Microsoft MVP성태의 닷넷 이야기
닷넷: 2258. C# - double (배정도 실수) 저장소의 비트 구조 [링크 복사], [링크+제목 복사],
조회: 8653
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
 




... 16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  [26]  27  28  29  30  ...
NoWriterDateCnt.TitleFile(s)
13287정성태3/16/202311599Windows: 229. Win32 - 대화창 템플릿의 2진 리소스를 읽어들여 윈도우를 직접 띄우는 방법파일 다운로드1
13286정성태3/15/202312023Windows: 228. Win32 - 리소스에 포함된 대화창 Template의 2진 코드 해석 방법
13285정성태3/14/202311407Windows: 227. Win32 C/C++ - Dialog Procedure를 재정의하는 방법 [2]파일 다운로드1
13284정성태3/13/202311279Windows: 226. Win32 C/C++ - Dialog에서 값을 반환하는 방법파일 다운로드1
13283정성태3/12/202310105오류 유형: 852. 파이썬 - TypeError: coercing to Unicode: need string or buffer, NoneType found
13282정성태3/12/202310496Linux: 58. WSL - nohup 옵션이 필요한 경우
13281정성태3/12/202311142Windows: 225. 윈도우 바탕화면의 아이콘들이 넓게 퍼지는 경우 [2]
13280정성태3/9/202312627개발 환경 구성: 670. WSL 2에서 호스팅 중인 TCP 서버를 외부에서 접근하는 방법
13279정성태3/9/202312087오류 유형: 851. 파이썬 ModuleNotFoundError: No module named '_cffi_backend'
13278정성태3/8/202311889개발 환경 구성: 669. WSL 2의 (init이 아닌) systemd 지원 [1]
13277정성태3/6/202313165개발 환경 구성: 668. 코드 사인용 인증서 신청 및 적용 방법(예: Digicert)
13276정성태3/5/202312761.NET Framework: 2102. C# 11 - ref struct/ref field를 위해 새롭게 도입된 scoped 예약어 [1]
13275정성태3/3/202312674.NET Framework: 2101. C# 11의 ref 필드 설명
13274정성태3/2/202311948.NET Framework: 2100. C# - ref 필드로 ref struct 타입을 허용하지 않는 이유
13273정성태2/28/202310968.NET Framework: 2099. C# - 관리 포인터로서의 ref 예약어 의미
13272정성태2/27/202311838오류 유형: 850. SSMS - mdf 파일을 Attach 시킬 때 Operating system error 5: "5(Access is denied.)" 에러
13271정성태2/25/202311658오류 유형: 849. Sql Server Configuration Manager가 시작 메뉴에 없는 경우
13270정성태2/24/202310934.NET Framework: 2098. dotnet build에 /p 옵션을 적용 시 유의점
13269정성태2/23/202312318스크립트: 46. 파이썬 - uvicorn의 콘솔 출력을 UDP로 전송
13268정성태2/22/202312754개발 환경 구성: 667. WSL 2 내부에서 열고 있는 UDP 서버를 호스트 측에서 접속하는 방법
13267정성태2/21/202313087.NET Framework: 2097. C# - 비동기 소켓 사용 시 메모리 해제가 finalizer 단계에서 발생하는 사례파일 다운로드1
13266정성태2/20/202312394오류 유형: 848. .NET Core/5+ - Process terminated. Couldn't find a valid ICU package installed on the system
13265정성태2/18/202312805.NET Framework: 2096. .NET Core/5+ - PublishSingleFile 유형에 대한 runtimeconfig.json 설정
13264정성태2/17/202314770스크립트: 45. 파이썬 - uvicorn 사용자 정의 Logger 작성
13263정성태2/16/202312083개발 환경 구성: 666. 최신 버전의 ilasm.exe/ildasm.exe 사용하는 방법
13262정성태2/15/202313474디버깅 기술: 191. dnSpy를 이용한 (소스 코드가 없는) 닷넷 응용 프로그램 디버깅 방법 [1]
... 16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  [26]  27  28  29  30  ...