Python与C之浮点异常处理

一、浮点数在Python和C中的表示

在计算机中，浮点数需要以二进制形式储存。在Python和C中，浮点数都采用了IEEE标准的浮点数表示方法：符号位+指数位+尾数位。其中，符号位用于表示正负，指数位表示浮点数的位移，尾数位表示浮点数的精度。

Python的浮点数采用双精度浮点数表示方法，即每个浮点数占用8个字节。C的浮点数则默认为单精度浮点数，每个浮点数占用4个字节。当需要更高精度时，C可以使用double类型来储存，每个浮点数占用8个字节。

二、Python和C中的浮点异常

由于浮点数的表示方式，浮点运算可能会产生一些异常，包括但不限于：

• 溢出：计算结果超出了可以表示的范围
• 下溢：计算结果太接近0，无法表示
• 除0异常：除数为0
• 不是一个数字（NaN）异常：取0/0、inf/inf等

这些异常可能会导致程序崩溃或者得到错误的结果。因此，在编写浮点数运算的程序时，需要处理这些异常。

三、Python中的浮点异常处理

Python中提供了浮点异常处理机制，可以通过设置sys.float_info的一些属性来控制浮点运算的行为。具体而言：

• sys.float_info.max：表示能够表示的最大浮点数
• sys.float_info.min：表示能够表示的最小浮点数
• sys.float_info.epsilon：表示浮点数的精度
• sys.float_info.infinity：表示正无穷
• sys.float_info.nan：表示NaN

另外，Python还提供了math模块，其中包含了各种数学函数。这些函数可以处理浮点异常。例如：

import math

# 定义除法函数，处理除0异常和下溢异常
def safe_divide(x, y):
    if abs(y) < math.sqrt(sys.float_info.epsilon):
        return 0.0
    return x / y

# 定义开方函数，处理无法开方异常
def safe_sqrt(x):
    if x < 0:
        return math.nan
    return math.sqrt(x)

四、C中的浮点异常处理

C语言中也提供了浮点异常处理机制。可以通过math.h头文件中的一些函数来实现，包括：

• isfinite()：判断浮点数是否为有限数
• isnan()：判断浮点数是否为NaN
• isinf()：判断浮点数是否为无穷
• errno：全局变量，表示当前的错误类型，包括除0错误、下溢错误等
• feclearexcept()：清除浮点异常标志

例如，下面的代码可以处理除0异常：

#include 
#include 
#include 

// 定义除法函数，处理除0异常和下溢异常
double safe_divide(double x, double y) {
    if (fabs(y) < sqrt(DBL_EPSILON)) {
        return 0.0;
    }
    return x / y;
}

int main() {
    double a = 1.0, b = 0.0;
    double c = safe_divide(a, b);
    if (errno == ERANGE) {
        printf("Divide-by-zero error.\n");
        feclearexcept(FE_DIVBYZERO);
    }
    printf("c = %f\n", c);
    return 0;
}

五、总结

正如本文所述，浮点数在计算机中的表达方式，以及浮点运算中可能产生的异常，需在程序中予以规避。Python和C都提供了各自的浮点异常处理机制。熟练掌握这些机制，可以大幅提高程序的稳定性和正确性。