Переносная сериализация значений с плавающей запятой IEEE754

Недавно я работал над системой, которая должна хранить и загружать большое количество данных, включая значения с плавающей запятой с одинарной точностью. Я решил стандартизировать сетевой порядок байтов для целых чисел, а также решил хранить значения с плавающей запятой в формате big-endian, т.е.

  |-- Byte 0 --| |-- Byte 1 -|  Byte 2   Byte 3
  #      ####### #     ####### ######## ########
Sign     Exponent          Mantissa
 1b    8b, MSB first    23b, MSB first

В идеале я хочу предоставлять такие функции, как htonl() и ntohl(), так как я уже использовал их для целых чисел swabing, и я также хочу реализовать их таким образом, чтобы как можно больше независимости от платформы ( предполагая, что тип float соответствует 32-разрядным значениям с плавающей запятой IEEE754). Есть ли способ, возможно, используя ieee754.h, чтобы сделать это?

У меня есть один ответ, который, кажется, работает, и я опубликую его ниже, но он выглядит довольно медленным и неэффективным, и я был бы признателен за любые предложения о том, как сделать его быстрее и/или более надежным.

ОТВЕТЫ

Ответ 1

Гораздо проще и в зависимости от того же предположения, что и у вас (это то, что типы float и integer имеют один и тот же порядок байтов и почти универсальны - реалистично вы никогда не столкнетесь с системой, где это не так)

#include <string.h>

float htonf(float val) {
    uint32_t rep;
    memcpy(&rep, &val, sizeof rep);
    rep = htonl(rep);
    memcpy(&val, &rep, sizeof rep);
    return val;
}

Любой разумно хороший компилятор оптимизирует два вызова memcpy; они присутствуют, чтобы победить чрезмерную строгую оптимизацию псевдонимов, поэтому это заканчивается так же эффективно, как htonl плюс накладные расходы на один вызов функции.

Ответ 2

Здесь используется переносная программа записи IEEE 754. Он будет писать двойной в формате IEEE 754, независимо от представления с плавающей запятой на главной машине.

/*
* write a double to a stream in ieee754 format regardless of host
*  encoding.
*  x - number to write
*  fp - the stream
*  bigendian - set to write big bytes first, elee write litle bytes
*              first
*  Returns: 0 or EOF on error
*  Notes: different NaN types and negative zero not preserved.
*         if the number is too big to represent it will become infinity
*         if it is too small to represent it will become zero.
*/
static int fwriteieee754(double x, FILE *fp, int bigendian)
{
    int shift;
    unsigned long sign, exp, hibits, hilong, lowlong;
    double fnorm, significand;
    int expbits = 11;
    int significandbits = 52;

    /* zero (can't handle signed zero) */
    if (x == 0)
    {
        hilong = 0;
        lowlong = 0;
        goto writedata;
    }
    /* infinity */
    if (x > DBL_MAX)
    {
        hilong = 1024 + ((1 << (expbits - 1)) - 1);
        hilong <<= (31 - expbits);
        lowlong = 0;
        goto writedata;
    }
    /* -infinity */
    if (x < -DBL_MAX)
    {
        hilong = 1024 + ((1 << (expbits - 1)) - 1);
        hilong <<= (31 - expbits);
        hilong |= (1 << 31);
        lowlong = 0;
        goto writedata;
    }
    /* NaN - dodgy because many compilers optimise out this test, but
    *there is no portable isnan() */
    if (x != x)
    {
        hilong = 1024 + ((1 << (expbits - 1)) - 1);
        hilong <<= (31 - expbits);
        lowlong = 1234;
        goto writedata;
    }

    /* get the sign */
    if (x < 0) { sign = 1; fnorm = -x; }
    else { sign = 0; fnorm = x; }

    /* get the normalized form of f and track the exponent */
    shift = 0;
    while (fnorm >= 2.0) { fnorm /= 2.0; shift++; }
    while (fnorm < 1.0) { fnorm *= 2.0; shift--; }

    /* check for denormalized numbers */
    if (shift < -1022)
    {
        while (shift < -1022) { fnorm /= 2.0; shift++; }
        shift = -1023;
    }
    /* out of range. Set to infinity */
    else if (shift > 1023)
    {
        hilong = 1024 + ((1 << (expbits - 1)) - 1);
        hilong <<= (31 - expbits);
        hilong |= (sign << 31);
        lowlong = 0;
        goto writedata;
    }
    else
        fnorm = fnorm - 1.0; /* take the significant bit off mantissa */

    /* calculate the integer form of the significand */
    /* hold it in a  double for now */

    significand = fnorm * ((1LL << significandbits) + 0.5f);


    /* get the biased exponent */
    exp = shift + ((1 << (expbits - 1)) - 1); /* shift + bias */

    /* put the data into two longs (for convenience) */
    hibits = (long)(significand / 4294967296);
    hilong = (sign << 31) | (exp << (31 - expbits)) | hibits;
    x = significand - hibits * 4294967296;
    lowlong = (unsigned long)(significand - hibits * 4294967296);

writedata:
    /* write the bytes out to the stream */
    if (bigendian)
    {
        fputc((hilong >> 24) & 0xFF, fp);
        fputc((hilong >> 16) & 0xFF, fp);
        fputc((hilong >> 8) & 0xFF, fp);
        fputc(hilong & 0xFF, fp);

        fputc((lowlong >> 24) & 0xFF, fp);
        fputc((lowlong >> 16) & 0xFF, fp);
        fputc((lowlong >> 8) & 0xFF, fp);
        fputc(lowlong & 0xFF, fp);
    }
    else
    {
        fputc(lowlong & 0xFF, fp);
        fputc((lowlong >> 8) & 0xFF, fp);
        fputc((lowlong >> 16) & 0xFF, fp);
        fputc((lowlong >> 24) & 0xFF, fp);

        fputc(hilong & 0xFF, fp);
        fputc((hilong >> 8) & 0xFF, fp);
        fputc((hilong >> 16) & 0xFF, fp);
        fputc((hilong >> 24) & 0xFF, fp);
    }
    return ferror(fp);
}

Ответ 3

Как упоминалось выше, у меня есть решение моей проблемы, но я не очень привязан к ней, и я приветствую другие ответы, поэтому я размещаю ее здесь, а не в вопросе. В частности, это, вероятно, будет медленным, и я не уверен, нарушает ли он строгий псевдоним, среди других потенциальных проблем.

#include <ieee754.h>

float
htonf (float val)
{
  union ieee754_float u;
  float v;
  uint8_t *un = (uint8_t *) &v;

  u.f = val;
  un[0] = (u.ieee.negative << 7) + ((u.ieee.exponent & 0xfe) >> 1);
  un[1] = ((u.ieee.exponent & 0x01) << 7) + ((u.ieee.mantissa & 0x7f0000) >> 16);
  un[2] = (u.ieee.mantissa & 0xff00) >> 8;
  un[3] = (u.ieee.mantissa & 0xff);
  return v;
}

float
ntohf (float val)
{
  union ieee754_float u;
  uint8_t *un = (uint8_t *) &val;

  u.ieee.negative = (un[0] & 0x80) >> 7;
  u.ieee.exponent = (un[0] & 0x7f) << 1;
  u.ieee.exponent += (un[1] & 0x80) >> 7;
  u.ieee.mantissa = (un[1] & 0x7f) << 16;
  u.ieee.mantissa += un[2] << 8;
  u.ieee.mantissa += un[3];

  return u.f;
}