调试模式和发布模式之间的 C#/.NET 浮点运算的精度是否不同？
【问题讨论】：
标签： c# .net floating-point
事实上，如果调试模式使用 x87 FPU 而发布模式使用 SSE 进行浮动操作，它们可能会有所不同。
【讨论】：
响应 Frank Krueger 的上述请求（以 cmets 为单位），以展示差异：
在没有优化和 -mfpmath=387 的 gcc 中编译此代码（我没有理由认为它不适用于其他编译器，但我没有尝试过。） 然后在没有优化和 -msse -mfpmath=sse 的情况下编译它。
输出会有所不同。
#include <stdio.h>
int main()
{
float e = 0.000000001;
float f[3] = {33810340466158.90625,276553805316035.1875,10413022032824338432.0};
f[0] = pow(f[0],2-e); f[1] = pow(f[1],2+e); f[2] = pow(f[2],-2-e);
printf("%s\n",f);
return 0;
}
【讨论】：
它们确实可以不同。根据 CLR ECMA 规范：
浮点的存储位置 数字（静态、数组元素和 类的字段）是固定大小的。 支持的存储大小是 浮点 32 和浮点 64。其他地方 （在评估堆栈上，如 参数，作为返回类型，并作为 局部变量）浮点 数字用一个表示 内部浮点类型。每个 这种情况下，标称类型的 变量或表达式是 R4 或 R8，但它的值可以表示 内部有额外的范围 和/或精度。的大小 内部浮点表示 取决于实现，可能会有所不同， 并且至少应具有精度 与变量或 表示的表达式。一个 隐式扩大转换为 来自 float32 的内部表示 或 float64 时执行那些 类型是从存储中加载的。这 内部表示通常是 硬件的本机大小，或 根据需要高效 执行操作。
这基本上意味着以下比较可能相等也可能不相等：
class Foo
{
double _v = ...;
void Bar()
{
double v = _v;
if( v == _v )
{
// Code may or may not execute here.
// _v is 64-bit.
// v could be either 64-bit (debug) or 80-bit (release) or something else (future?).
}
}
}
重要信息：永远不要检查浮动值是否相等。
【讨论】：
这是一个有趣的问题，所以我做了一些实验。我使用了这段代码：
static void Main (string [] args)
{
float
a = float.MaxValue / 3.0f,
b = a * a;
if (a * a < b)
{
Console.WriteLine ("Less");
}
else
{
Console.WriteLine ("GreaterEqual");
}
}
使用 DevStudio 2005 和 .Net 2。我编译为 debug 和 release 并检查了编译器的输出：
Release Debug
static void Main (string [] args) static void Main (string [] args)
{ {
00000000 push ebp
00000001 mov ebp,esp
00000003 push edi
00000004 push esi
00000005 push ebx
00000006 sub esp,3Ch
00000009 xor eax,eax
0000000b mov dword ptr [ebp-10h],eax
0000000e xor eax,eax
00000010 mov dword ptr [ebp-1Ch],eax
00000013 mov dword ptr [ebp-3Ch],ecx
00000016 cmp dword ptr ds:[00A2853Ch],0
0000001d je 00000024
0000001f call 793B716F
00000024 fldz
00000026 fstp dword ptr [ebp-40h]
00000029 fldz
0000002b fstp dword ptr [ebp-44h]
0000002e xor esi,esi
00000030 nop
float float
a = float.MaxValue / 3.0f, a = float.MaxValue / 3.0f,
00000000 sub esp,0Ch 00000031 mov dword ptr [ebp-40h],7EAAAAAAh
00000003 mov dword ptr [esp],ecx
00000006 cmp dword ptr ds:[00A2853Ch],0
0000000d je 00000014
0000000f call 793B716F
00000014 fldz
00000016 fstp dword ptr [esp+4]
0000001a fldz
0000001c fstp dword ptr [esp+8]
00000020 mov dword ptr [esp+4],7EAAAAAAh
b = a * a; b = a * a;
00000028 fld dword ptr [esp+4] 00000038 fld dword ptr [ebp-40h]
0000002c fmul st,st(0) 0000003b fmul st,st(0)
0000002e fstp dword ptr [esp+8] 0000003d fstp dword ptr [ebp-44h]
if (a * a < b) if (a * a < b)
00000032 fld dword ptr [esp+4] 00000040 fld dword ptr [ebp-40h]
00000036 fmul st,st(0) 00000043 fmul st,st(0)
00000038 fld dword ptr [esp+8] 00000045 fld dword ptr [ebp-44h]
0000003c fcomip st,st(1) 00000048 fcomip st,st(1)
0000003e fstp st(0) 0000004a fstp st(0)
00000040 jp 00000054 0000004c jp 00000052
00000042 jbe 00000054 0000004e ja 00000056
00000050 jmp 00000052
00000052 xor eax,eax
00000054 jmp 0000005B
00000056 mov eax,1
0000005b test eax,eax
0000005d sete al
00000060 movzx eax,al
00000063 mov esi,eax
00000065 test esi,esi
00000067 jne 0000007A
{ {
Console.WriteLine ("Less"); 00000069 nop
00000044 mov ecx,dword ptr ds:[0239307Ch] Console.WriteLine ("Less");
0000004a call 78678B7C 0000006a mov ecx,dword ptr ds:[0239307Ch]
0000004f nop 00000070 call 78678B7C
00000050 add esp,0Ch 00000075 nop
00000053 ret }
} 00000076 nop
else 00000077 nop
{ 00000078 jmp 00000088
Console.WriteLine ("GreaterEqual"); else
00000054 mov ecx,dword ptr ds:[02393080h] {
0000005a call 78678B7C 0000007a nop
} Console.WriteLine ("GreaterEqual");
} 0000007b mov ecx,dword ptr ds:[02393080h]
00000081 call 78678B7C
00000086 nop
}
上面显示的是，调试和发布的浮点代码是相同的，编译器选择一致性而不是优化。尽管程序产生了错误的结果（a * a 不小于 b），但无论调试/发布模式如何，都是一样的。
现在，英特尔 IA32 FPU 有 8 个浮点寄存器，您可能会认为编译器在优化时会使用这些寄存器来存储值而不是写入内存，从而提高性能，类似于：
fld dword ptr [a] ; precomputed value stored in ram == float.MaxValue / 3.0f
fmul st,st(0) ; b = a * a
; no store to ram, keep b in FPU
fld dword ptr [a]
fmul st,st(0)
fcomi st,st(0) ; a*a compared to b
但这与调试版本的执行方式不同（在这种情况下，显示正确的结果）。但是，根据构建选项改变程序的行为是一件非常糟糕的事情。
FPU 代码是手工编写代码可以大大优于编译器的一个领域，但您确实需要了解 FPU 的工作方式。
【讨论】：
这是一个简单的示例，其中的结果不仅在调试模式和发布模式之间有所不同，而且它们这样做的方式取决于使用 x86 还是 x84 作为平台：
Single f1 = 0.00000000002f;
Single f2 = 1 / f1;
Double d = f2;
Console.WriteLine(d);
这会写出以下结果：
Debug Release
x86 49999998976 50000000199,7901
x64 49999998976 49999998976
快速查看反汇编（调试 -> Windows -> Visual Studio 中的反汇编）给出了一些关于这里发生了什么的提示。对于 x86 情况：
Debug Release
mov dword ptr [ebp-40h],2DAFEBFFh | mov dword ptr [ebp-4],2DAFEBFFh
fld dword ptr [ebp-40h] | fld dword ptr [ebp-4]
fld1 | fld1
fdivrp st(1),st | fdivrp st(1),st
fstp dword ptr [ebp-44h] |
fld dword ptr [ebp-44h] |
fstp qword ptr [ebp-4Ch] |
fld qword ptr [ebp-4Ch] |
sub esp,8 | sub esp,8
fstp qword ptr [esp] | fstp qword ptr [esp]
call 6B9783BC | call 6B9783BC
特别是，我们看到一堆看似多余的“将浮点寄存器中的值存储在内存中，然后立即将其从内存中加载回浮点寄存器”在发布模式下已被优化掉。但是，这两条指令
fstp dword ptr [ebp-44h]
fld dword ptr [ebp-44h]
足以将 x87 寄存器中的值从 +5.0000000199790138e+0010 更改为 +4.9999998976000000e+0010，因为可以通过逐步反汇编和调查相关寄存器的值来验证（调试 -> Windows -> 寄存器，然后右键单击并选中“浮点”）。
x64 的故事完全不同。我们仍然看到相同的优化删除了一些指令，但这一次，一切都依赖于 SSE 及其 128 位寄存器和专用指令集：
Debug Release
vmovss xmm0,dword ptr [7FF7D0E104F8h] | vmovss xmm0,dword ptr [7FF7D0E304C8h]
vmovss dword ptr [rbp+34h],xmm0 | vmovss dword ptr [rbp-4],xmm0
vmovss xmm0,dword ptr [7FF7D0E104FCh] | vmovss xmm0,dword ptr [7FF7D0E304CCh]
vdivss xmm0,xmm0,dword ptr [rbp+34h] | vdivss xmm0,xmm0,dword ptr [rbp-4]
vmovss dword ptr [rbp+30h],xmm0 |
vcvtss2sd xmm0,xmm0,dword ptr [rbp+30h] | vcvtss2sd xmm0,xmm0,xmm0
vmovsd qword ptr [rbp+28h],xmm0 |
vmovsd xmm0,qword ptr [rbp+28h] |
call 00007FF81C9343F0 | call 00007FF81C9343F0
这里，因为 SSE 单元避免在内部使用比单精度更高的精度（而 x87 单元这样做），所以无论优化如何，我们最终都会得到 x86 情况的“单精度”结果。事实上，人们发现（在 Visual Studio 寄存器概述中启用 SSE 寄存器后）在 vdivss 之后，XMM0 包含 0000000000000000-00000000513A43B7，这正是之前的 49999998976。
在实践中，这两种差异都让我很痛苦。除了说明永远不应该比较浮点的相等性之外，该示例还表明，在浮点出现的那一刻，在 C# 等高级语言中仍有汇编调试的空间。
【讨论】：