如何以字节为单位浮点数？

Question

我正在使用 HIDAPI 将一些数据发送到 USB 设备。此数据只能作为 byte 数组发送，我需要在此数据数组中发送一些 float 数字。我知道花车有4 字节。所以我认为这可能有效：

float f = 0.6;
char data[4];

data[0] = (int) f >> 24;
data[1] = (int) f >> 16;
data[2] = (int) f >> 8;
data[3] = (int) f;

后来我要做的就是：

g = (float)((data[0] << 24) | (data[1] << 16) | (data[2] << 8) | (data[3]) );

但是测试这表明我像data[0] = (int) f >> 24; 这样的行总是返回0。我的代码有什么问题以及如何正确执行此操作（即，在 4 char 字节中破坏 float 内部数据并稍后重建相同的 float）？

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编辑：

我能够使用以下代码完成此操作：

float f = 0.1;
unsigned char *pc;
pc = (unsigned char*)&f;

// 0.6 in float
pc[0] = 0x9A;
pc[1] = 0x99;
pc[2] = 0x19;
pc[3] = 0x3F;

std::cout << f << std::endl; // will print 0.6

和

*(unsigned int*)&f = (0x3F << 24) | (0x19 << 16) | (0x99 << 8) | (0x9A << 0);

我知道memcpy() 是一种“更干净”的方式，但我认为这种方式的性能要好一些。

Answer 1

在标准 C 中，保证任何类型都可以作为字节数组访问。 当然，直接的方法是使用联合：

 #include <stdio.h> 

 int main(void)
 {
    float x = 0x1.0p-3; /* 2^(-3) in hexa */

    union float_bytes {
       float val;
       unsigned char bytes[sizeof(float)];
    } data;

    data.val = x;
    for (int i = 0; i < sizeof(float); i++) 
          printf("Byte %d: %.2x\n", i, data.bytes[i]);

    data.val *= 2;   /* Doing something with the float value */
    x = data.val;    /* Retrieving the float value           */
    printf("%.4f\n", data.val);

    getchar();
 }

如您所见，完全没有必要使用 memcpy 或指针...

union 方法易于理解、标准且快速。

编辑。

我将解释为什么这种方法在 C (C99) 中有效。

• [5.2.4.2.1(1)] 一个字节有CHAR_BIT 位（整数常量>= 8，在几乎情况下是8）。
• [6.2.6.1(3)] unsigned char 类型使用它的所有位来表示对象的值，它是一个非负整数，以纯二进制表示。这意味着没有填充位或用于任何其他额外目的的位。 （signed char 或 char 类型不保证同样的事情）。
• [6.2.6.1(2)] 每个非位域类型在内存中都表示为连续的字节序列。
• [6.2.6.1(4)]（引用）“存储在任何其他对象类型的非位字段对象中的值由 n × CHAR_BIT 位组成，其中 n 是该对象的大小类型，以字节为单位。该值可以复制到 unsigned char [n] 类型的对象中（例如，通过 memcpy）；[...]"
• [6.7.2.1(14)] 一个指向结构对象（特别是联合）的指针，经过适当的转换，指向它的初始成员。 （因此，联合的开头没有填充字节）。
• [6.5(7)]可以通过字符类型访问对象的内容：

一个对象的存储值只能由具有以下之一的左值表达式访问 以下类型：
— 与对象的有效类型兼容的类型，
— 与对象的有效类型兼容的类型的限定版本，
— 对应于有效类型的有符号或无符号类型 对象,
— 一种类型，它是有符号或无符号类型，对应于 对象的有效类型，
— 聚合或联合类型，其中包括上述类型之一 成员（递归地包括子聚合或包含联合的成员），或
— 一种字符类型

更多信息：

A discussion in google groups
Type-punning

编辑 2

标准 C99 的另一个细节：

• [6.5.2.3(3) 脚注 82] 类型双关是允许的：

如果用于访问联合对象内容的成员与上次用于访问的成员不同 在对象中存储一个值，该值的对象表示的适当部分被重新解释 作为 6.2.6 中描述的新类型中的对象表示（有时称为“类型 punning")。这可能是一个陷阱表示。

Answer 2

你可以这样做：

char data[sizeof(float)];


float f = 0.6f;

memcpy(data, &f, sizeof f);    // send data


float g;

memcpy(&g, data, sizeof g);    // receive data

为了使其工作，两台机器需要使用相同的浮点表示。

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正如 cmets 中正确指出的那样，您不一定需要做额外的memcpy；相反，您可以将f 直接 视为一个字符数组（任何符号）。不过，您仍然需要在接收端执行memcpy，因为您可能不将任意字符数组视为浮点数！示例：

unsigned char const * const p = (unsigned char const *)&f;
for (size_t i = 0; i != sizeof f; ++i)
{
    printf("Byte %zu is %02X\n", i, p[i]);
    send_over_network(p[i]);
}

Answer 3

C 语言保证任何类型的任何值¹都可以作为字节数组访问。字节类型为unsigned char。这是将浮点数复制到字节数组的低级方法。 sizeof(f) 是用于存储变量f 的值的字节数；你也可以使用sizeof(float)（你可以传递sizeof一个变量或更复杂的表达式，或者它的类型）。

float f = 0.6;
unsigned char data[sizeof(float)];
size_t i;
for (i = 0; i < sizeof(float); i++) {
    data[i] = (unsigned char*)f + i;
}

函数memcpy 或memmove 正是这样做的（或其优化版本）。

float f = 0.6;
unsigned char data[sizeof(float)];
memcpy(data, f, sizeof(f));

不过，您甚至不需要制作此副本。您可以直接将指向浮点数的指针传递给您的写入 USB 函数，并告诉它要复制多少字节 (sizeof(f))。如果函数采用 void* 以外的指针参数，则需要显式转换。

int write_to_usb(unsigned char *ptr, size_t size);
result = write_to_usb((unsigned char*)f, sizeof(f))

请注意，这只有在设备使用相同的浮点数表示时才有效，这很常见但不是通用的。大多数机器使用IEEE floating point formats，但您可能需要切换字节顺序。

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至于您的尝试有什么问题：>> 运算符对整数进行操作。在表达式(int) f >> 24 中，f 被强制转换为int；如果您在没有演员表的情况下编写了f >> 24，f 仍将自动转换为int。将浮点值转换为整数可以通过截断或舍入来逼近它（通常接近 0，但规则取决于平台）。 0.6四舍五入为0或1，所以data[0]为0或1，其余均为0。

你需要作用于浮点对象的字节，而不是它的值。

¹ _{不包括在 C 中不能真正操作的函数，但包括函数自动衰减到的函数指针。}

Answer 4

如果您控制双方，最安全的方法是发送某种标准化表示...这不是最有效的，但对于小数字来说也不错。

hostPort writes char * "34.56\0" byte by byte
client reads char * "34.56\0" 

然后使用库函数atof 或atof_l 转换为浮点数。

当然这不是最优化的，但它肯定很容易调试。

如果你想获得更多的优化和创意，第一个字节是长度然后是指数，那么每个字节代表 2 个小数位......所以

34.56 变成 char array[] = {4,-2,34,56}; 类似的东西是可移植的...我只是尽量不要传递二进制浮点表示...因为它会很快变得混乱。

Answer 5

联合 float 和 char 数组可能更安全。放入 float 成员，取出 4 个（或任何长度）字节。

Answer 6

假设两个设备对如何表示浮点数有相同的概念，那么为什么不直接使用memcpy。即

unsigned char payload[4];
memcpy(payload, &f, 4);