Microsoft MVP성태의 닷넷 이야기
닷넷: 2259. C# - decimal 저장소의 비트 구조 [링크 복사], [링크+제목 복사],
조회: 8892
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# - decimal 저장소의 비트 구조

decimal의 경우 float/double과 내부적인 처리는 유사하지만,

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

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

그것들의 관계처럼 단순히 지수부와 가수부에 대한 비트 수만 확장한 것이 아니라, 지수부의 진법을 2가 아니라 10으로 취급한다는 점이 다릅니다. 마이크로소프트의 공식 문서는 (어딘가 있을 듯한데) 찾을 수 없었지만 아래의 글에 이에 대한 내용이 나옵니다.

Decimal floating point in .NET
; https://csharpindepth.com/articles/Decimal

결국, decimal은 16바이트이고 8바이트씩 나눠 다룰 수 있는데 이것을 bit mask로 표현하면 이렇게 구분할 수 있습니다.

[하위 8바이트(64비트)]
가수부 64비트: 1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111

[상위 8바이트(64비트)]
상위 가수부 32비트: 1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000
지수부 5비트:       0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0001_1111_0000_0000_0000_0000
Sign 1비트:        0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_1000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000

따라서, 가수부는 총 96비트, 즉 2의 96승을 다룰 수 있고, 지수부는 5비트로 32까지 다룰 수 있지만 실제로 사용하는 범위는 0~28까지라고 합니다. 그래서 지수부의 경우 1_1111 비트 마스크 중 사실상 0_1111로 처리해도 무방합니다.

예를 하나 들어볼까요? ^^

18_446_744_073_709_551_616m 숫자에 대해 각각의 부호 비트, 지수부, 가수부를 다음과 같은 코드로 구할 수 있습니다.

decimal m = 18_446_744_073_709_551_615m + 1m;

Console.WriteLine($"decimal value: {m}");
byte* pDecimal = (byte*)&m;
ParseDecimalFormat(pDecimal);

private static unsafe void ParseDecimalFormat(byte* pDecimal)
{
    // 1bit - signbit
    // 5bits - exponent (only valid 0~28), 10의 n 승
    // 96bits - mantissa

    // 하위 - 64bits mantissa
    // 1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111;
    // 0111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111;

    // 상위 - 64bits
    // 1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000; // 상위 32bits - 추가 mantissa
    // 0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0001_1111_0000_0000_0000_0000; // 5bits - exponent
    // 0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_1000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000; // 1bit - sign

    byte* hiPart = pDecimal;
    byte* loPart = pDecimal + 8;

    bool signBit = GetDecimalSignBit(hiPart);
    Console.WriteLine($"sign bit: {signBit}");

    ulong exponentBits = GetDecimalExponents(hiPart);
    Console.WriteLine($"10-exponent: {exponentBits}");

    BigInteger mantissaBits = GetMantissa(hiPart, loPart);
    Console.WriteLine($"Mantissa: {mantissaBits}");
}

private static unsafe bool GetDecimalSignBit(byte* hiPart)
{
    ulong hi = *(ulong*)hiPart;
    ulong signBit = hi & 0b_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_1000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000;

    return signBit != 0;
}

private static unsafe ulong GetDecimalExponents(byte* hiPart)
{
    ulong hi = *(ulong*)hiPart;
    ulong exponentBits = hi & 0b_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0001_1111_0000_0000_0000_0000;
    return exponentBits >> 16;
}

private static unsafe BigInteger GetMantissa(byte* hiPart, byte* loPart)
{
    ulong lo = *(ulong*)loPart;
    BigInteger lower = new BigInteger(lo);

    ulong hi = *(ulong*)hiPart;
    ulong hiMantissa = hi & 0b_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000;
    hiMantissa = (hiMantissa >> 32);

    BigInteger large = hiMantissa;
    large = large << 64;

    Console.WriteLine($"Low mantissa: {lo}");
    Console.WriteLine($"Hig mantissa: {large}");

    return large + lower;
}

실행 결과는 다음과 같습니다.

decimal value: 18446744073709551616
sign bit: False
10-exponent: 0
Low mantissa: 0
Hig mantissa: 18446744073709551616
Mantissa: 18446744073709551616

숫자에 소수점이 없어서 말 그대로 96비트의 숫자를 다루는 형태입니다. 반면 -0.01m으로 하면,

decimal m = -0.01m;

Console.WriteLine($"decimal value: {m}");
byte* pDecimal = (byte*)&m;
ParseDecimalFormat(pDecimal);

이런 출력 결과가 나옵니다.

decimal value: -0.01
sign bit: True
10-exponent: 2
Low mantissa: 1
Hig mantissa: 0
Mantissa: 1

보는 바와 같이 지수부의 숫자가 2인데요, float/double이 각각 127, 1023을 bias로 잡아 음의 지수, 양의 지수를 표현했던 것과는 달리 decimal은 무조건 음의 지수로 10의 -n 승을 의미합니다.

즉, 위의 경우에는 10의 -2승이 돼 원래의 숫자를 다음과 같은 공식으로 복원할 수 있습니다.

sign * mantissa / 10exponent

위의 공식에 분해한 숫자를 각각 대입하면 원래의 값이 나옵니다.

sign bit: True ==> -1
mantissa = 1
exponent = 2

-1 * 1 / 102 == -0.01

다시 말해, float/double이 2진수를 지수승으로 표기해 0.1 숫자를 제대로 표현할 수 없었던 한계를 decimal은 10의 n 승으로 지수를 계산하기 때문에 0.1에 대한 표현의 제약이 없어진 것입니다. (물론, 그만큼 연산 속도는 느립니다.)

자, 그럼 분해한 숫자를 기반으로 원래의 숫자를 복원하는 코드도 이렇게 간결하게 만들 수 있습니다. ^^

decimal m = -0.01m;

byte* pDecimal = (byte*)&m;
byte* hiPart = pDecimal;
byte* loPart = pDecimal + 8;

bool signBit = GetDecimalSignBit(hiPart);
ulong exponentBits = GetDecimalExponents(hiPart);
BigInteger mantissaBits = GetMantissa(hiPart, loPart);

{
    decimal orignalValue = (decimal)mantissaBits;
    decimal exponent = (decimal)Pow10(exponentBits);

    orignalValue = orignalValue / exponent;
    orignalValue = orignalValue * (signBit ? -1 : 1);

    Console.WriteLine(orignalValue); // 출력 결과: -0.01
}




한 가지 재미있는 점은, decimal의 경우 (float/double과는 다르게) 4바이트 int 배열로 그 구조를 반환하는 GetBits 메서드를 별도로 제공한다는 점입니다.

GetBits(Decimal)
; https://learn.microsoft.com/en-us/dotnet/api/system.decimal.getbits#System_Decimal_GetBits_System_Decimal_

이전에 설명했듯이 96비트가 int의 3개에 해당한다는 점, 그리고 부호/지수 비트의 영역이 남은 32비트에 있다는 점에서 GetBits는 가수부와 지수부/부호부를 어느 정도 분해해서 반환하는 효과를 갖습니다.

참고로, 검색하던 중에 아래와 같은 질문을 봤는데요,

How do check if a decimal has a fractional part in C#
; https://www.reddit.com/r/learnprogramming/comments/1g1f31/how_do_check_if_a_decimal_has_a_fractional_part/

즉, decimal의 값이 소수점을 포함하고 있는지를 확인하고 싶다는 건데, 이런 경우 GetBits를 이용하면 다음과 같이 구할 수 있고,

int[] bits = Decimal.GetBits(m);
bool hasFraction = (bits[3] & 0x7FFF_FFFF) != 0;

혹은 직접 포인터를 구해 저 영역의 값을 확인해도 됩니다.

decimal m = -0.01m;
byte* pDecimal = (byte*)&m;
ulong upper = *(ulong*)(pDecimal + 8);
bool checkFraction = (upper & 0x7FFF_FFFF) != 0;

(첨부 파일은 이 글의 예제 코드를 포함합니다.)




[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
 




... 46  47  48  [49]  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60  ...
NoWriterDateCnt.TitleFile(s)
12713정성태7/16/202117203.NET Framework: 1077. C# - 동기 방식이면서 비동기 규약을 따르게 만드는 Task.FromResult파일 다운로드1
12712정성태7/15/202116131개발 환경 구성: 579. Azure - 리눅스 호스팅의 Site Extension 제작 방법
12711정성태7/15/202116132개발 환경 구성: 578. Azure - Java Web App Service를 위한 Site Extension 제작 방법
12710정성태7/15/202118771개발 환경 구성: 577. MQTT - emqx.io 서비스 소개
12709정성태7/14/202114293Linux: 42. 실행 중인 docker 컨테이너에 대한 구동 시점의 docker run 명령어를 확인하는 방법
12708정성태7/14/202118511Linux: 41. 리눅스 환경에서 디스크 용량 부족 시 원인 분석 방법
12707정성태7/14/202185741오류 유형: 734. MySQL - Authentication method 'caching_sha2_password' not supported by any of the available plugins.
12706정성태7/14/202116925.NET Framework: 1076. C# - AsyncLocal 기능을 CallContext만으로 구현하는 방법 [2]파일 다운로드1
12705정성태7/13/202117315VS.NET IDE: 168. x64 DLL 프로젝트의 컨트롤이 Visual Studio의 Designer에서 보이지 않는 문제 - 두 번째 이야기
12704정성태7/12/202116107개발 환경 구성: 576. Azure VM의 서비스를 Azure Web App Service에서만 접근하도록 NSG 설정을 제한하는 방법
12703정성태7/11/202121471개발 환경 구성: 575. Azure VM에 (ICMP) ping을 허용하는 방법
12702정성태7/11/202117198오류 유형: 733. TaskScheduler에 등록된 wacs.exe의 Let's Encrypt 인증서 업데이트 문제
12701정성태7/9/202116737.NET Framework: 1075. C# - ThreadPool의 스레드는 반환 시 ThreadStatic과 AsyncLocal 값이 초기화 될까요?파일 다운로드1
12700정성태7/8/202117166.NET Framework: 1074. RuntimeType의 메모리 누수? [1]
12699정성태7/8/202115699VS.NET IDE: 167. Visual Studio 디버깅 중 GC Heap 상태를 보여주는 "Show Diagnostic Tools" 메뉴 사용법
12698정성태7/7/202119959오류 유형: 732. Windows 11 업데이트 시 3% 또는 0%에서 다운로드가 멈춘 경우
12697정성태7/7/202115029개발 환경 구성: 574. Windows 11 (Insider Preview) 설치하는 방법
12696정성태7/6/202115973VC++: 146. 운영체제의 스레드 문맥 교환(Context Switch)을 유사하게 구현하는 방법파일 다운로드2
12695정성태7/3/202116014VC++: 145. C 언어의 setjmp/longjmp 기능을 Thread Context를 이용해 유사하게 구현하는 방법파일 다운로드1
12694정성태7/2/202117954Java: 24. Azure - Spring Boot 앱을 Java SE(Embedded Web Server)로 호스팅 시 로그 파일 남기는 방법 [1]
12693정성태6/30/202114896오류 유형: 731. Azure Web App Site Extension - Failed to install web app extension [...]. {1}
12692정성태6/30/202115380디버깅 기술: 180. Azure - Web App의 비정상 종료 시 남겨지는 로그 확인
12691정성태6/30/202115628개발 환경 구성: 573. 테스트 용도이지만 테스트에 적합하지 않은 Azure D1 공유(shared) 요금제
12690정성태6/28/202116646Java: 23. Azure - 자바(Java)로 만드는 Web App Service - Tomcat 호스팅
12689정성태6/25/202118344오류 유형: 730. Windows Forms 디자이너 - The class Form1 can be designed, but is not the first class in the file. [1]
12688정성태6/24/202117658.NET Framework: 1073. C# - JSON 역/직렬화 시 리플렉션 손실을 없애는 JsonSrcGen [2]파일 다운로드1
... 46  47  48  [49]  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60  ...