat(byte* pDouble)
{
    ulong data = *(ulong*)pDouble;

    ulong signBitMask = 0b_1000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000;
    ulong exponentMask = 0b_0111_1111_1111_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000;
    ulong fractionMask = 0b_0000_0000_0000_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111;

    ulong signBit = (data & signBitMask);
    ulong exponentBits = (data & exponentMask);
    ulong fractionBits = (data & fractionMask);

    Console.WriteLine("signBit: \t" + Convert.ToString((long)signBit, 2).PadLeft(64, '0').Separator(4, '_'));
    Console.WriteLine("exponentBits: \t" + Convert.ToString((long)exponentBits, 2).PadLeft(64, '0').Separator(4, '_'));
    Console.WriteLine("fractionBits: \t" + Convert.ToString((long)fractionBits, 2).PadLeft(64, '0').Separator(4, '_'));
}

실행하면 다음과 같은 결과가 나오는데요,

-118.625 (decimal: -118.625): sizeof(double): 8

signBit:        1000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000
exponentBits:   0100_0000_0101_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000
fractionBits:   0000_0000_0000_1101_1010_1000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000

IEEE 754 표준에 따른 정규화 과정을 거쳐,

2진수 변환)
-118.625 ==> 1110110.101

지수 표현)
1110110.101 ==> 1.110110101 * 26
    지수부: 6
    가수부: 1.110110101

double의 경우 float와는 달리 exponentBits가 11비트로 늘었는데요, 따라서 0 ~ 2,047의 수를 표현할 수 있으니 bias 값이 1,023이 됩니다. 결국 지수부 6에 (float는 127을 더했지만) 1023을 더한 1029 값이 exponentBits(100 0000 0101)로 설정됩니다.

가수부의 처리도 비트만 52비트로 늘었을 뿐 float에서의 처리와 다르지 않습니다.




분해된 정보로부터 원래의 double 값을 복원하는 것도 float에서의 규칙과 같습니다. 가수부의 110110101에서 생략된 가장 상위의 1을 복원시키고,

1_1011_0101 ==> 11_1011_0101

그다음, 지수부의 1029를 원래의 지수로 만들어줍니다. (반대로 1023을 빼면 됩니다.)

6 = 1029 - 1023

이렇게 구한 값들을 통해 처음의 double 값으로 복원할 수 있습니다.

1.110110101 * 2E6

==> 1110110.101

10진수로 ==> 118.625

==> sign 비트 적용
-118.625

이 과정 역시 float의 코드를 조금만 바꾸면 double로 이렇게 만들 수 있고,

{
    bool minus = signBit != 0;
    ulong exponents = exponentBits >> 52;

    // 삭제된 1을 복원하고,
    ulong fractions = fractionBits | 0b_0000_0000_0001_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000;

    int shift = (int)exponents - 1023;

    // (삭제된 1로 인해 12비트가 아닌) 11비트만 shift 시키면 원래의 가수로 변환
    fractions = fractions << 11;
    string mantissa = Convert.ToString((long)fractions, 2).TrimEnd('0');
    Console.WriteLine($"{(minus ? "-" : "")}{mantissa} * 2E{shift}");

    mantissa = Convert.ToString((long)fractions, 2).TrimEnd('0');
    mantissa = MarkDecimalPoint(mantissa, shift);
    Console.WriteLine($"{(minus ? "-" : "")}{mantissa}");

    decimal value = Recomposite(mantissa) * (minus ? -1 : 1);
    Console.WriteLine($"{value}, (double: {(double)value})");
}

// ... 기타 코드는 float 예제와 동일 ...

이전 코드와 합쳐서 실행해 보면 이런 결과를 얻을 수 있습니다.

-118.625 (decimal: -118.625): sizeof(double): 8

signBit:        1000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000
exponentBits:   0100_0000_0101_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000
fractionBits:   0000_0000_0000_1101_1010_1000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000

-1110110101 * 2E6
-1110110.101
-118.625, (double: -118.625)

(첨부 파일은 이 글의 예제 코드를 포함합니다.)




참고로, NaN과 infinity 처리도 있는데 이에 대해서는 전에 설명한 적이 있습니다.

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

그런데 저렇게 장황하게 설명한 것보다 아래의 글에 도표로 잘 정리된 것이 있군요. ^^

Binary floating point and .NET
; https://csharpindepth.com/Articles/FloatingPoint

float_nan_infinity_1.png




[이 글에 대해서 여러분들과 의견을 공유하고 싶습니다. 틀리거나 미흡한 부분 또는 의문 사항이 있으시면 언제든 댓글 남겨주십시오.]







[최초 등록일: ]
[최종 수정일: 5/10/2024]

Creative Commons License
이 저작물은 크리에이티브 커먼즈 코리아 저작자표시-비영리-변경금지 2.0 대한민국 라이센스에 따라 이용하실 수 있습니다.
by SeongTae Jeong, mailto:techsharer at outlook.com

비밀번호

댓글 작성자
 




... 106  107  108  109  110  111  [112]  113  114  115  116  117  118  119  120  ...
NoWriterDateCnt.TitleFile(s)
11125정성태1/7/201724413개발 환경 구성: 310. IIS - appcmd.exe를 이용해 특정 페이지에 클라이언트 측 인증서를 제출하도록 설정하는 방법
11124정성태1/4/201727836개발 환경 구성: 309. 3년짜리 유효 기간을 제공하는 StartSSL [2]
11123정성태1/3/201723345.NET Framework: 629. .NET Core의 dotnet.exe CLI 명령어 확장 방법 [1]
11122정성태1/3/201722807.NET Framework: 628. TransactionScope에 사용자 정의 트랜잭션을 참여시키는 방법 [2]파일 다운로드1
11121정성태1/1/201720700개발 환경 구성: 308. "ASP.NET Core Web Application (.NET Core)"와 "ASP.NET Core Web Application (.NET Framework)" 차이점
11120정성태12/25/201626574개발 환경 구성: 307. ASP.NET Core Web Application을 IIS에서 호스팅하는 방법
11119정성태12/23/201649249개발 환경 구성: 306. Visual Studio Code에서 Python 개발 환경 구성 [2]
11118정성태12/22/201636004오류 유형: 374. Python 64비트 설치 시 0x80070659 오류 발생 [3]
11117정성태12/21/201622320웹: 35. nopCommerce 예제 사이트 구성 방법
11116정성태12/21/201624275디버깅 기술: 84. NopCommerce의 Autofac 부하(CPU, Memory) [2]
11115정성태12/21/201627245Windows: 133. 윈도우 서버 2016에서 플래시가 동작하지 않는 경우 [2]
11114정성태12/19/201637260Windows: 132. 역슬래시(backslash) 문자가 왜 통화 표기 문자(한글인 경우 "\")로 보일까요? [2]
11113정성태12/6/201621132오류 유형: 373. ICOMAdminCatalog::GetCollection에서 CO_E_ISOLEVELMISMATCH(0x8004E02F) 오류 발생파일 다운로드1
11112정성태11/23/201626308오류 유형: 372. MySQL 서비스가 올라오지 않는 경우 - Error 1067
11111정성태11/23/201634787.NET Framework: 627. C++로 만든 DLL을 C#에서 사용하기 [2]
11110정성태11/17/201621489.NET Framework: 626. Commit 메모리가 낮은 상황에서도 메모리 부족(Out-of-memory) 예외 발생 [2]
11109정성태11/17/201621476.NET Framework: 625. ASP.NET에서 System.Web.HttpApplication 인스턴스는 다중으로 생성됩니다.
11108정성태11/13/201621273.NET Framework: 624. WPF - Line 요소를 Canvas에 위치시켰을 때 흐림(blur) 현상파일 다운로드1
11107정성태11/9/201625167오류 유형: 371. Post cache substitution is not compatible with modules in the IIS integrated pipeline that modify the response buffers.파일 다운로드1
11106정성태11/8/201625337.NET Framework: 623. C# - PeerFinder를 이용한 Wi-Fi Direct 데이터 통신 예제 [2]파일 다운로드1
11105정성태11/8/201619732.NET Framework: 622. PeerFinder Wi-Fi Direct 통신 시 Read/Write/Dispose 문제
11104정성태11/8/201619209개발 환경 구성: 305. PeerFinder로 Wi-Fi Direct 연결 시 방화벽 문제
11103정성태11/8/201619160오류 유형: 370. PeerFinder.ConnectAsync의 결과 값인 Task.Result를 호출할 때 System.AggregateException 예외 발생
11102정성태11/8/201619273오류 유형: 369. PeerFinder.FindAllPeersAsync 호출 시 System.UnauthorizedAccessException 예외 발생
11101정성태11/8/201622033.NET Framework: 621. 닷넷 프로파일러의 오류 코드 - 0x80131363
11100정성태11/7/201628844개발 환경 구성: 304. Wi-Fi Direct 지원 여부 확인 방법 [1]
... 106  107  108  109  110  111  [112]  113  114  115  116  117  118  119  120  ...