Python中如何区分不同类型的NaN浮点数

Question

我正在编写通过 Windows 中的 COM 与 NI TestStand 4.2 交互的 Python 2.6 代码。我想为变量创建一个“NAN”值，但如果我将其传递给float('nan')，TestStand 会将其显示为IND。

显然，TestStand 区分浮点“IND”和“NAN”值。根据TestStand help：

• IND 对应于 Visual C++ 中的 Signaling NaN，而
• NAN 对应于 QuietNaN

这意味着 Python 的 float('nan') 在通过 COM 传递时实际上是 Signaling NaN。然而，从我读到的关于 Signaling NaN 的内容来看，似乎 Signaling NaN 有点“异国情调”，而 Quiet NaN 是你的“常规”NaN。所以我怀疑 Python 是否会通过 COM 传递 Signaling NaN。 我如何知道 Python float('nan') 是否作为 Signaling NaN 或 Quiet NaN 或 Indeterminate 通过 COM ?

在与其他语言交互时，有没有办法在 Python 中制作 Signaling NaN 与 QuietNaN 或 Indeterminate？ （也许使用ctypes？）我认为这将是一个特定于平台的解决方案，在这种情况下我会接受。

更新：在 TestStand 序列编辑器中，我尝试创建两个变量，一个设置为NAN，另一个设置为IND。然后我把它保存到一个文件中。然后我打开文件并使用 Python 读取每个变量。在这两种情况下，Python 都将它们读取为 nan 浮点数。

Answer 1

我为您挖掘了一点，我认为您可以结合Kevin's Summary Charts 上的信息使用struct 模块。他们解释了用于各种 IEEE 754 浮点数的确切位模式。

如果我阅读有关此 IND-eterminate 值的主题，您可能需要注意的唯一一件事是，当直接在 C 代码中分配时，该值往往会触发某种浮点中断，导致它被变成一个普通的NaN。这反过来意味着这些人被建议在 ASM 而不是 C 中做这种事情，因为 C 抽象了那些东西。因为这不是我的领域，而且我不确定这种价值会在多大程度上混淆Python，我想我会提到它，这样你至少可以留意任何这种奇怪的行为。 （请参阅this question 接受的答案）。

>>> import struct

>>> struct.pack(">d", float('nan')).encode("hex_codec")
'fff8000000000000'

>>> import scipy
>>> struct.pack(">d", scipy.nan).encode("hex_codec")
'7ff8000000000000'

参考Kevin's Summary Charts，这表明float('nan') 在技术上实际上是 Indeterminate 值，而scipy.nan 是 Quiet NaN。

让我们尝试制作一个 Signaling NaN，然后​​验证它。

>>> try_signaling_nan = struct.unpack(">d", "\x7f\xf0\x00\x00\x00\x00\x00\x01")[0]
>>> struct.pack(">d", try_signaling_nan).encode("hex_codec")
'7ff8000000000001'

不，Signaling NaN 被转换为 Quiet NaN。

现在让我们尝试直接制作一个 Quiet NaN，然后​​验证它。

>>> try_quiet_nan = struct.unpack(">d", "\x7f\xf8\x00\x00\x00\x00\x00\x00")[0]
>>> struct.pack(">d", try_quiet_nan).encode("hex_codec")
'7ff8000000000000'

这就是如何使用struct.unpack() 制作正确的 Quiet NaN——至少在 Windows 平台上是这样。

Answer 2

nan的CPython定义

当 Python 报告 nan 时，这是从哪里来的？

• 计算结果（平台特定值？）
• CPython C 源代码中的Py_NAN
  • 定义为(Py_HUGE_VAL * 0.)
    • 值是特定于平台的
    • Py_HUGE_VAL 可能被定义为HUGE_VAL——它有一个注释说它应该是HUGE_VAL，除非在它被破坏的平台上。
• float('nan') 定义自 CPython 的 C 源代码中的 Py_NAN。

阅读 Python 和 pywin32 源代码

我查看了pywin32 的C 源代码，特别是win32com，它构成了Python↔COM 转换层。该代码：

• 获取输入对象
• 调用 PyNumber_Float() 将其转换为 Python float（如果还没有的话）
• 调用PyFloat_AsDouble() 将其转换为纯C double 值。
  • 这只是返回直接包含在PyFloatObject成员ob_fval中的Cdouble。

所以看起来我已经从 COM 接口追踪 NaN 回到包含 Py_NAN 的普通 C double 类型，无论结果是在 Windows 平台上。

TestStand NAN 值

现在我已经用 NI TestStand 进行了尝试。首先我尝试了：

quiet_nan = struct.unpack(">d", "\x7f\xf8\x00\x00\x00\x00\x00\x01")[0]
# Set the variable's value in TestStand
locals_prop_object.SetValNumber(var_name, 0, quiet_nan)

但这仍然以IND 的形式出现在TestStand 中。然后我创建了一个 TestStand 文件，变量设置为IND 和NAN，并从 Python 读取值。事实证明，TestStand 的NAN 的值为FFFF000000000001。根据Kevin's Summary Charts，这是一个否定安静的 NAN。 TestStand 的IND 确实具有Indeterminate 的预期值FFF8000000000000。

成功

所以，毕竟，我已经成功地从 Python 中在 TestStand 中设置了一个 NAN：

# Make a NAN suitable for TestStand
teststand_nan = struct.unpack(">d", "\xff\xff\x00\x00\x00\x00\x00\x01")[0]
# Set the variable's value in TestStand
locals_prop_object.SetValNumber(var_name, 0, teststand_nan)

Answer 3

John Cook 对此发表了一篇不错的帖子，可能会有所帮助：

• IEEE floating point arithmetic in Python

更新：这不行吗？

In [144]: import scipy

In [145]: scipy.nan
Out[145]: 1.#QNAN

In [146]: scipy.inf
Out[146]: 1.#INF

In [147]: scipy.inf * 0
Out[147]: -1.#IND

Answer 4

据我所知，认为NaN 的符号决定它是否安静似乎有些混乱。相反，惯例是尾数的最高有效位决定了这一点。来自Wikipedia（强调）：

在符合 IEEE 754 标准的浮点存储格式中，NaN 由 NaN 独有的特定预定义位模式标识。 符号位无关紧要。二进制格式 NaN 用填充了 1 的指数字段（如无穷大值）和有效数字字段中的一些非零数字表示（以使它们与无穷大值不同）。 1985 年的原始 IEEE 754 标准 (IEEE 754-1985) 仅描述了二进制浮点格式，并没有指定如何标记信令/安静状态。在实践中，有效位字段的最高有效位决定了 NaN 是信令还是安静...... IEEE 754 标准 (IEEE 754-2008) 的 2008 年修订版对信令/安静状态的编码提出了正式建议。 对于二进制格式，有效位字段的最高有效位应该是一个“is_quiet”标志。 IE。如果 NaN 是安静的，则该位非零，如果 NaN 正在发出信号，则该位为零。

由于大多数实现都符合 IEEE 754-2008，因此这是您应该遵循的约定。通常，您无法计划对 NaN 的符号位保持一致，即使对于同一平台上的不同 NaN 也是如此。根据这个约定，float('nan') 和 scipy.nan 似乎都是安静的 NaN，至少在上面讨论的情况下是这样。