调试/发布模式下的浮点/双精度
https://stackoverflow.com/questions/90751
-
01-07-2019 - |
italiano
english
français
española
中国
日本の
العربية
Deutsch
한국어
Português
Russian题
C#/.NET 浮点运算在调试模式和发布模式之间的精度是否有所不同？
解决方案
他们确实可以不同。根据 CLR ECMA 规范：
浮点数（静态，数组元素和类的字段）的存储位置为固定尺寸。支持的存储尺寸为Float32和Float64。其他任何地方（在评估堆栈中，作为参数，作为返回类型和本地变量）使用内部浮点类型表示浮点数。在每个这样的例子中，变量或表达式的名义类型为R4或R8，但其值可以在内部以其他范围和/或精度表示。内部浮点表示的大小取决于实现，可能会变化，并且至少具有与所表示的变量或表达式一样大的精度。当从存储中加载这些类型时，将执行从float32或float64的内部表示形式的隐式扩展转换。内部表示通常是硬件的本地大小，或者是有效实现操作所需的。
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?).
}
}
}
带回家的消息：永远不要检查浮点值是否相等。
其他提示
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。我编译为调试和发布，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。尽管程序产生错误的结果（a * a 不小于 b），但无论调试/发布模式如何，结果都是相同的。
现在，Intel 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寄存器来存储值而不是写入内存，从而提高性能，大致如下：
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
但这的执行方式与调试版本不同（在这种情况下，显示正确的结果）。然而，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的性能可以显着优于编译器的领域之一，但您确实需要了解 FPU 的工作方式。
事实上，如果调试模式使用 x87 FPU 而发布模式使用 SSE 进行浮点运算，它们可能会有所不同。
为了回应 Frank Krueger 上面（在评论中）展示差异的请求：
在没有优化的情况下在GCC中编译此代码，并且-MFPMATH = 387（我没有理由认为它在其他编译器上不起作用，但我没有尝试过。 SSE。
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;
}
下面是一个简单的示例，其中结果不仅在调试模式和发布模式之间有所不同，而且其执行方式也取决于使用 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
快速浏览一下反汇编（Visual Studio 中的“调试”->“Windows”->“反汇编”）会给出有关此处发生情况的一些提示。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加载回浮点寄存器”在释放模式下已被优化掉。然而，这两个指令
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并调查相关寄存器的值来进行验证（调试 -> Windows -> 寄存器，然后向右单击并选中“浮点”）。
x64 的情况则截然不同。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
在这里，由于 SSE 单元避免在内部使用比单精度更高的精度（而 x87 单元却这样做），因此无论优化如何，我们最终都会得到 x86 情况的“单精度左右”结果。事实上，人们发现（在 Visual Studio 寄存器概述中启用 SSE 寄存器之后） vdivss, ，XMM0 包含 0000000000000000-00000000513A43B7，这正是之前的 49999998976。
这两种差异在实践中都困扰着我。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，高级语言（例如 C#）中仍然存在汇编调试的空间。
