【问题标题】:Closest integer to floating-point value in C++03C ++ 03中最接近浮点值的整数
【发布时间】:2012-09-18 12:57:37
【问题描述】:

对于某些整数类型,即使浮点值远远超出整数的可表示范围,我如何才能找到最接近浮点类型的某个值的值。

或者更准确地说:

F 为浮点类型(可能是floatdoublelong double)。 让I 为整数类型。

假设FI 都具有std::numeric_limits<> 的有效特化。

给定 F 的可表示值,并且仅使用 C++03,我如何找到最接近的 I 可表示值?

我追求的是一种纯粹、高效且线程安全的解决方案,并且除了 C++03 的保证之外,它对平台不做任何假设。

如果不存在这样的解决方案,是否可以使用C99/C++11的新特性找到一个?

使用 C99 的 lround() 似乎存在问题,因为报告域错误的方式并不简单。能否以可移植和线程安全的方式捕获这些域错误?

注意:我知道 Boost 可能通过其boost::numerics::converter<> 模板提供了一个解决方案,但由于它的高度复杂性和冗长,我无法从中提取要领,因此我无法检查他们的解决方案是否做出了超出 C++03 的假设。

f 的整数部分不是I 的可表示值时,由于I(f) 的结果在C++03 中未定义,因此以下简单方法失败。

template<class I, class F> I closest_int(F f)
{
  return I(f);
}

然后考虑以下方法:

template<class I, class F> I closest_int(F f)
{
  if (f < std::numeric_limits<I>::min()) return std::numeric_limits<I>::min();
  if (std::numeric_limits<I>::max() < f) return std::numeric_limits<I>::max();
  return I(f);
}

这也失败了,因为F(std::numeric_limits&lt;I&gt;::min())F(std::numeric_limits&lt;I&gt;::max()) 的组成部分可能仍然无法在I 中表示。

最后考虑一下同样失败的第三种方法:

template<class I, class F> I closest_int(F f)
{
  if (f <= std::numeric_limits<I>::min()) return std::numeric_limits<I>::min();
  if (std::numeric_limits<I>::max() <= f) return std::numeric_limits<I>::max();
  return I(f);
}

这一次I(f) 将始终有一个明确定义的结果,然而,由于F(std::numeric_limits&lt;I&gt;::max()) 可能比std::numeric_limits&lt;I&gt;::max() 小很多,我们可能会返回std::numeric_limits&lt;I&gt;::max() 的浮点值,即多个整数值低于std::numeric_limits&lt;I&gt;::max()

请注意,之所以会出现所有问题,是因为不确定转换 F(i) 是向上舍入还是向下舍入到最接近的可表示浮点值。

这是来自 C++03(4.9 浮点积分转换)的相关部分:

整数类型或枚举类型的右值可以转换为浮点的右值 类型。如果可能,结果是准确的。否则,它是下一个实现定义的选择 更低或更高的可表示值。

【问题讨论】:

  • 写得很好的问题。我希望他们都像这样。
  • @AlexeyFrunze 我想要'float -> int',但是,在我微弱的尝试中,我将最大和最小整数转换为浮点数,而引用的目的是阐明后面的转换反方向。我将尝试进行编辑以使这一点更加清晰。
  • @AlexeyFrunze 您是否又删除了您的问题?还是我搞砸了什么?
  • 对不起,我在理解问题后删除了评论。
  • 我知道这不是您的问题的核心,但如果您想要最接近的整数而不是截断的整数部分,您不应该使用 I(f+0.5) 吗?

标签: c++ floating-point type-conversion c++03 integral


【解决方案1】:

对于 radix-2(二进制)浮点类型和大于等于 64 位的整数类型,我有一个实用的解决方案。见下文。 cmets 应该是清楚的。输出如下。

// file: f2i.cpp
//
// compiled with MinGW x86 (gcc version 4.6.2) as:
//   g++ -Wall -O2 -std=c++03 f2i.cpp -o f2i.exe
#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <limits>

using namespace std;

template<class I, class F> I truncAndCap(F f)
{
/*
  This function converts (by truncating the
  fractional part) the floating-point value f (of type F)
  into an integer value (of type I), avoiding undefined
  behavior by returning std::numeric_limits<I>::min() and
  std::numeric_limits<I>::max() when f is too small or
  too big to be converted to type I directly.

  2 problems:
  - F may fail to convert to I,
    which is undefined behavior and we want to avoid that.
  - I may not convert exactly into F
    - Direct I & F comparison fails because of I to F promotion,
      which can be inexact.

  This solution is for the most practical case when I and F
  are radix-2 (binary) integer and floating-point types.
*/
  int Idigits = numeric_limits<I>::digits;
  int Isigned = numeric_limits<I>::is_signed;

/*
  Calculate cutOffMax = 2 ^ std::numeric_limits<I>::digits
  (where ^ denotes exponentiation) as a value of type F.

  We assume that F is a radix-2 (binary) floating-point type AND
  it has a big enough exponent part to hold the value of
  std::numeric_limits<I>::digits.

  FLT_MAX_10_EXP/DBL_MAX_10_EXP/LDBL_MAX_10_EXP >= 37
  (guaranteed per C++ standard from 2003/C standard from 1999)
  corresponds to log2(1e37) ~= 122, so the type I can contain
  up to 122 bits. In practice, integers longer than 64 bits
  are extremely rare (if existent at all), especially on old systems
  of the 2003 C++ standard's time.
*/
  const F cutOffMax = F(I(1) << Idigits / 2) * F(I(1) << (Idigits / 2 + Idigits % 2));

  if (f >= cutOffMax)
    return numeric_limits<I>::max();

/*
  Calculate cutOffMin = - 2 ^ std::numeric_limits<I>::digits
  (where ^ denotes exponentiation) as a value of type F for
  signed I's OR cutOffMin = 0 for unsigned I's in a similar fashion.
*/
  const F cutOffMin = Isigned ? -F(I(1) << Idigits / 2) * F(I(1) << (Idigits / 2 + Idigits % 2)) : 0;

  if (f <= cutOffMin)
    return numeric_limits<I>::min();

/*
  Mathematically, we may still have a little problem (2 cases):
    cutOffMin < f < std::numeric_limits<I>::min()
    srd::numeric_limits<I>::max() < f < cutOffMax

  These cases are only possible when f isn't a whole number, when
  it's either std::numeric_limits<I>::min() - value in the range (0,1)
  or std::numeric_limits<I>::max() + value in the range (0,1).

  We can ignore this altogether because converting f to type I is
  guaranteed to truncate the fractional part off, and therefore
  I(f) will always be in the range
  [std::numeric_limits<I>::min(), std::numeric_limits<I>::max()].
*/

  return I(f);
}

template<class I, class F> void test(const char* msg, F f)
{
  I i = truncAndCap<I,F>(f);
  cout <<
    msg <<
    setiosflags(ios_base::showpos) <<
    setw(14) << setprecision(12) <<
    f << " -> " <<
    i <<
    resetiosflags(ios_base::showpos) <<
    endl;
}

#define TEST(I,F,VAL) \
  test<I,F>(#F " -> " #I ": ", VAL);

int main()
{
  TEST(short, float,     -1.75f);
  TEST(short, float,     -1.25f);
  TEST(short, float,     +0.00f);
  TEST(short, float,     +1.25f);
  TEST(short, float,     +1.75f);

  TEST(short, float, -32769.00f);
  TEST(short, float, -32768.50f);
  TEST(short, float, -32768.00f);
  TEST(short, float, -32767.75f);
  TEST(short, float, -32767.25f);
  TEST(short, float, -32767.00f);
  TEST(short, float, -32766.00f);
  TEST(short, float, +32766.00f);
  TEST(short, float, +32767.00f);
  TEST(short, float, +32767.25f);
  TEST(short, float, +32767.75f);
  TEST(short, float, +32768.00f);
  TEST(short, float, +32768.50f);
  TEST(short, float, +32769.00f);

  TEST(int, float, -2147483904.00f);
  TEST(int, float, -2147483648.00f);
  TEST(int, float, -16777218.00f);
  TEST(int, float, -16777216.00f);
  TEST(int, float, -16777215.00f);
  TEST(int, float, +16777215.00f);
  TEST(int, float, +16777216.00f);
  TEST(int, float, +16777218.00f);
  TEST(int, float, +2147483648.00f);
  TEST(int, float, +2147483904.00f);

  TEST(int, double, -2147483649.00);
  TEST(int, double, -2147483648.00);
  TEST(int, double, -2147483647.75);
  TEST(int, double, -2147483647.25);
  TEST(int, double, -2147483647.00);
  TEST(int, double, +2147483647.00);
  TEST(int, double, +2147483647.25);
  TEST(int, double, +2147483647.75);
  TEST(int, double, +2147483648.00);
  TEST(int, double, +2147483649.00);

  TEST(unsigned, double,          -1.00);
  TEST(unsigned, double,          +1.00);
  TEST(unsigned, double, +4294967295.00);
  TEST(unsigned, double, +4294967295.25);
  TEST(unsigned, double, +4294967295.75);
  TEST(unsigned, double, +4294967296.00);
  TEST(unsigned, double, +4294967297.00);

  return 0;
}

输出(ideone 打印与我的 PC 相同):

float -> short:          -1.75 -> -1
float -> short:          -1.25 -> -1
float -> short:             +0 -> +0
float -> short:          +1.25 -> +1
float -> short:          +1.75 -> +1
float -> short:         -32769 -> -32768
float -> short:       -32768.5 -> -32768
float -> short:         -32768 -> -32768
float -> short:      -32767.75 -> -32767
float -> short:      -32767.25 -> -32767
float -> short:         -32767 -> -32767
float -> short:         -32766 -> -32766
float -> short:         +32766 -> +32766
float -> short:         +32767 -> +32767
float -> short:      +32767.25 -> +32767
float -> short:      +32767.75 -> +32767
float -> short:         +32768 -> +32767
float -> short:       +32768.5 -> +32767
float -> short:         +32769 -> +32767
float -> int:    -2147483904 -> -2147483648
float -> int:    -2147483648 -> -2147483648
float -> int:      -16777218 -> -16777218
float -> int:      -16777216 -> -16777216
float -> int:      -16777215 -> -16777215
float -> int:      +16777215 -> +16777215
float -> int:      +16777216 -> +16777216
float -> int:      +16777218 -> +16777218
float -> int:    +2147483648 -> +2147483647
float -> int:    +2147483904 -> +2147483647
double -> int:    -2147483649 -> -2147483648
double -> int:    -2147483648 -> -2147483648
double -> int: -2147483647.75 -> -2147483647
double -> int: -2147483647.25 -> -2147483647
double -> int:    -2147483647 -> -2147483647
double -> int:    +2147483647 -> +2147483647
double -> int: +2147483647.25 -> +2147483647
double -> int: +2147483647.75 -> +2147483647
double -> int:    +2147483648 -> +2147483647
double -> int:    +2147483649 -> +2147483647
double -> unsigned:             -1 -> 0
double -> unsigned:             +1 -> 1
double -> unsigned:    +4294967295 -> 4294967295
double -> unsigned: +4294967295.25 -> 4294967295
double -> unsigned: +4294967295.75 -> 4294967295
double -> unsigned:    +4294967296 -> 4294967295
double -> unsigned:    +4294967297 -> 4294967295

【讨论】:

  • 我收回那个[评论]。装配输出看起来很合理。起初编译器内联了对truncAndCap()的调用,这就是为什么我在转换代码附近看到很多不相关的东西(与std::cout相关)。添加-fno-inline 表明truncAndCap() 很短。
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