Warum hat C keine vorzeichenlosen Floats?

Ich weiß, die Frage scheint seltsam zu sein. Programmierer denken manchmal zu viel nach. Bitte weiterlesen…

Im CI-Einsatz signed und unsigned ganze Zahlen. Mir gefällt die Tatsache, dass der Compiler mich warnt, wenn ich beispielsweise einer vorzeichenlosen Variablen eine vorzeichenbehaftete Ganzzahl zuweise. Ich erhalte Warnungen, wenn ich vorzeichenbehaftete mit vorzeichenlosen Ganzzahlen vergleiche und vieles mehr.

Ich mag diese Warnungen. Sie helfen mir, meinen Code korrekt zu halten.

Warum haben wir nicht den gleichen Luxus für Festwagen? Eine Quadratwurzel wird definitiv niemals eine negative Zahl zurückgeben. Es gibt auch andere Stellen, an denen ein negativer Float-Wert keine Bedeutung hat. Perfekter Kandidat für einen unsignierten Schwimmer.

Übrigens – ich bin nicht wirklich scharf auf das einzelne zusätzliche Bit an Präzision, das ich durch Entfernen des Vorzeichenbits aus den Floats erhalten könnte. Ich bin super zufrieden mit floats, wie sie gerade sind. Ich möchte nur Markieren Sie einen Float als unsigned manchmal und bekomme die gleiche Art von Warnungen, die ich mit ganzen Zahlen bekomme.

Mir ist keine Programmiersprache bekannt, die vorzeichenlose Gleitkommazahlen unterstützt.

Irgendeine Idee, warum es sie nicht gibt?

BEARBEITEN:

Ich weiß, dass die x87-FPU keine Anweisungen zum Umgang mit vorzeichenlosen Floats hat. Verwenden wir einfach die signierten Float-Anweisungen. Missbrauch (z. B. Unterschreiten von Null) könnte als undefiniertes Verhalten betrachtet werden, genauso wie ein Überlauf von vorzeichenbehafteten Ganzzahlen undefiniert ist.

Der Grund, warum C++ keine vorzeichenlosen Gleitkommazahlen unterstützt, liegt daran, dass es keine entsprechenden Maschinencodeoperationen gibt, die die CPU ausführen könnte. Es wäre also sehr ineffizient, es zu unterstützen.

Wenn C++ dies unterstützen würde, würden Sie manchmal ein vorzeichenloses Gleitkomma verwenden und nicht erkennen, dass Ihre Leistung gerade beeinträchtigt wurde. Wenn C++ dies unterstützen würde, müsste jede Gleitkommaoperation überprüft werden, um festzustellen, ob sie signiert ist oder nicht. Und für Programme, die Millionen von Gleitkommaoperationen ausführen, ist dies nicht akzeptabel.

Die Frage wäre also, warum Hardware-Implementierer dies nicht unterstützen. Und ich denke, die Antwort darauf ist, dass ursprünglich kein vorzeichenloser Float-Standard definiert wurde. Da Sprachen gerne abwärtskompatibel sind, könnten Sprachen, selbst wenn sie hinzugefügt würden, keinen Gebrauch davon machen. Um die Fließkommaspezifikation zu sehen, sollten Sie sich die anschauen IEEE-Standard 754 Fließkomma.

Sie können jedoch umgehen, keinen vorzeichenlosen Gleitkommatyp zu haben, indem Sie eine vorzeichenlose Float-Klasse erstellen, die ein Float oder Double kapselt und Warnungen ausgibt, wenn Sie versuchen, eine negative Zahl zu übergeben. Dies ist weniger effizient, aber wenn Sie sie nicht intensiv verwenden, wird Ihnen dieser leichte Leistungsverlust wahrscheinlich egal sein.

Ich sehe definitiv den Nutzen eines unsignierten Floats. Aber C/C++ tendiert dazu, die Effizienz, die für alle am besten funktioniert, der Sicherheit vorzuziehen.

Es gibt einen signifikanten Unterschied zwischen vorzeichenbehafteten und vorzeichenlosen Ganzzahlen in C/C++:

value >> shift

Vorzeichenbehaftete Werte lassen das oberste Bit unverändert (Sign Extend), vorzeichenlose Werte löschen das oberste Bit.

Der Grund, warum es keinen vorzeichenlosen Float gibt, ist, dass Sie schnell auf alle möglichen Probleme stoßen, wenn keine negativen Werte vorhanden sind. Bedenken Sie:

float a = 2.0f, b = 10.0f, c;
c = a - b;

Welchen Wert hat c? -8. Aber was würde das in einem System ohne negative Zahlen bedeuten. FLOAT_MAX – 8 vielleicht? Eigentlich funktioniert das nicht, da FLOAT_MAX – 8 aufgrund von Präzisionseffekten FLOAT_MAX ist, also sind die Dinge noch verrückter. Was wäre, wenn es Teil eines komplexeren Ausdrucks wäre:

float a = 2.0f, b = 10.0f, c = 20.0f, d = 3.14159f, e;
e = (a - b) / d + c;

Dies ist aufgrund der Natur des 2er-Komplementsystems kein Problem für ganze Zahlen.

Berücksichtigen Sie auch mathematische Standardfunktionen: sin, cos und tan würden nur für die Hälfte ihrer Eingabewerte funktionieren, Sie könnten den Logarithmus von Werten < 1 nicht finden, Sie könnten keine quadratischen Gleichungen lösen: x = (-b +/- root ( bb - 4.ac)) / 2.a und so weiter. Tatsächlich würde es wahrscheinlich nicht für komplexe Funktionen funktionieren, da diese dazu neigen, als polynomische Annäherungen implementiert zu werden, die irgendwo negative Werte verwenden würden.

Unsignierte Floats sind also ziemlich nutzlos.

Aber das bedeutet nicht, dass eine Klasse, die Gleitkommawerte überprüft, nicht nützlich ist, Sie möchten vielleicht Werte auf einen bestimmten Bereich beschränken, z. B. RGB-Berechnungen.

(Nebenbei gesagt, Perl 6 lässt Sie schreiben

subset Nonnegative::Float of Float where { $_ >= 0 };

und dann können Sie verwenden Nonnegative::Float genau wie jeder andere Typ.)

Es gibt keine Hardwareunterstützung für vorzeichenlose Gleitkommaoperationen, also bietet C sie nicht an. C ist hauptsächlich als “tragbare Montage” konzipiert, dh so nah am Metall wie möglich, ohne an eine bestimmte Plattform gebunden zu sein.

[edit]

C ist wie Montage: Was Sie sehen, ist genau das, was Sie bekommen. Ein implizites “Ich werde überprüfen, ob dieser Schwimmer für Sie nicht negativ ist” widerspricht seiner Designphilosophie. Wenn Sie es wirklich wollen, können Sie hinzufügen assert(x >= 0) oder ähnliches, aber das muss man explizit machen.

Ich glaube, dass das unsigned int erstellt wurde, weil eine größere Wertspanne erforderlich ist, als das signed int bieten könnte.

Ein Float hat einen viel größeren Spielraum, daher gab es nie einen „physischen“ Bedarf für einen vorzeichenlosen Float. Und wie Sie in Ihrer Frage selbst betonen, ist die zusätzliche 1-Bit-Präzision nichts, wofür man töten könnte.

Bearbeiten:
Nachdem ich die Antwort von Brian R. Bondy gelesen habe, muss ich meine Antwort ändern: Er hat definitiv Recht, dass die zugrunde liegenden CPUs keine vorzeichenlosen Float-Operationen hatten. Ich bleibe jedoch bei meiner Überzeugung, dass dies eine Designentscheidung war, die auf den oben genannten Gründen basiert 😉

Ich denke, Treb ist auf dem richtigen Weg. Bei Ganzzahlen ist es wichtiger, dass Sie einen entsprechenden Typ ohne Vorzeichen haben. Das sind die, die verwendet werden Bitverschiebung und verwendet in Bitmaps. Ein Zeichenbit kommt nur in die Quere. Wenn Sie beispielsweise einen negativen Wert nach rechts verschieben, ist der resultierende Wert die in C++ definierte Implementierung. Wenn Sie dies mit einer vorzeichenlosen Ganzzahl tun oder eine solche überlaufen lassen, hat dies eine perfekt definierte Semantik, da kein solches Bit im Weg ist.

Zumindest für Ganzzahlen ist die Notwendigkeit eines separaten Typs ohne Vorzeichen stärker als nur das Ausgeben von Warnungen. Alle oben genannten Punkte müssen bei Schwimmern nicht berücksichtigt werden. Ich denke also, es besteht kein wirklicher Bedarf an Hardwareunterstützung für sie, und C wird sie zu diesem Zeitpunkt bereits nicht unterstützen.

Eine Quadratwurzel wird definitiv niemals eine negative Zahl zurückgeben. Es gibt auch andere Stellen, an denen ein negativer Float-Wert keine Bedeutung hat. Perfekter Kandidat für einen unsignierten Schwimmer.

C99 unterstützt komplexe Zahlen und eine typgenerische Form von sqrt, also sqrt( 1.0 * I) wird negativ sein.

Die Kommentatoren haben oben eine leichte Anmerkung hervorgehoben, indem ich mich auf das Typ-Generikum bezog sqrt Makro und nicht die Funktion, und es gibt einen skalaren Gleitkommawert zurück, indem der Komplex auf seine reale Komponente gekürzt wird:

#include <complex.h>
#include <tgmath.h>

int main () 
{
    complex double a = 1.0 + 1.0 * I;

    double f = sqrt(a);

    return 0;
}

Es enthält auch einen Hirnfurz, da der Realteil der Quadratzahl jeder komplexen Zahl positiv oder null ist und sqrt(1,0*I) sqrt(0,5) + sqrt(0,5)*I ist und nicht -1,0.

Ich denke, es hängt davon ab, dass die IEEE-Gleitkommaspezifikationen nur signiert sind und dass die meisten Programmiersprachen sie verwenden.

Wikipedia-Artikel über IEEE-754-Gleitkommazahlen

Bearbeiten: Außerdem unterstützt die meiste Hardware, wie von anderen angemerkt, keine nicht negativen Gleitkommazahlen, sodass die normale Art von Gleitkommazahlen effizienter ist, da Hardwareunterstützung vorhanden ist.