Python中浮点数的二进制表示（位不是十六进制）

Posted 2023-03-11

【中文标题】Python中浮点数的二进制表示（位不是十六进制）

【英文标题】：Binary representation of float in Python (bits not hex)

【发布时间】：2013-05-02 22:08:30

【问题描述】：

如何将字符串作为 32 位浮点数的二进制 IEEE 754 表示？

示例

1.00 -> '00111111100000000000000000000000'

【参考方案1】：

您可以使用 struct 包做到这一点：

import struct
def binary(num):
    return ''.join(':0>8b'.format(c) for c in struct.pack('!f', num))

将其打包为网络字节序浮点数，然后将每个生成的字节转换为 8 位二进制表示形式并将它们连接起来：

>>> binary(1)
'00111111100000000000000000000000'

编辑： 有人要求扩大解释。我将使用中间变量来扩展它来评论每个步骤。

def binary(num):
    # Struct can provide us with the float packed into bytes. The '!' ensures that
    # it's in network byte order (big-endian) and the 'f' says that it should be
    # packed as a float. Alternatively, for double-precision, you could use 'd'.
    packed = struct.pack('!f', num)
    print 'Packed: %s' % repr(packed)

    # For each character in the returned string, we'll turn it into its corresponding
    # integer code point
    # 
    # [62, 163, 215, 10] = [ord(c) for c in '>\xa3\xd7\n']
    integers = [ord(c) for c in packed]
    print 'Integers: %s' % integers

    # For each integer, we'll convert it to its binary representation.
    binaries = [bin(i) for i in integers]
    print 'Binaries: %s' % binaries

    # Now strip off the '0b' from each of these
    stripped_binaries = [s.replace('0b', '') for s in binaries]
    print 'Stripped: %s' % stripped_binaries

    # Pad each byte's binary representation's with 0's to make sure it has all 8 bits:
    #
    # ['00111110', '10100011', '11010111', '00001010']
    padded = [s.rjust(8, '0') for s in stripped_binaries]
    print 'Padded: %s' % padded

    # At this point, we have each of the bytes for the network byte ordered float
    # in an array as binary strings. Now we just concatenate them to get the total
    # representation of the float:
    return ''.join(padded)

还有几个例子的结果：

>>> binary(1)
Packed: '?\x80\x00\x00'
Integers: [63, 128, 0, 0]
Binaries: ['0b111111', '0b10000000', '0b0', '0b0']
Stripped: ['111111', '10000000', '0', '0']
Padded: ['00111111', '10000000', '00000000', '00000000']
'00111111100000000000000000000000'

>>> binary(0.32)
Packed: '>\xa3\xd7\n'
Integers: [62, 163, 215, 10]
Binaries: ['0b111110', '0b10100011', '0b11010111', '0b1010']
Stripped: ['111110', '10100011', '11010111', '1010']
Padded: ['00111110', '10100011', '11010111', '00001010']
'00111110101000111101011100001010'

【讨论】：

@MarkRansom -- 你可能是对的，但似乎对于不需要完成的每一位都进行了大量的字符串操作......

我同意@mgilson——我实际上更喜欢他的解决方案，但最后一个 replace 和 rjust 到 32（或 64），而不是每个字节一个。

对于 Python 3，您必须省略对 ord() 的调用，因为 pack() 返回一个字节对象，该对象在迭代时直接产生整数。

更短的 Python 3 版本：''.join(':0>8b'.format(c) for c in struct.pack('!f', num))

@gciriani 将浮点格式 (f) 替换为 double format (d)，即 ''.join(':0>8b'.format(c) for c in struct.pack('!f', num))

【参考方案2】：

这是一个丑陋的...

>>> import struct
>>> bin(struct.unpack('!i',struct.pack('!f',1.0))[0])
'0b111111100000000000000000000000'

基本上，我只是使用 struct 模块将 float 转换为 int ...

---

这是一个稍微好一点的使用ctypes：

>>> import ctypes
>>> bin(ctypes.c_uint.from_buffer(ctypes.c_float(1.0)).value)
'0b111111100000000000000000000000'

基本上，我构造了一个float 并使用相同的内存位置，但我将它标记为c_uint。 c_uint 的值是一个 python 整数，你可以使用内置的 bin 函数。

【讨论】：

它依赖于sizeof(int) == sizeof(float)（使用'!'强制4字节用于i格式）。 ctypes.sizeof(ctypes.c_int) 可能取决于平台。 Python 3.2+ 上有int.from_bytes()

@J.F.Sebastian -- 我想我还假设 bin 返回 IEEE 标准表示...

我想我也没有。 bin 函数并不能保证输出的多少——只是它是一个 python 可以处理的对象。如果sizeof(int) != sizeof(float) 那么它没有使用 IEEE 754（是吗？）。在这种情况下，bin 返回的位模式也可以是任何东西——例如由于不同的字节顺序，这些位可能会向后报告或其他原因。符号位可能在其他地方，等等。

sizeof(int) != sizeof(float) 问题与bin() 无关（适用于无限制的 Python 整数）。要支持负浮点数，use !I format.

我很抱歉这个大死灵，但我必须对ctypes 变体进行更正：当使用负数时，结果都是错误的，可能是由于 python 应用2 的补码或中间某处的其他一些恶作剧。当尝试使用数字 -1.0 的示例时，结果中实际编码的 IEEE 754 为 4.0 ('-0b1000000100000000000000000000000')... 将示例中的 ctypes.c_int 替换为 ctypes.c_uint 时似乎可以正常工作。编辑：快速响应的巨大荣誉！ :)

【参考方案3】：

使用bitstring 模块找到了另一个解决方案。

import bitstring
f1 = bitstring.BitArray(float=1.0, length=32)
print(f1.bin)

输出：

00111111100000000000000000000000

【讨论】：

这几天是f1.bin

可以从以下网站验证值：h-schmidt.net/FloatConverter/IEEE754.html

bitstring 链接断开

【参考方案4】：

为了完整起见，您可以使用 numpy 实现这一点：

f = 1.00
int32bits = np.asarray(f, dtype=np.float32).view(np.int32).item()  # item() optional

然后您可以使用 b 格式说明符打印此内容并使用填充

print(':032b'.format(int32bits))

【讨论】：

稍微整洁一点：int32bits = np.float32(1.0).view(np.int32)

如果你真的想要一个 python，仍然需要.item() int

是的，没错。否则，你有一个np.int32 对象

仍然整洁：int32bits = np.float32(1.0).view(np.int32).item() :)

int32bits = np.float32(-3.03).view(np.uint32).item() 只放一次标志

【参考方案5】：

这个问题通过分成两部分处理得更干净。

第一种是将float转换为具有等效位模式的int：

import struct
def float32_bit_pattern(value):
    return sum(ord(b) << 8*i for i,b in enumerate(struct.pack('f', value)))

Python 3 不需要ord 将字节转换为整数，因此您需要稍微简化一下上述内容：

def float32_bit_pattern(value):
    return sum(b << 8*i for i,b in enumerate(struct.pack('f', value)))

接下来将 int 转换为字符串：

def int_to_binary(value, bits):
    return bin(value).replace('0b', '').rjust(bits, '0')

现在将它们组合起来：

>>> int_to_binary(float32_bit_pattern(1.0), 32)
'00111111100000000000000000000000'

【讨论】：

float32_bit_pattern 在 Python 3.2+ 上可以定义为 lambda x: int.from_bytes(struct.pack("f", x), byteorder="little")

无法编译。

@noobcoder 抱歉，Python 3 不需要 ord 来转换 struct.pack 的输出。我忘了提import struct。

【参考方案6】：

使用这两个简单的函数 (Python >=3.6)，您可以轻松地将浮点数转换为二进制数，反之亦然，适用于 IEEE 754 binary64。

import struct

def bin2float(b):
    ''' Convert binary string to a float.

    Attributes:
        :b: Binary string to transform.
    '''
    h = int(b, 2).to_bytes(8, byteorder="big")
    return struct.unpack('>d', h)[0]


def float2bin(f):
    ''' Convert float to 64-bit binary string.

    Attributes:
        :f: Float number to transform.
    '''
    [d] = struct.unpack(">Q", struct.pack(">d", f))
    return f'd:064b'

例如：

print(float2bin(1.618033988749894))
print(float2bin(3.14159265359))
print(float2bin(5.125))
print(float2bin(13.80))

print(bin2float('0011111111111001111000110111011110011011100101111111010010100100'))
print(bin2float('0100000000001001001000011111101101010100010001000010111011101010'))
print(bin2float('0100000000010100100000000000000000000000000000000000000000000000'))
print(bin2float('0100000000101011100110011001100110011001100110011001100110011010'))

输出是：

0011111111111001111000110111011110011011100101111111010010100100
0100000000001001001000011111101101010100010001000010111011101010
0100000000010100100000000000000000000000000000000000000000000000
0100000000101011100110011001100110011001100110011001100110011010
1.618033988749894
3.14159265359
5.125
13.8

我希望你喜欢它，它对我很有效。

【讨论】：

还有——你为什么用struct.unpack('>Q', ...)而不是int.from_bytes(..., 'big')？

你说得对，decode 行无意中渗入了，我已经对其进行了编辑。谢谢通知。关于您的最后一条评论，请使用struct，因为接收函数的参数是浮点数，而不是整数，并且浮点数没有可用的to_bytes() 方法。如果您能想到更好的方法，欢迎您:)

感谢您的回答！如果你有时间，你能看看这个例子吗？如果我理解正确，1.0 的浮点表示是.100...0 * 2^(00000000001)，其中指数有 11 位，尾数有 52。因此，我认为1.0 的浮点表示应该是00000000000110000000000000000000000000000000000000000000000000000。我试过float2bin(1.0)，结果是0011111111110000000000000000000000000000000000000000000000000000。你能解释一下区别吗？

【参考方案7】：

用 Python3 的彩色版本来跟踪 Dan 的回答：

import struct

BLUE = "\033[1;34m"
CYAN = "\033[1;36m"
GREEN = "\033[0;32m"
RESET = "\033[0;0m"


def binary(num):
    return [bin(c).replace('0b', '').rjust(8, '0') for c in struct.pack('!f', num)]


def binary_str(num):
    bits = ''.join(binary(num))
    return ''.join([BLUE, bits[:1], GREEN, bits[1:10], CYAN, bits[10:], RESET])


def binary_str_fp16(num):
    bits = ''.join(binary(num))
    return ''.join([BLUE, bits[:1], GREEN, bits[1:10][-5:], CYAN, bits[10:][:11], RESET])

x = 0.7
print(x, "as fp32:", binary_str(0.7), "as fp16 is sort of:", binary_str_fp16(0.7))

【参考方案8】：

在浏览了很多类似的问题后，我写了一些希望能达到我想要的东西。

f = 1.00
negative = False
if f < 0:
    f = f*-1
    negative = True

s = struct.pack('>f', f)
p = struct.unpack('>l', s)[0]
hex_data =  hex(p)

scale = 16
num_of_bits = 32
binrep = bin(int(hex_data, scale))[2:].zfill(num_of_bits)
if negative:
    binrep = '1' + binrep[1:]

binrep 是结果。 每个部分都会进行说明。

---

f = 1.00
negative = False
if f < 0:
    f = f*-1
    negative = True

如果为负数，则将数字转换为正数，并将变量负数设置为假。原因是正负二进制表示的区别就在第一位，这比在用负数做整个过程时找出问题所在更简单。

---

s = struct.pack('>f', f)                          #'?\x80\x00\x00'
p = struct.unpack('>l', s)[0]                     #1065353216
hex_data =  hex(p)                                #'0x3f800000'

s 是二进制 f 的十六进制表示。然而，它不是我需要的漂亮形式。这就是 p 的用武之地。它是十六进制 s 的 int 表示。然后进行另一次转换以获得漂亮的十六进制。

---

scale = 16
num_of_bits = 32
binrep = bin(int(hex_data, scale))[2:].zfill(num_of_bits)
if negative:
    binrep = '1' + binrep[1:]

scale 是十六进制的基数 16。 num_of_bits 是 32，因为 float 是 32 位，所以稍后用 0 填充其他位置以达到 32。从 this question 获取 binrep 的代码。如果数字是负数，只需更改第一位。

---

我知道这很难看，但我没有找到一个好的方法，我需要它快点。欢迎评论。

【讨论】：

bin(struct.unpack('!I', struct.pack('!f', -1.))[0])[2:].zfill(32) 支持正/负浮点数。为了提高性能，您可以修改 b2a_bin(struct.pack('!f', -1.)) 以直接接受浮点数。

【参考方案9】：

这比要求的要多一点，但是当我找到这个条目时，它就是我所需要的。此代码将给出 IEEE 754 32 位浮点数的尾数、基数和符号。

import ctypes
def binRep(num):
    binNum = bin(ctypes.c_uint.from_buffer(ctypes.c_float(num)).value)[2:]
    print("bits: " + binNum.rjust(32,"0"))
    mantissa = "1" + binNum[-23:]
    print("sig (bin): " + mantissa.rjust(24))
    mantInt = int(mantissa,2)/2**23
    print("sig (float): " + str(mantInt))
    base = int(binNum[-31:-23],2)-127
    print("base:" + str(base))
    sign = 1-2*("1"==binNum[-32:-31].rjust(1,"0"))
    print("sign:" + str(sign))
    print("recreate:" + str(sign*mantInt*(2**base)))

binRep(-0.75)

输出：

bits: 10111111010000000000000000000000
sig (bin): 110000000000000000000000
sig (float): 1.5
base:-1
sign:-1
recreate:-0.75

【讨论】：

当用 sqrt(2) 验证这个脚本时，它似乎只给出了正确的 6 个十进制数字。某处有错误吗？ 2**.5 = 1.4142135623730951 但您的脚本为 binRep(2**.5) 输出以下内容，重新创建：1.4142135381698608。

【参考方案10】：

在 0..1 之间转换浮点数

def float_bin(n, places = 3): 
    if (n < 0 or n > 1):
        return "ERROR, n must be in 0..1"
    
    answer = "0."
    while n > 0:
        if len(answer) - 2 == places: 
            return answer
        
        b = n * 2
        if b >= 1:
            answer += '1'
            n = b - 1
        else:
            answer += '0'
            n = b
            
    return answer

【讨论】：

我修正了代码：长度检查没有考虑前导零和点，b > 1 必须是b >= 1。测试结果：0 为“0.”，0.5 为“0.1”，0.25 为“0.01”，0.125 为“0.001”，0.1 为“0.0001100110”（places = 10）。

【参考方案11】：

这些答案中有几个不能像用 Python 3 编写的那样工作，或者没有给出负浮点数的正确表示。我发现以下内容对我有用（尽管这提供了我需要的 64 位表示）

def float_to_binary_string(f):
    def int_to_8bit_binary_string(n):
        stg=bin(n).replace('0b','')
        fillstg = '0'*(8-len(stg))
        return fillstg+stg
    return ''.join( int_to_8bit_binary_string(int(b)) for b in struct.pack('>d',f) )

【讨论】：

或许值得一提的是，>d 用于大端双精度（8 字节数字），<d 用于小端双精度。

【参考方案12】：

我做了一个非常简单的。请检查一下。如果您认为有任何错误，请告诉我。这对我来说很好。

sds=float(input("Enter the number : "))
sf=float("0."+(str(sds).split(".")[-1]))
aa=[]

while len(aa)<15:
    dd=round(sf*2,5)
    if dd-1>0:
        
        aa.append(1)
        sf=dd-1
        
    else:
        
        sf=round(dd,5)
        aa.append(0)
    
des=aa[:-1]
print("\n")
AA=([str(i) for i in des])

print("So the Binary Of : %s>>>"%sds,bin(int(str(sds).split(".")[0])).replace("0b",'')+"."+"".join(AA))

或者如果是整数，只需使用bin(integer).replace("0b",'')

【参考方案13】：

在我看来，您可以使用 .format 来最简单地表示位：

我的代码看起来像：

def fto32b(flt):
# is given a 32 bit float value and converts it to a binary string
if isinstance(flt,float):
    # THE FOLLOWING IS AN EXPANDED REPRESENTATION OF THE ONE LINE RETURN
            #   packed = struct.pack('!f',flt) <- get the hex representation in (!)Big Endian format of a (f) Float
            #   integers = []
            #   for c in packed:
            #       integers.append(ord(c))    <- change each entry into an int
            #   binaries = []
            #   for i in integers:
            #       binaries.append("0:08b".format(i)) <- get the 8bit binary representation of each int (00100101)
            #   binarystring = ''.join(binaries) <- join all the bytes together
            #   return binarystring
    return ''.join(["0:08b".format(i) for i in [ord(c) for c in struct.pack('!f',flt)]])
return None

输出：

>>> a = 5.0
'01000000101000000000000000000000'
>>> b = 1.0
'00111111100000000000000000000000'