提问人：MichaelT 提问时间：9/18/2008 最后编辑：Daniel FischerMichaelT 更新时间：3/28/2019 访问量：7302
调试/释放模式下的浮点/双精度
Float/double precision in debug/release modes
答：
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Dark Shikari
9/18/2008
#1
事实上，如果调试模式使用 x87 FPU，而发布模式使用 SSE 进行浮点运算，则它们可能会有所不同。
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Frank Krueger
9/18/2008
你有权威的参考资料或演示吗？
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Dark Shikari
9/18/2008
#2
为了回应弗兰克·克鲁格（Frank Krueger）在上面（在评论中）提出的差异演示请求：
在没有优化和 -mfpmath=387 的情况下在 gcc 中编译此代码（我没有理由认为它不适用于其他编译器，但我没有尝试过。 然后在不进行优化的情况下编译它，并使用 -msse -mfpmath=sse。
输出会有所不同。
#include <stdio.h>
int main()
{
float e = 0.000000001;
float f[3] = {33810340466158.90625,276553805316035.1875,10413022032824338432.0};
f[0] = pow(f[0],2-e); f[1] = pow(f[1],2+e); f[2] = pow(f[2],-2-e);
printf("%s\n",f);
return 0;
}
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James Curran
9/18/2008
问题是关于 C#/.Net;您的示例适用于 C++/本机代码。
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Dark Shikari
9/18/2008
不知何故，我怀疑 SSE 与 x87 FPU 的精度是否因您调用它的语言而异！
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Asik
2/13/2014
直接转换为 C# 还会显示 Visual Studio 2013 中 x86 和 x64 的不同结果。请注意，x86 CLR 使用 x87 FPU，而 x64 CLR 使用 SSE。
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stusmith
9/18/2008
#3
它们确实可以不同。根据 CLR ECMA 规范：
浮点的存储位置 数字（statics、数组元素和 类的字段）的大小是固定的。 支持的存储大小为 float32 和 float64。其他任何地方 （在评估堆栈上，如 参数，作为返回类型，以及 局部变量） 浮点数 数字用 内部浮点类型。在每个 这样的实例，标称类型的 变量或表达式是 R4 或 R8，但其值可以表示 内部具有额外的范围 和/或精度。的大小 内部浮点表示 取决于实现，可能会有所不同， 并且精度至少应为 与变量或 表示的表达式。一 隐式扩展转换为 float32 的内部表示 或 float64 在执行这些 类型是从存储中加载的。这 内部表示通常为 硬件的本机大小，或 根据效率要求 操作的实现。
这基本上意味着以下比较可能相等，也可能不相等：
class Foo
{
double _v = ...;
void Bar()
{
double v = _v;
if( v == _v )
{
// Code may or may not execute here.
// _v is 64-bit.
// v could be either 64-bit (debug) or 80-bit (release) or something else (future?).
}
}
}
带回家的信息：永远不要检查浮动值是否相等。
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Greg Beech
9/18/2008
不过，这与 DEBUG 与 RELEASE 构建配置没有任何关系......
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stusmith
9/22/2008
生成的 IL 将是相同的......但是 JITter 在处理标记为调试的程序集时不那么激进。发布版本倾向于将更多浮点值移动到 80 位寄存器中;调试版本倾向于直接从 64 位内存存储中读取。
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ShuggyCoUk
2/24/2009
生成的 IL 可能不同。调试模式在某个位置插入 NOP 以确保断点是可能的，它也可能故意维护释放模式认为不必要的临时变量。
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Skizz
9/18/2008
#4
这是一个有趣的问题，所以我做了一些实验。我使用了以下代码：
static void Main (string [] args)
{
float
a = float.MaxValue / 3.0f,
b = a * a;
if (a * a < b)
{
Console.WriteLine ("Less");
}
else
{
Console.WriteLine ("GreaterEqual");
}
}
使用 DevStudio 2005 和 .Net 2。我编译为调试和发布，并检查了编译器的输出：
Release Debug
static void Main (string [] args) static void Main (string [] args)
{ {
00000000 push ebp
00000001 mov ebp,esp
00000003 push edi
00000004 push esi
00000005 push ebx
00000006 sub esp,3Ch
00000009 xor eax,eax
0000000b mov dword ptr [ebp-10h],eax
0000000e xor eax,eax
00000010 mov dword ptr [ebp-1Ch],eax
00000013 mov dword ptr [ebp-3Ch],ecx
00000016 cmp dword ptr ds:[00A2853Ch],0
0000001d je 00000024
0000001f call 793B716F
00000024 fldz
00000026 fstp dword ptr [ebp-40h]
00000029 fldz
0000002b fstp dword ptr [ebp-44h]
0000002e xor esi,esi
00000030 nop
float float
a = float.MaxValue / 3.0f, a = float.MaxValue / 3.0f,
00000000 sub esp,0Ch 00000031 mov dword ptr [ebp-40h],7EAAAAAAh
00000003 mov dword ptr [esp],ecx
00000006 cmp dword ptr ds:[00A2853Ch],0
0000000d je 00000014
0000000f call 793B716F
00000014 fldz
00000016 fstp dword ptr [esp+4]
0000001a fldz
0000001c fstp dword ptr [esp+8]
00000020 mov dword ptr [esp+4],7EAAAAAAh
b = a * a; b = a * a;
00000028 fld dword ptr [esp+4] 00000038 fld dword ptr [ebp-40h]
0000002c fmul st,st(0) 0000003b fmul st,st(0)
0000002e fstp dword ptr [esp+8] 0000003d fstp dword ptr [ebp-44h]
if (a * a < b) if (a * a < b)
00000032 fld dword ptr [esp+4] 00000040 fld dword ptr [ebp-40h]
00000036 fmul st,st(0) 00000043 fmul st,st(0)
00000038 fld dword ptr [esp+8] 00000045 fld dword ptr [ebp-44h]
0000003c fcomip st,st(1) 00000048 fcomip st,st(1)
0000003e fstp st(0) 0000004a fstp st(0)
00000040 jp 00000054 0000004c jp 00000052
00000042 jbe 00000054 0000004e ja 00000056
00000050 jmp 00000052
00000052 xor eax,eax
00000054 jmp 0000005B
00000056 mov eax,1
0000005b test eax,eax
0000005d sete al
00000060 movzx eax,al
00000063 mov esi,eax
00000065 test esi,esi
00000067 jne 0000007A
{ {
Console.WriteLine ("Less"); 00000069 nop
00000044 mov ecx,dword ptr ds:[0239307Ch] Console.WriteLine ("Less");
0000004a call 78678B7C 0000006a mov ecx,dword ptr ds:[0239307Ch]
0000004f nop 00000070 call 78678B7C
00000050 add esp,0Ch 00000075 nop
00000053 ret }
} 00000076 nop
else 00000077 nop
{ 00000078 jmp 00000088
Console.WriteLine ("GreaterEqual"); else
00000054 mov ecx,dword ptr ds:[02393080h] {
0000005a call 78678B7C 0000007a nop
} Console.WriteLine ("GreaterEqual");
} 0000007b mov ecx,dword ptr ds:[02393080h]
00000081 call 78678B7C
00000086 nop
}
上面显示的是，调试和发布的浮点代码是相同的，编译器选择一致性而不是优化。尽管程序产生错误的结果（a * a 不小于 b），但无论调试/发布模式如何，结果都是一样的。
现在，英特尔 IA32 FPU 有 8 个浮点寄存器，您可能会认为编译器在优化时会使用这些寄存器来存储值，而不是写入内存，从而提高性能，大致如下：
fld dword ptr [a] ; precomputed value stored in ram == float.MaxValue / 3.0f
fmul st,st(0) ; b = a * a
; no store to ram, keep b in FPU
fld dword ptr [a]
fmul st,st(0)
fcomi st,st(0) ; a*a compared to b
但这与调试版本的执行方式不同（在本例中，显示正确的结果）。但是，根据构建选项更改程序的行为是一件非常糟糕的事情。
FPU 代码是手工制作代码可以明显优于编译器的一个领域，但您确实需要了解 FPU 的工作方式。
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fuglede
3/28/2019
#5
下面是一个简单的示例，其中结果不仅在调试模式和发布模式之间有所不同，而且它们这样做的方式取决于使用 x86 还是 x84 作为平台：
Single f1 = 0.00000000002f;
Single f2 = 1 / f1;
Double d = f2;
Console.WriteLine(d);
这将写入以下结果：
Debug Release
x86 49999998976 50000000199,7901
x64 49999998976 49999998976
快速浏览一下反汇编（Visual Studio 中的“调试”->“Windows”->“反汇编”）提供了一些有关此处发生的情况的提示。对于 x86 情况：
Debug Release
mov dword ptr [ebp-40h],2DAFEBFFh | mov dword ptr [ebp-4],2DAFEBFFh
fld dword ptr [ebp-40h] | fld dword ptr [ebp-4]
fld1 | fld1
fdivrp st(1),st | fdivrp st(1),st
fstp dword ptr [ebp-44h] |
fld dword ptr [ebp-44h] |
fstp qword ptr [ebp-4Ch] |
fld qword ptr [ebp-4Ch] |
sub esp,8 | sub esp,8
fstp qword ptr [esp] | fstp qword ptr [esp]
call 6B9783BC | call 6B9783BC
特别是，我们看到一堆看似多余的“将浮点寄存器中的值存储在内存中，然后立即将其从内存加载回浮点寄存器”在释放模式下进行了优化。但是，这两个说明
fstp dword ptr [ebp-44h]
fld dword ptr [ebp-44h]
足以将 x87 寄存器中的值从 +5.0000000199790138e+0010 更改为 +4.9999998976000000e+0010，因为可以通过单步拆卸和调查相关寄存器的值来验证（调试 -> Windows ->寄存器，然后右键单击并选中“浮点”）。
x64 的情况截然不同。我们仍然看到相同的优化删除了一些指令，但这一次，一切都依赖于 SSE 及其 128 位寄存器和专用指令集：
Debug Release
vmovss xmm0,dword ptr [7FF7D0E104F8h] | vmovss xmm0,dword ptr [7FF7D0E304C8h]
vmovss dword ptr [rbp+34h],xmm0 | vmovss dword ptr [rbp-4],xmm0
vmovss xmm0,dword ptr [7FF7D0E104FCh] | vmovss xmm0,dword ptr [7FF7D0E304CCh]
vdivss xmm0,xmm0,dword ptr [rbp+34h] | vdivss xmm0,xmm0,dword ptr [rbp-4]
vmovss dword ptr [rbp+30h],xmm0 |
vcvtss2sd xmm0,xmm0,dword ptr [rbp+30h] | vcvtss2sd xmm0,xmm0,xmm0
vmovsd qword ptr [rbp+28h],xmm0 |
vmovsd xmm0,qword ptr [rbp+28h] |
call 00007FF81C9343F0 | call 00007FF81C9343F0
在这里，由于 SSE 单元避免在内部使用比单精度更高的精度（而 x87 单元这样做），因此无论优化如何，我们最终都会得到 x86 情况的“单精度”结果。事实上，人们发现（在 Visual Studio 寄存器概述中启用 SSE 寄存器后）之后，XMM0 包含 000000000000000000-000000000513A43B7，这与之前的49999998976完全相同。vdivss
在实践中，这两种差异都让我感到困扰。除了说明永远不应该比较浮点的相等性之外，该示例还表明，在浮点出现的那一刻，在高级语言（如 C#）中仍有程序集调试的空间。
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