在C语言中将浮点数四舍五入为最接近的整数

Question

我可能会有一个新手问题，但是在搜索网站上没有找到任何东西。我正在学习使用C语言编程，并尝试从头开始构建一个将浮点数四舍五入为最接近的整数的函数，而不使用math.h库。这是我的代码：

void main()
{
    float b;
    for(b = 0; b <= 2; b = b + 0.1)
    {
        printf("%f    ", b);
        printf("%i    ", (int)b);
        printf("%f    ", b - (int)b);
        printf("Nearest: ");
        if((b - (int)b)<0.5)
            printf("%i    ", (int)b);
        else
            printf("%i    ", (int)b + 1);
        printf("Function: %i    ", round_near(b));
        printf("\n");
    }
    getchar();
}

int round_near(float b)
{
    if((b - (int)b)<0.5)
        return(int)b;
    else
        return (int)b + 1;
}

我的结果看起来像这样：

代码有些多余，只是为了查看函数的一些单独步骤。 出了什么问题？是否有我不知道的浮点类型变量的诡计？

- Vlad Danila

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工作：http://ideone.com/TLKAiL - user4651282

不要忘记负数... - Eugene Sh.

@EugeneSh。在什么情况下(int)b会大于b？ - scohe001

void main() --> int main(void) - Sourav Ghosh

我觉得这是一个非常棒的问题。如果我要教别人C语言中这个不太常见的部分，我找不到比使用这个问题作为例子更好的方式了。 - QuestionC

Answer 1

你的代码中没有 int round_near(float b) 的原型，因此你依靠隐式声明。

尝试将以下内容添加到你的代码中。

int round_near (float b); // Prototype

int main(void) // Nitpick: main returns an int!

使用隐式声明来调用 round_near(b) 函数时，b 会被提升为 double 类型。但是函数定义假设它是 float 类型，而这两种类型的二进制布局不同，因此会得到疯狂的随机结果。

为避免这种情况发生，你应该确保你的代码在编译时没有任何警告。虽然编程语言中存在隐式声明仅是为了保持向后兼容性，但是过去10年或20年的每个编译器都会在编译时给出警告，表示这种方式是不好的。

- QuestionC

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它代表着：仍然是唯一完整的答案。 - alk

“尴尬”，我没想到要检查是否包含了原型。经典的新手错误。不过，很有趣，我不知道浮点数和双精度浮点数不能轻松互换。我以为其中一个只是另一个的缩写，就像 int 和 long int 一样。另外提个问题，为什么 int main(void) 比 void main() 好？ - Vlad Danila

90%的时间它们是可以互换的。但它们确实有不同的内存布局（浮点数是32位，双精度浮点数是64位），而且你发现了一种情况，即你最终将一个双精度浮点数塞入了一个浮点数的内存布局中，从而导致了错误。 - QuestionC

关于 main 函数返回 int 类型：请注意，操作系统会看到 main 函数的返回值。按照惯例，return 0; 表示程序成功执行，而非零则表示某种失败情况。 - QuestionC

如果我的回答解决了你的问题，请接受它作为答案。 - QuestionC

Answer 2

当我尝试在gcc下编译这个程序时，出现了以下错误：

/tmp/x1.c:23: error: conflicting types for ‘round_near’
/tmp/x1.c:23: note: an argument type that has a default promotion can’t match an empty parameter name list declaration
/tmp/x1.c:16: error: previous implicit declaration of ‘round_near’ was here

你得到的有趣结果是因为编译器在第一次遇到round_near时不知道它的定义，并假定它是int round_near()。这导致了未定义的行为。

如果你将round_near移到main函数上面或者在main函数上面放置一个声明，你应该会得到预期的结果。

- dbush

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为什么会产生未定义行为？ - alk

Answer 3

@QuestionC很好地回答了OP的问题：隐含函数签名int round_near(...)与int round_near(float b)不兼容，调用round_near(b)将b作为double传递。简单解决方案：原型函数。

关于round_near()的一些问题：

1. 强制转换为int会严重缩小合法范围。最好使用long long。

2. 负数的通用错误功能。@Eugene Sh。代码应该测试符号。

下面是一个解决方案，利用long long的范围，因为它通常比float可以准确表示的整数范围更大。或者，OP可以用round_near()替换my_roundf()并使用此代码进行测试。 round_near()失败了约40％的时间。

#include <limits.h>
#include <stdio.h>

float my_roundf(float x) {
  // Large `float`s typically have no fractional portion to round
  if (x > LLONG_MAX / 2) return x;
  if (x < LLONG_MIN / 2) return x;
  return x > 0 ? (long long) (x + 0.5f) : (long long) (x - 0.5f);
}

float rand_float(void) {
  union {
    unsigned char uc[sizeof(float)];
    float f;
  } u;
  do {
    unsigned i;
    for (i = 0; i < sizeof(float); i++) {
      u.uc[i] = rand();
    }
  } while (u.f != u.f);  // re-do if NaN encountered
  return u.f;
}

void my_roundf_test(void) {
  unsigned n = 100000;
  while (n-- > 0) {
    float x = rand_float();
    float ymath = roundf(x);
    // float ymy = round_near(x);
    float ymy = my_roundf(x);
    // Exact half-way cases may fail
    if (ymath != ymy) {
      printf("x:% .9e math:% .9e my:% .9e\n", x, ymath, ymy);
    }
  }
}

注意：有关各种浮点舍入模式、负零等确切的中间情况需要考虑，以获得完整的答案。但这些内容留待另一天再讨论。

- chux - Reinstate Monica

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谢谢您的建议。我没有考虑过以0.5递增并向下取整与四舍五入到最近值相同。这很聪明。我甚至没有考虑过使用long long而不是int，因为我大多数情况下使用float来表示小有理数而不是大数。负数是一个完全疏忽的问题。 - Vlad Danila

Answer 4

一个简单的例子（float 无法适应 int 类型，因此使用 long long）。

long long round(float a) {
    long long b = a;
    if (a >= 0)
        return a - b < 0.5 ? b : b + 1;
    else
        return b - a < 0.5 ? b : b - 1;
}

- Shreevardhan

Answer 5

输出像-241...而不是通常表示未初始化整数的1或2... 然而，在Linux上，您的代码使用GNU C编译器（gcc）编译得很好，只需将round_near函数移动到int main()之前或者在int main()之前插入一个空白定义该函数（如int round_near(float b);）--即“原型”。

否则，您的函数将被视为int round_near()（请注意缺少参数定义），因此程序打印出未初始化的整数。

另一方面，这样的做法不会产生可移植的代码，因此如果没有以下修改，您的（实际上是C）代码可能会在Visual Studio中编译...但在其他编译器中不行。

还有一个离题的话题：不要在for循环中使用浮点数。浮点数很讨厌！

- dam

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没有在<code>int main()</code>之前对函数进行适当定义原型，你的函数将被称为<code>int round_near()</code>而不是<code>int round_near(1.2)</code>。看到区别了吗？b被丢弃了，所以没有给参数b提供值=>没有值可用于(int)b以及后续操作... - dam

这个“你的函数将被称为 int round_near() 而不是 int round_near(1.2)”是不正确的。C语言是不同的。问题不在于缺少原型，而是float类型会升级为double类型（参见下面QuestionC的回答）。如果OP编写了round_near(double f)的代码，则即使没有原型，代码也能正常工作。 - alk