我们有一些代码会在某些机器上产生意外结果。我把它缩小到一个简单的例子。在下面的linqpad片段中,方法GetVal
和GetVal2
具有基本相同的实现,但前者还包括对NaN的检查。但是,每个返回的结果都不同(至少在我的机器上)。
void Main()
{
var x = Double.MinValue;
var y = Double.MaxValue;
var diff = y/10 - x/10;
Console.WriteLine(GetVal(x,6,diff));
Console.WriteLine(GetVal2(x,6,diff));
}
public static double GetVal(double start, int numSteps, double step)
{
var res = start + numSteps * step;
if (res == Double.NaN)
throw new InvalidOperationException();
return res;
}
public static double GetVal2(double start, int numSteps, double step)
{
return start + numSteps * step;
}
结果
3.59538626972463E+307
Infinity
为什么会发生这种情况,是否有一种避免它的简单方法?与寄存器有关吗?
答案 0 :(得分:1)
您没有指定环境和编译选项,但我已经能够在 .NET Standard 4.8 中以 32 位发布模式重现您的问题,其中输出是
3,59538626972463E+307
∞
在32位调试模式下结果是这样的
3,59538626972463E+307
3,59538626972463E+307
在 64 位模式下,结果始终如下
∞
∞
这是因为在 32 位 .NET Standard 中,浮点运算是使用 80 位扩展浮点格式的 x87 指令完成的。 numSteps * step
不适合 double
并导致无穷大,但在扩展精度中它不会溢出并且最终结果适合 double
。在计算表达式时,有时必须将中间值溢出到内存以释放一些寄存器,这会将值转换为 double
精度。因此,相同的表达式可能会产生不同的结果。影响结果的另一件事是编译器优化:这里的 GetVal2
是由编译器预先计算的,它以 double
精度执行所有操作。你可以很容易地看到编译器只是从内存中加载常量结果,而不是在下面的反汇编中调用 GetVal2
§
这种现象在 64 位模式下永远不会发生,无论是 Debug 还是 Release 以及 .NET Standard 或 .NET Core,因为 64 位中的数学是总是在 SSE 寄存器中完成。它也无法在 .NET Core 中重现,因为 .NET Core 也使用 SSE 寄存器来进行浮点数学运算,即使在 32 位中也是如此。您可以通过在 VS 中调试并查看反汇编来轻松检查。这是有道理的,因为 SSE 速度更快,结果更具确定性,而且过去 20 年中几乎所有现代计算机都支持 SSE
要避免这种非确定性功能,最简单的方法是完全避免使用 32 位 x86,或者转移到 .NET Core,在那里确定性更有保证。否则,您将不得不使用一些 3rd 方库。见
有很多类似的问题:
在 C 和 C++ 中使用 FLT_EVAL_METHOD > 1
时存在相同的问题。
§ 这是带有我的评论的完整反汇编列表。许多行消失了,因为它们被优化了
namespace FloatDeterminism { class Program { static void Main(string[] args) { var x = Double.MinValue; 02C40848 55 push ebp 02C40849 8B EC mov ebp,esp 02C4084B DD 05 90 08 C4 02 fld qword ptr [FloatDeterminism.Program.Main(System.String[])+048h (02C40890h)] # Load -1.7976931348623157e+308 02C40851 83 EC 08 sub esp,8 02C40854 DD 1C 24 fstp qword ptr [esp] 02C40857 DD 05 98 08 C4 02 fld qword ptr [FloatDeterminism.Program.Main(System.String[])+050h (02C40898h)] # Load 3.5953862697246315e+307 02C4085D 83 EC 08 sub esp,8 02C40860 DD 1C 24 fstp qword ptr [esp] 02C40863 B9 06 00 00 00 mov ecx,6 02C40868 FF 15 60 4D 1C 01 call dword ptr [Pointer to: FloatDeterminism.Program.GetVal(Double, Int32, Double) (011C4D60h)] # Call GetVal() 02C4086E 83 EC 08 sub esp,8 02C40871 DD 1C 24 fstp qword ptr [esp] 02C40874 E8 7F 10 2F 70 call System.Console.WriteLine(Double) (72F318F8h) # Print GetVal() 02C40879 DD 05 A0 08 C4 02 fld qword ptr [FloatDeterminism.Program.Main(System.String[])+058h (02C408A0h)] # Load inf 02C4087F 83 EC 08 sub esp,8 02C40882 DD 1C 24 fstp qword ptr [esp] 02C40885 E8 6E 10 2F 70 call System.Console.WriteLine(Double) (72F318F8h) # Print GetVal2() = inf 02C4088A 5D pop ebp 02C4088B C3 ret Console.WriteLine(GetVal2(x, 6, diff)); 02C4088C 00 00 add byte ptr [eax],al 02C4088E 00 00 add byte ptr [eax],al 02C40890 FF ?? ?????? 02C40891 FF ?? ?????? 02C40892 FF ?? ?????? 02C40893 FF ?? ?????? 02C40894 FF ?? ?????? 02C40895 FF ?? ?????? Console.WriteLine(GetVal2(x, 6, diff)); 02C40896 EF out dx,eax 02C40897 FF 99 99 99 99 99 call fword ptr [ecx-66666667h] 02C4089D 99 cdq 02C4089E C9 leave 02C4089F 7F 00 jg FloatDeterminism.Program.Main(System.String[])+059h (02C408A1h) 02C408A1 00 00 add byte ptr [eax],al 02C408A3 00 00 add byte ptr [eax],al 02C408A5 00 F0 add al,dh 02C408A7 7F 20 jg FloatDeterminism.Program.GetVal(Double, Int32, Double)+011h (02C408C9h) 02C408A9 13 1C 01 adc ebx,dword ptr [ecx+eax] 02C408AC 00 00 add byte ptr [eax],al 02C408AE 00 00 add byte ptr [eax],al 02C408B0 14 13 adc al,13h 02C408B2 1C 01 sbb al,1 02C408B4 58 pop eax 02C408B5 4D dec ebp 02C408B6 1C 01 sbb al,1 public static double GetVal(double start, int numSteps, double step) { var res = start + numSteps * step; 02C408B8 56 push esi 02C408B9 50 push eax 02C408BA 89 0C 24 mov dword ptr [esp],ecx 02C408BD DB 04 24 fild dword ptr [esp] 02C408C0 DC 4C 24 0C fmul qword ptr [esp+0Ch] 02C408C4 DC 44 24 14 fadd qword ptr [esp+14h] 02C408C8 DD 05 00 09 C4 02 fld qword ptr [FloatDeterminism.Program.GetVal(Double, Int32, Double)+048h (02C40900h)] 02C408CE DF F1 fcomip st,st(1) # Check for NaN 02C408D0 7A 06 jp FloatDeterminism.Program.GetVal(Double, Int32, Double)+020h (02C408D8h) 02C408D2 75 04 jne FloatDeterminism.Program.GetVal(Double, Int32, Double)+020h (02C408D8h) 02C408D4 DD D8 fstp st(0) 02C408D6 EB 05 jmp FloatDeterminism.Program.GetVal(Double, Int32, Double)+025h (02C408DDh) 02C408D8 59 pop ecx 02C408D9 5E pop esi 02C408DA C2 10 00 ret 10h 02C408DD B9 74 D6 3F 72 mov ecx,723FD674h 02C408E2 E8 0D 28 57 FE call CORINFO_HELP_NEWSFAST (011B30F4h) 02C408E7 8B F0 mov esi,eax 02C408E9 8B CE mov ecx,esi throw new InvalidOperationException(); 02C408EB FF 15 AC D6 3F 72 call dword ptr [Pointer to: System.InvalidOperationException..ctor() (723FD6ACh)] 02C408F1 8B CE mov ecx,esi 02C408F3 E8 88 2D 9D 71 call 74613680 02C408F8 CC int 3 02C408F9 CC int 3