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我去,臉皮厚啊,你竟然使用==比較浮點數?

2020-09-30 09:56:21 後端開發

先看再點贊,給自己一點思考的時間,思考過后請毫不猶豫微信搜索【沉默王二】,關注這個長發飄飄卻靠才華茍且的程式員,
本文 GitHub github.com/itwanger 已收錄,里面還有技術大佬整理的面試題,以及二哥的系列文章,

老讀者都知道了,我在九朝古都洛陽的一家小作坊式的公司作業,身兼數職,談業務、敲代碼的同時帶兩個新人,其中一個就是大家熟知的小王,經常犯錯,被我寫到文章里,

不過,小王的心態一直很不錯,他不覺得被我批評有什么丟人的,反而每次讀完我的文章后覺得自己又升級了,因此,我覺得小王大有前途,再這么干個一兩年,老板要是覺得我的性價比低了,沒準就把我辭退留下小王了,一想到這,我竟然枯燥一笑了,

那天,我閑來無聊,就準備偷偷 review 一下小王的代碼,看能不能雞蛋里挑點骨頭,沒想到,還真的被我挑到了,

double d1 = .0;
for (int i = 1; i <= 11; i++) {
    d1 += .1;
}

double d2 = .1 * 11;

System.out.println(d1 == d2);

小王這段代碼蠻炫技的,其實,尤其是 .0.1 的寫法,我平常都老實巴交的寫成 0.00.1,從來沒想著要把小數點前面的 0 省略,

按照正常的邏輯來看,d1 在經過 11 次回圈加 .1 后的結果應該是 1.1,d2 通過 .1 乘以 11 后的結果也應該是 1.1,最后列印出來的結果應該是 true,對吧?小王應該也是這么期待的,我覺得,

但我當時硬是沒忍住我的暴脾氣,破口大罵:“我擦,小王,你竟然敢用 == 比較浮點數,這不是找刺激嗎?”

如果有讀者也覺得輸出結果是 true 的話,可以把上面這段代碼在本地運行一下,輸出的結果一定會出乎你的意料,

false

對,false,我沒騙你,如何正確地比較浮點數(單精度的 float 和雙精度的 double),不單單是 Java 特定的問題,很多編程語言的初學者也會遇到同樣的問題,在計算機的記憶體中,存盤浮點數時使用的是 IEEE 754 標準,就會有精度的問題,至于實際上的存盤轉換程序,這篇文章不做過多的探討,

(主要是我太菜了,探討的程序很枯燥,一點都不有趣,嚴謹地理論推導就交給那些真正的技術大佬們吧,我就不獻丑了,)

同學們只需要知道,存盤和轉換的程序中浮點數容易引起一些較小的舍入誤差,正是這個原因,導致在比較浮點數的時候,不能使用“==”運算子——要求嚴格意義上的完全相等,

再來看一下小王的代碼,我們把 d1 和 d2 列印出來,看看它們的值到底是什么,

d1:1.0999999999999999
d2:1.1

怪不得“==”的時候輸出 false,原來 d1 的值有一些誤差,并不是我們預期的 1.1,既然“==”不能用來比較浮點數,那么小王就得挨罵,這邏輯講得通吧?

那這個問題該怎么解決呢?

對于浮點數的存盤和轉化問題,我表示無能為力,這是實在話,計算機的底層問題,駕馭不了,但是,可以通過一些折中的辦法,比如說允許兩個值之間有點誤差(指定一個閾值),小到 0.000000…..1,具體多少個 0 懶得數了,反正特別小,那么我們就認為兩個浮點數是相等的,

第一種方案就是使用 Math.abs() 方法來計算兩個浮點數之間的差異,如果這個差異在閾值范圍之內,我們就認為兩個浮點數是相等,

final double THRESHOLD = .0001;

double d1 = .0;
for (int i = 1; i <= 11; i++) {
    d1 += .1;
}

double d2 = .1 * 11;

if(Math.abs(d1-d2) < THRESHOLD) {
    System.out.println("d1 和 d2 相等");
else {
    System.out.println("d1 和 d2 不等");
}

Math.abs() 方法用來回傳 double 的絕對值,如果 double 小于 0,則回傳 double 的正值,否則回傳 double,也就是說,abs() 后的結果絕對大于 0,如果結果小于閾值(THRESHOLD),我們就認為 d1 和 d2 相等,

第二種解決方案就是使用 BigDecimal 類,可以指定要舍入的模式和精度,這樣就可以解決舍入的誤差,

可以使用 BigDecimal 類的 compareTo() 方法對兩個數進行比較,該方法將會忽略小數點后的位數,怎么理解這句話呢?比如說 2.0 和 2.00 的位數不同,但它倆的值是相等的,

如果 a 小于 b,則該方法回傳 -1,如果相等,則回傳 0,否則回傳 -1,

注意,千萬不要使用 equals() 方法對兩個 BigDecimal 物件進行比較,這是因為 equals() 方法會考慮位數,如果位數不同,則會回傳 false,盡管數學值是相等的,

BigDecimal a = new BigDecimal("2.00");
BigDecimal b = new BigDecimal("2.0");

System.out.println(a.equals(b));
System.out.println(a.compareTo(b) == 0);

a.equals(b) 的結果就為 false,因為 2.00 和 2.0 小數點后的位數不同,但 a.compareTo(b) == 0 的結果就為 true,因為 2.00 和 2.0 在數學層面的值的確是相等的,

compareTo() 方法比較的程序非常嚴謹,感興趣的同學可以查看一下原始碼,其中位數不同的時候,會執行以下方法進行比較,

private int compareMagnitude(BigDecimal val) {
    // Match scales, avoid unnecessary inflation
    long ys = val.intCompact;
    long xs = this.intCompact;
    if (xs == 0)
        return (ys == 0) ? 0 : -1;
    if (ys == 0)
        return 1;

    long sdiff = (long)this.scale - val.scale;
    if (sdiff != 0) {
        // Avoid matching scales if the (adjusted) exponents differ
        long xae = (long)this.precision() - this.scale;   // [-1]
        long yae = (long)val.precision() - val.scale;     // [-1]
        if (xae < yae)
            return -1;
        if (xae > yae)
            return 1;
        if (sdiff < 0) {
            // The cases sdiff <= Integer.MIN_VALUE intentionally fall through.
            if ( sdiff > Integer.MIN_VALUE &&
                    (xs == INFLATED ||
                            (xs = longMultiplyPowerTen(xs, (int)-sdiff)) == INFLATED) &&
                    ys == INFLATED) {
                BigInteger rb = bigMultiplyPowerTen((int)-sdiff);
                return rb.compareMagnitude(val.intVal);
            }
        } else { // sdiff > 0
            // The cases sdiff > Integer.MAX_VALUE intentionally fall through.
            if ( sdiff <= Integer.MAX_VALUE &&
                    (ys == INFLATED ||
                            (ys = longMultiplyPowerTen(ys, (int)sdiff)) == INFLATED) &&
                    xs == INFLATED) {
                BigInteger rb = val.bigMultiplyPowerTen((int)sdiff);
                return this.intVal.compareMagnitude(rb);
            }
        }
    }
    if (xs != INFLATED)
        return (ys != INFLATED) ? longCompareMagnitude(xs, ys) : -1;
    else if (ys != INFLATED)
        return 1;
    else
        return this.intVal.compareMagnitude(val.intVal);
}

好了,現在讓我們使用 BigDecimal 來解決精度問題吧,

BigDecimal d1 = new BigDecimal("0.0");
BigDecimal pointOne = new BigDecimal("0.1");
for (int i = 1; i <= 11; i++) {
    d1 = d1.add(pointOne);
}

BigDecimal d2 = new BigDecimal("0.1");
BigDecimal eleven = new BigDecimal("11");
d2 = d2.multiply(eleven);

System.out.println("d1 = " + d1);
System.out.println("d2 = " + d2);

System.out.println(d1.compareTo(d2));

程式輸出的結果如下:

d1 = 1.1
d2 = 1.1
0

d1 和 d2 都為 1.1,所以 compareTo() 的結果就為 0,表示兩個值是相等的,

總結一下,在遇到浮點數的時候,千萬不要使用“==”運算子來進行比較,因為有精度問題,要么使用閾值來忽略舍入的問題,要么使用 BigDecimal 來替代 double 或者 float,

等會我就把這篇文章發給小王看看,同學們順手點個贊??,讓小王不再感到那么孤單寂寞和冷,


我是沉默王二,一枚有顏值卻靠才華茍且的程式員,關注即可提升學習效率,別忘了三連啊,點贊、收藏、留言,我不挑,奧利給

注:如果文章有任何問題,歡迎毫不留情地指正,

很多讀者都同情我說,“二哥,你像母豬似的日更原創累不累?”我只能說寫作不易,且行且珍惜啊,關鍵是我真的喜歡寫作,最后,歡迎微信搜索「沉默王二」第一時間閱讀,回復「簡歷」更有阿里大佬的簡歷模板,本文 GitHub github.com/itwanger 已收錄,歡迎 star,

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