Microsoft MVP성태의 닷넷 이야기
닷넷: 2258. C# - double (배정도 실수) 저장소의 비트 구조 [링크 복사], [링크+제목 복사],
조회: 8642
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
 




1  2  3  [4]  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  ...
NoWriterDateCnt.TitleFile(s)
13843정성태12/13/20244376오류 유형: 938. Docker container 내에서 빌드 시 error MSB3021: Unable to copy file "..." to "...". Access to the path '...' is denied.
13842정성태12/12/20244519디버깅 기술: 205. Windbg - KPCR, KPRCB
13841정성태12/11/20244853오류 유형: 937. error MSB4044: The "ValidateValidArchitecture" task was not given a value for the required parameter "RemoteTarget"
13840정성태12/11/20244427오류 유형: 936. msbuild - Your project file doesn't list 'win' as a "RuntimeIdentifier"
13839정성태12/11/20244845오류 유형: 936. msbuild - error CS1617: Invalid option '12.0' for /langversion. Use '/langversion:?' to list supported values.
13838정성태12/4/20244592오류 유형: 935. Windbg - Breakpoint 0's offset expression evaluation failed.
13837정성태12/3/20245042디버깅 기술: 204. Windbg - 윈도우 핸들 테이블 (3) - Windows 10 이상인 경우
13836정성태12/3/20244610디버깅 기술: 203. Windbg - x64 가상 주소를 물리 주소로 변환 (페이지 크기가 2MB인 경우)
13835정성태12/2/20245049오류 유형: 934. Azure - rm: cannot remove '...': Directory not empty
13834정성태11/29/20245272Windows: 275. C# - CUI 애플리케이션과 Console 윈도우 (Windows 10 미만의 Classic Console 모드인 경우) [1]파일 다운로드1
13833정성태11/29/20244962개발 환경 구성: 737. Azure Web App에서 Scale-out으로 늘어난 리눅스 인스턴스에 SSH 접속하는 방법
13832정성태11/27/20244900Windows: 274. Windows 7부터 도입한 conhost.exe
13831정성태11/27/20244376Linux: 111. eBPF - BPF_MAP_TYPE_PERF_EVENT_ARRAY, BPF_MAP_TYPE_RINGBUF에 대한 다양한 용어들
13830정성태11/25/20245176개발 환경 구성: 736. 파이썬 웹 앱을 Azure App Service에 배포하기
13829정성태11/25/20245134스크립트: 67. 파이썬 - Windows 버전에서 함께 설치되는 py.exe
13828정성태11/25/20244435개발 환경 구성: 735. Azure - 압축 파일을 이용한 web app 배포 시 디렉터리 구분이 안 되는 문제파일 다운로드1
13827정성태11/25/20245081Windows: 273. Windows 환경의 파일 압축 방법 (tar, Compress-Archive)
13826정성태11/21/20245314닷넷: 2313. C# - (비밀번호 등의) Console로부터 입력받을 때 문자열 출력 숨기기(echo 끄기)파일 다운로드1
13825정성태11/21/20245648Linux: 110. eBPF / bpf2go - BPF_RINGBUF_OUTPUT / BPF_MAP_TYPE_RINGBUF 사용법
13824정성태11/20/20244742Linux: 109. eBPF / bpf2go - BPF_PERF_OUTPUT / BPF_MAP_TYPE_PERF_EVENT_ARRAY 사용법
13823정성태11/20/20245273개발 환경 구성: 734. Ubuntu에 docker, kubernetes (k3s) 설치
13822정성태11/20/20245139개발 환경 구성: 733. Windbg - VirtualBox VM의 커널 디버거 연결 시 COM 포트가 없는 경우
13821정성태11/18/20245068Linux: 108. Linux와 Windows의 프로세스/스레드 ID 관리 방식
13820정성태11/18/20245232VS.NET IDE: 195. Visual C++ - C# 프로젝트처럼 CopyToOutputDirectory 항목을 추가하는 방법
13819정성태11/15/20244477Linux: 107. eBPF - libbpf CO-RE의 CONFIG_DEBUG_INFO_BTF 빌드 여부에 대한 의존성
13818정성태11/15/20245255Windows: 272. Windows 11 24H2 - sudo 추가
1  2  3  [4]  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  ...