Плавающая/двойная точность в режимах отладки/выпуска.
-
01-07-2019 - |
Вопрос
Различаются ли операции с плавающей запятой C#/.NET по точности в режиме отладки и режиме выпуска?
Решение
Они действительно могут быть разными.Согласно спецификации CLR ECMA:
Места хранилища для номеров с плавающей точкой (статика, элементы массива и поля классов) имеют фиксированный размер.Поддерживаемые размеры хранилища являются Float32 и Float64.Повсюду (в стеке оценки, как аргументы, в качестве типов возврата и в качестве локальных переменных), номера плавания представлены с использованием внутреннего типа с плавающей точкой.В каждом таком экземпляре номинальным типом переменной или выражения является либо R4, либо R8, но его значение может быть представлено внутри дополнительного диапазона и/или точности.Размер внутреннего представления с плавающей точкой зависит от реализации, может варьироваться и обладать точностью, по крайней мере, такой же великой, как и представленная переменная или выражение.Неявное расширение преобразования во внутреннее представление от Float32 или Float64 выполняется, когда эти типы загружаются из хранилища.Внутреннее представление, как правило, является собственным размером для аппаратного обеспечения или, как требуется для эффективной реализации операции.
По сути, это означает, что следующее сравнение может быть равным, а может и не быть равным:
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?).
}
}
}
Сообщение на дом:никогда не проверяйте плавающие значения на равенство.
Другие советы
Это интересный вопрос, поэтому я провел небольшой эксперимент.Я использовал этот код:
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");
}
}
используя DevStudio 2005 и .Net 2.Я скомпилировал как отладочную, так и релизную версию и проверил вывод компилятора:
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
}
Вышеупомянутое показывает, что код с плавающей запятой одинаков как для отладки, так и для выпуска, компилятор выбирает согласованность, а не оптимизацию.Хотя программа выдает неверный результат (a * a не меньше b), он один и тот же независимо от режима отладки/выпуска.
Теперь, когда FPU Intel IA32 имеет восемь регистров с плавающей запятой, можно подумать, что компилятор будет использовать регистры для хранения значений при оптимизации, а не записи в память, тем самым улучшая производительность, что-то вроде:
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
но это будет выполняться иначе, чем в отладочной версии (в этом случае будет отображаться правильный результат).Однако менять поведение программы в зависимости от вариантов сборки — это очень плохо.
Код FPU — это одна из областей, где ручное создание кода может значительно превзойти компилятор, но вам нужно разобраться, как работает FPU.
Фактически, они могут различаться, если в режиме отладки используется FPU x87, а в режиме выпуска используется SSE для операций с плавающей запятой.
В ответ на просьбу Фрэнка Крюгера выше (в комментариях) о демонстрации разницы:
Скомпилируйте этот код в GCC без оптимизации и -mfpmath = 387 (у меня нет причин думать, что он не будет работать на других компиляторах, но я не пробовал.) Затем составьте его без оптимизации и -msse -mfpmath = SSE
Результат будет отличаться.
#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;
}
Вот простой пример, где результаты не только различаются в режимах отладки и выпуска, но и способ, которым они это делают, зависит от того, используется ли платформа x86 или x84:
Single f1 = 0.00000000002f;
Single f2 = 1 / f1;
Double d = f2;
Console.WriteLine(d);
Это записывает следующие результаты:
Debug Release
x86 49999998976 50000000199,7901
x64 49999998976 49999998976
Беглый взгляд на дизассемблирование (Отладка -> Windows -> Дизассемблирование в Visual Studio) дает некоторые подсказки о том, что здесь происходит.Для случая x86:
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
В частности, мы видим, что ряд, казалось бы, избыточных операций «сохранить значение из регистра с плавающей запятой в памяти, а затем немедленно загрузить его обратно из памяти в регистр с плавающей запятой» были оптимизированы в режиме выпуска.Однако две инструкции
fstp dword ptr [ebp-44h]
fld dword ptr [ebp-44h]
достаточно изменить значение в регистре x87 с +5.0000000199790138e+0010 на +4.9999998976000000e+0010, в чем можно убедиться, пройдя дизассемблирование и исследовав значения соответствующих регистров (Отладка -> Windows -> Регистры, затем вправо нажмите и отметьте «Плавающая точка»).
История с x64 совершенно иная.Мы по-прежнему видим ту же оптимизацию, удаляющую несколько инструкций, но на этот раз все зависит от SSE с его 128-битными регистрами и выделенным набором инструкций:
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
Здесь, поскольку модуль SSE избегает внутреннего использования более высокой точности, чем одинарная точность (в то время как модуль x87 это делает), мы в конечном итоге получаем результат «одинарной точности», как в случае x86, независимо от оптимизации.Действительно, можно обнаружить (после включения регистров SSE в обзоре регистров Visual Studio), что после vdivss
, XMM0 содержит 0000000000000000-00000000513A43B7, что в точности соответствует предыдущему числу 49999998976.
Оба несоответствия укусили меня на практике.Помимо иллюстрации того, что никогда не следует сравнивать равенство чисел с плавающей запятой, этот пример также показывает, что в языке высокого уровня, таком как C#, еще есть место для отладки ассемблера, как только появляются числа с плавающей точкой.