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关于PHP浮点数你应该知道的(All 'bogus' about the float in PHP)

Published on 19 December 2011 by laruence

PHP是一种弱类型语言, 这样的特性, 必然要求有无缝透明的隐式类型转换, PHP内部使用zval来保存任意类型的数值, zval的结构如下(5.2为例):

struct _zval_struct {
    /* Variable information */
    zvalue_value value;     /* value */
    zend_uint refcount;
    zend_uchar type;    /* active type */
    zend_uchar is_ref;
};

上面的结构中, 实际保存数值本身的是zvalue_value联合体:

typedef union _zvalue_value {
    long lval;                  /* long value */
    double dval;                /* double value */
    struct {
        char *val;
        int len;
    } str;
    HashTable *ht;              /* hash table value */
    zend_object_value obj;
} zvalue_value;

今天的话题, 我们只关注其中的俩个成员, lval和dval, 我们要意识到, long lval是随着编译器, OS的字长不同而不定长的, 它有可能是32bits或者64bits, 而double dval(双精度)由IEEE 754规定, 是定长的, 一定是64bits.
请记住这一点, 造就了PHP的一些代码的"非平台无关性". 我们接下来的讨论, 除了特别指明, 都是假设long为64bits
IEEE 754的浮点计数法, 我这里就不引用了, 大家有兴趣的可以自己查看, 关键的一点是, double的尾数采用52位bit来保存, 算上隐藏的1位有效位, 一共是53bits.
在这里, 引出一个很有意思的问题, 我们用c代码举例(假设long为64bits):

    long a = x;
    assert(a == (long)(double)a);

请问, a的取值在什么范围内的时候, 上面的代码可以断言成功?(留在文章最后解答)
现在我们回归正题, PHP在执行一个脚本之前, 首先需要读入脚本, 分析脚本, 这个过程中也包含着, 对脚本中的字面量进行zval化, 比如对于如下脚本:

<?php
$a = 9223372036854775807; //64位有符号数最大值
$b = 9223372036854775808; //最大值+1
var_dump($a);
var_dump($b);

输出:

int(9223372036854775807)
float(9.22337203685E+18)

也就说, PHP在词法分析阶段, 对于一个字面量的数值, 会去判断, 是否超出了当前系统的long的表值范围, 如果不是, 则用lval来保存, zval为IS_LONG, 否则就用dval表示, zval IS_FLOAT.
凡是大于最大的整数值的数值, 我们都要小心, 因为它可能会有精度损失:

<?php
$a = 9223372036854775807;
$b = 9223372036854775808;
var_dump($a === ($b - 1));

输出是false.
现在接上开头的讨论, 之前说过, PHP的整数, 可能是32位, 也可能是64位, 那么就决定了, 一些在64位上可以运行正常的代码, 可能会因为隐形的类型转换, 发生精度丢失, 从而造成代码不能正常的运行在32位系统上.
所以, 我们一定要警惕这个临界值, 好在PHP中已经定义了这个临界值:

<?php
    echo PHP_INT_MAX;
 ?>

当然, 为了保险起见, 我们应该使用字符串来保存大整数, 并且采用比如bcmath这样的数学函数库来进行计算.
另外, 还有一个关键的配置, 会让我们产生迷惑, 这个配置就是php.precision, 这配置决定了PHP再输出一个float值的时候, 输出多少有效位.
最后, 我们再来回头看上面提出的问题, 也就是一个long的整数, 最大的值是多少, 才能保证转到float以后再转回long不会发生精度丢失?
比如, 对于整数, 我们知道它的二进制表示是, 101, 现在, 让我们右移俩位, 变成1.01, 舍去高位的隐含有效位1, 我们得到在double中存储5的二进制数值为:

0/*符号位*/ 10000000001/*指数位*/ 0100000000000000000000000000000000000000000000000000

5的二进制表示, 丝毫未损的保存在了尾数部分, 这个情况下, 从double转会回long, 不会发生精度丢失.
我们知道double用52位表示尾数, 算上隐含的首位1, 一共是53位精度.. 那么也就可以得出, 如果一个long的整数, 值小于:

2^53 - 1 == 9007199254740991; //牢记, 我们现在假设是64bits的long

那么, 这个整数, 在发生long->double->long的数值转换时, 不会发生精度丢失.

Filed in PHP应用, PHP源码分析

29 Comments

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    关于PHP浮点数你应该知道的 | 民工 March 26, 2013

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  23. Melo618
    Melo618 March 26, 2013

    比如, 对于整数=> 比如, 对于整数5 ?

  25. kaien_kira
    kaien_kira September 6, 2012

    受益匪浅

  27. wclssdn
    wclssdn December 30, 2011

    前不久也发现了这个问题..
    $n = pow(2, 64);
    var_dump($n, $n – 1);
    结果一样的- -.. 我用的32位测试机..
    以为是PHP的bug呢…

  29. gguoyu
    gguoyu December 19, 2011

    IEEE 745的浮点计数法 ==> 应该是IEEE 754 浮点计数法
    – -！

Comments are closed.