安静的NaN和信号NaN有什么区别？

Question

我读过关于浮点的内容,我知道NaN可能来自操作.但我无法完全理解这些概念是什么.有什么区别？

在C++编程期间可以生成哪一个？作为程序员,我可以编写一个程序来导致sNaN吗？

Answer 1

当操作导致安静的NaN时,在程序检查结果并看到NaN之前,没有任何异常的迹象.也就是说,如果在软件中实现浮点,则计算继续而没有来自浮点单元(FPU)或库的任何信号.信号NaN将产生信号,通常以FPU的例外形式产生.是否抛出异常取决于FPU的状态.

C++ 11 在浮点环境中添加了一些语言控件,并提供了创建和测试NaN的标准化方法.但是,控件是否实现的标准化程度不高,浮点异常通常不会像标准C++异常那样被捕获.

在POSIX/Unix系统中,通常使用SIGFPE的处理程序捕获浮点异常.

Answer 2

qNaN和sNaN在实验中的外观如何？

首先让我们学习如何识别我们是否有sNaN或qNaN。

我将在此答案中使用C ++而不是C，因为它提供了便利std::numeric_limits::quiet_NaN，std::numeric_limits::signaling_NaN而我却在C中找不到便利。

但是，我找不到用于对NaN是sNaN还是qNaN进行分类的函数，因此让我们仅打印出NaN原始字节：

main.cpp

#include <cassert>
#include <cstring>
#include <cmath> // nanf, isnan
#include <iostream>
#include <limits> // std::numeric_limits

#pragma STDC FENV_ACCESS ON

void print_float(float f) {
    std::uint32_t i;
    std::memcpy(&i, &f, sizeof f);
    std::cout << std::hex << i << std::endl;
}

int main() {
    static_assert(std::numeric_limits<float>::has_quiet_NaN, "");
    static_assert(std::numeric_limits<float>::has_signaling_NaN, "");
    static_assert(std::numeric_limits<float>::has_infinity, "");

    // Generate them.
    float qnan = std::numeric_limits<float>::quiet_NaN();
    float snan = std::numeric_limits<float>::signaling_NaN();
    float inf = std::numeric_limits<float>::infinity();
    float nan0 = std::nanf("0");
    float nan1 = std::nanf("1");
    float nan2 = std::nanf("2");
    float div_0_0 = 0.0f / 0.0f;
    float sqrt_negative = std::sqrt(-1.0f);

    // Print their bytes.
    std::cout << "qnan "; print_float(qnan);
    std::cout << "snan "; print_float(snan);
    std::cout << " inf "; print_float(inf);
    std::cout << "-inf "; print_float(-inf);
    std::cout << "nan0 "; print_float(nan0);
    std::cout << "nan1 "; print_float(nan1);
    std::cout << "nan2 "; print_float(nan2);
    std::cout << " 0/0 "; print_float(div_0_0);
    std::cout << "sqrt "; print_float(sqrt_negative);

    // Assert if they are NaN or not.
    assert(std::isnan(qnan));
    assert(std::isnan(snan));
    assert(!std::isnan(inf));
    assert(!std::isnan(-inf));
    assert(std::isnan(nan0));
    assert(std::isnan(nan1));
    assert(std::isnan(nan2));
    assert(std::isnan(div_0_0));
    assert(std::isnan(sqrt_negative));
}

编译并运行：

g++ -ggdb3 -O3 -std=c++11 -Wall -Wextra -pedantic -o main.out main.cpp
./main.out

在我的x86_64机器上的输出：

qnan 7fc00000
snan 7fa00000
 inf 7f800000
-inf ff800000
nan0 7fc00000
nan1 7fc00001
nan2 7fc00002
 0/0 ffc00000
sqrt ffc00000

我们还可以使用QEMU用户模式在aarch64上执行程序：

aarch64-linux-gnu-g++ -ggdb3 -O3 -std=c++11 -Wall -Wextra -pedantic -o main.out main.cpp
qemu-aarch64 -L /usr/aarch64-linux-gnu/ main.out

并产生完全相同的输出，表明多个拱门紧密地实现了IEEE 754。

此时，如果您不熟悉IEEE 754浮点数的结构，请看一下：什么是次普通浮点数？

以二进制形式，上面的一些值是：

     31
     |
     | 30    23 22                    0
     | |      | |                     |
-----+-+------+-+---------------------+
qnan 0 11111111 10000000000000000000000
snan 0 11111111 01000000000000000000000
 inf 0 11111111 00000000000000000000000
-inf 1 11111111 00000000000000000000000
-----+-+------+-+---------------------+
     | |      | |                     |
     | +------+ +---------------------+
     |    |               |
     |    v               v
     | exponent        fraction
     |
     v
     sign

从这个实验中我们观察到：

• qNaN和sNaN似乎仅通过位22进行区分：1表示安静，0表示信令

• 指数== 0xFF的无穷也非常相似，但是分数== 0。

  因此，NaN必须将第21位设置为1，否则无法将sNaN与正无穷大区分开！

• nanf() 产生几种不同的NaN，因此必须有多种可能的编码：

  7fc00000
  7fc00001
  7fc00002
  

  由于nan0与相同std::numeric_limits<float>::quiet_NaN()，我们推断它们都是不同的安静NaN。

  该C11 N1570标准草案，确认nanf()生成提示NaN，因为nanf转发到strtod和7.22.1.3“的关于strtod，strtof和strtold功能”说：

  如果返回类型支持字符序列NAN或NAN（n-char-sequence opt），则将其解释为安静的NaN，否则就像没有预期形式的主题序列部分；n-char序列的含义是实现定义的。293）

也可以看看：

• 如何在c中产生NaN浮点数？
• C / C ++ NaN常数（文字）？

qNaN和sNaN在手册中的外观如何？

IEEE 754 2008建议（TODO是强制性还是可选？）：

• 指数== 0xFF且分数！= 0的任何东西都是NaN
• 并且最高分数位将qNaN与sNaN区别开

但是似乎并没有说最好使用哪一位来区分无穷大和NaN。

6.2.1“二进制格式的NaN编码”说：

本子节进一步将NaN的编码指定为位字符串（当它们是运算结果时）。编码后，所有NaN都有一个符号位和一个位模式，这些位将识别编码为NaN并确定其类型（sNaN与qNaN）是必需的。尾随有效位字段中的其余位对有效载荷进行编码，这可能是诊断信息（请参见上文）。34

所有二进制NaN位串都将偏置指数字段E的所有位都设置为1（请参见3.4）。安静的NaN位串应以尾随有效位T的第一位（d1）为1编码。信令NaN位串应以尾随有效位T的第一位为0进行编码。尾随有效字段为0，尾随有效字段的其他某些位必须为非零值才能将NaN与无穷大区分开。在刚刚描述的优选编码中，应通过将d1设置为1来静默信令NaN，而保留T的其余比特不变。对于二进制格式，有效载荷编码在尾随有效字段的p？2最低有效位中

在英特尔64和IA-32架构软件开发人员手册-第1卷基础架构- 253665-056US 2015年9月 4.8.3.4“的NaN”证实，86由最高分数位区分楠SNAN遵循IEEE 754：

IA-32体系结构定义了两类NaN：静默NaN（QNaN）和信令NaN（SNaN）。QNaN是设置了最高有效位的NaN SNaN是设置了最高有效位的NaN。

《ARM体系结构参考手册-ARMv8》（针对ARMv8-A体系结构配置文件-DDI 0487C.a A1.4.3“单精度浮点格式”）也是如此：

fraction != 0：该值为NaN，并且为静默NaN或信令NaN。NaN的两种类型以其最高有效分数位bit [22]来区分：

• bit[22] == 0：NaN是信号NaN。符号位可以取任何值，其余的分数位可以取除全零以外的任何值。
• bit[22] == 1：NaN是安静的NaN。符号位和其余分数位可以取任何值。

如何生成qNanS和sNaN？

qNaN和sNaN之间的主要区别在于：

• qNaN由具有奇怪值的常规内置（软件或硬件）算术运算生成
• sNaN永远不会由内置操作生成，它只能由程序员显式添加，例如 std::numeric_limits::signaling_NaN

我找不到明确的IEEE 754或C11引号，但也找不到任何生成sNaN的内置操作；-)

英特尔手册在4.8.3.4“ NaNs”中明确指出了这一原则：

SNaN通常用于捕获或调用异常处理程序。它们必须通过软件插入；也就是说，处理器永远不会由于浮点运算而生成SNaN。

从我们的示例中可以看出：

float div_0_0 = 0.0f / 0.0f;
float sqrt_negative = std::sqrt(-1.0f);

产生与完全相同的位std::numeric_limits<float>::quiet_NaN()。

这两个操作都编译为一个x86汇编指令，该指令直接在硬件中生成qNaN（使用GDB进行TODO确认）。

qNaN和sNaN有什么不同？

现在我们知道了qNaN和sNaN的外观，以及如何操作它们，我们终于可以尝试让sNaN做他们的事情并炸毁一些程序！

因此，事不宜迟：

blow_up.cpp

#include <cassert>
#include <cfenv>
#include <cmath> // isnan
#include <iostream>
#include <limits> // std::numeric_limits
#include <unistd.h>

#pragma STDC FENV_ACCESS ON

int main() {
    float snan = std::numeric_limits<float>::signaling_NaN();
    float qnan = std::numeric_limits<float>::quiet_NaN();
    float f;

    // No exceptions.
    assert(std::fetestexcept(FE_ALL_EXCEPT) == 0);

    // Still no exceptions because qNaN.
    f = qnan + 1.0f;
    assert(std::isnan(f));
    if (std::fetestexcept(FE_ALL_EXCEPT) == FE_INVALID)
        std::cout << "FE_ALL_EXCEPT qnan + 1.0f" << std::endl;

    // Now we can get an exception because sNaN, but signals are disabled.
    f = snan + 1.0f;
    assert(std::isnan(f));
    if (std::fetestexcept(FE_ALL_EXCEPT) == FE_INVALID)
        std::cout << "FE_ALL_EXCEPT snan + 1.0f" << std::endl;
    feclearexcept(FE_ALL_EXCEPT);

    // And now we enable signals and blow up with SIGFPE! >:-)
    feenableexcept(FE_INVALID);
    f = qnan + 1.0f;
    std::cout << "feenableexcept qnan + 1.0f" << std::endl;
    f = snan + 1.0f;
    std::cout << "feenableexcept snan + 1.0f" << std::endl;
}

编译，运行并获取退出状态：

g++ -ggdb3 -O0 -Wall -Wextra -pthread -std=c++11 -pedantic-errors -o blow_up.out blow_up.cpp -lm -lrt
./blow_up.out
echo $?

输出：

FE_ALL_EXCEPT snan + 1.0f
feenableexcept qnan + 1.0f
Floating point exception (core dumped)
136

请注意，此行为仅-O0在GCC 8.2中发生：使用-O3，GCC会预先计算并优化所有sNaN操作！我不确定是否存在防止这种情况的符合标准的方法。

因此，我们可以从以下示例中得出：

• snan + 1.0原因FE_INVALID，但qnan + 1.0不是

• Linux仅在启用时才会生成信号feenableexept。

  这是一个glibc扩展，在任何标准下我都找不到任何方法。

当发生信号时，这是因为CPU硬件本身引发了异常，Linux内核通过信号处理并通知了应用程序。

结果是bash打印出来Floating point exception (core dumped)，并且退出状态为136，它对应于 signal 136 - 128 == 8，根据以下内容：

man 7 signal

是SIGFPE。

请注意，SIGFPE如果尝试将整数除以0，则得到的信号相同：

int main() {
    int i = 1 / 0;
}

虽然对于整数：

• 将任何东西除以零会引发信号，因为整数中没有无穷大表示形式
• 默认情况下发生的信号，无需 feenableexcept

如何处理SIGFPE？

如果仅创建一个正常返回的处理程序，则会导致无限循环，因为在处理程序返回后，除法会再次发生！可以使用GDB进行验证。

唯一的方法是使用setjmp并longjmp跳到其他位置，如下所示：C处理信号SIGFPE并继续执行

sNaN在现实世界中有哪些应用？

老实说，我仍然不了解sNaN的超级有用用例，有人问过：用信号通知NaN的有用性？

sNaN感觉特别无用，因为我们可以使用来检测0.0f/0.0f生成qNaNs 的初始无效操作（）feenableexcept：似乎snan只是对更多的操作产生了错误，而对于（Q）qnan却没有产生qnan + 1.0f。

例如：

main.c

#define _GNU_SOURCE
#include <fenv.h>
#include <stdio.h>

int main(int argc, char **argv) {
    (void)argv;
    float f0 = 0.0;

    if (argc == 1) {
        feenableexcept(FE_INVALID);
    }
    float f1 = 0.0 / f0;
    printf("f1 %f\n", f1);

    feenableexcept(FE_INVALID);
    float f2 = f1 + 1.0;
    printf("f2 %f\n", f2);
}

编译：

gcc -ggdb3 -O0 -std=c99 -Wall -Wextra -pedantic -o main.out main.c -lm

然后：

./main.out

给出：

Floating point exception (core dumped)

和：

./main.out  1

给出：

f1 -nan
f2 -nan

另请参阅：如何在C ++中跟踪NaN

信号标志是什么？如何操作？

一切都在CPU硬件中实现。

这些标志位于某个寄存器中，该位也表示是否应引发异常/信号。

可以从大多数拱门的用户区访问这些寄存器。

glibc 2.29代码的这一部分实际上非常容易理解！

例如，fetestexcept在sysdeps / x86_64 / fpu / ftestexcept.c中为x86_86实现了：

#include <fenv.h>

int
fetestexcept (int excepts)
{
  int temp;
  unsigned int mxscr;

  /* Get current exceptions.  */
  __asm__ ("fnstsw %0\n"
       "stmxcsr %1" : "=m" (*&temp), "=m" (*&mxscr));

  return (temp | mxscr) & excepts & FE_ALL_EXCEPT;
}
libm_hidden_def (fetestexcept)

因此，我们立即看到指令的使用stmxcsr代表“存储MXCSR寄存器状态”。

并feenableexcept在sysdeps / x86_64 / fpu / feenablxcpt.c中实现：

#include <fenv.h>

int
feenableexcept (int excepts)
{
  unsigned short int new_exc, old_exc;
  unsigned int new;

  excepts &= FE_ALL_EXCEPT;

  /* Get the current control word of the x87 FPU.  */
  __asm__ ("fstcw %0" : "=m" (*&new_exc));

  old_exc = (~new_exc) & FE_ALL_EXCEPT;

  new_exc &= ~excepts;
  __asm__ ("fldcw %0" : : "m" (*&new_exc));

  /* And now the same for the SSE MXCSR register.  */
  __asm__ ("stmxcsr %0" : "=m" (*&new));

  /* The SSE exception masks are shifted by 7 bits.  */
  new &= ~(excepts << 7);
  __asm__ ("ldmxcsr %0" : : "m" (*&new));

  return old_exc;
}

关于qNaN与sNaN，C标准怎么说？

该C11 N1570标准草案明确地说，该标准没有在它们之间F.2.1“无穷大符号的零，和NaN”区分：

1本规范未定义信令NaN的行为。它通常使用术语NaN表示安静的NaN。NAN和INFINITY宏以及nan函数<math.h>为IEC 60559 NaN和Infinities提供名称。

已在Ubuntu 18.10，GCC 8.2中测试。GitHub上游：

• c / nan.c
• cpp / nan.cpp
• glibc / interactive / feenableexcept.c