c++ - 信号 NaN 的用处？

Question

我最近阅读了很多关于 IEEE 754 和 x87 架构的内容。我正在考虑在我正在处理的一些数字计算代码中使用 NaN 作为“缺失值”，并且我希望使用信号 NaN 可以让我在我不想的情况下捕获浮点异常继续“缺失值”。相反，我会使用安静的 NaN 来允许“缺失值”通过计算传播。但是，信号 NaN 并不像我认为的那样基于它们上存在的(非常有限的)文档工作。

这是我所知道的摘要(所有这些都使用 x87 和 VC++):

_EM_INVALID(IEEE“无效”异常)在遇到 NaN 时控制 x87 的行为

如果 _EM_INVALID 被屏蔽(异常被禁用)，则不会产生异常并且操作可以返回安静的 NaN。涉及信号 NaN 的操作将 不是 导致抛出异常，但将转换为安静的 NaN。

如果 _EM_INVALID 未屏蔽(启用异常)，则无效操作(例如 sqrt(-1))会导致抛出无效异常。

x87 从不 生成信号 NaN。

如果 _EM_INVALID 未屏蔽，任何 使用信号 NaN(甚至用它初始化变量)会导致抛出无效异常。

标准库提供了一种访问 NaN 值的方法:

std::numeric_limits<double>::signaling_NaN();

和

std::numeric_limits<double>::quiet_NaN();

问题是我认为信号 NaN 没有任何用处。如果 _EM_INVALID 被屏蔽，它的行为与安静的 NaN 完全相同。由于没有 NaN 可与任何其他 NaN 进行比较，因此没有逻辑差异。

如果 _EM_INVALID 没有被屏蔽(异常被启用)，那么甚至不能用信号 NaN 初始化一个变量: double dVal = std::numeric_limits<double>::signaling_NaN();因为这会引发异常(信号 NaN 值被加载到 x87 寄存器中以将其存储到内存地址)。

你可能和我一样有以下想法:

掩码 _EM_INVALID。

用信号 NaN 初始化变量。

取消屏蔽_EM_INVALID。

然而，第 2 步导致信号 NaN 被转换为一个安静的 NaN，所以它的后续使用将 不是 导致抛出异常!所以WTF？!

信号 NaN 有什么用途或目的吗？我知道最初的意图之一是用它初始化内存，以便可以捕获对未初始化浮点值的使用。

有人可以告诉我这里是否遗漏了什么吗？

编辑:

为了进一步说明我希望做的事情，这里有一个例子:

考虑对数据 vector ( double )执行数学运算。对于某些操作，我希望允许 vector 包含“缺失值”(假设这对应于电子表格列，例如，其中某些单元格没有值，但它们的存在很重要)。对于某些操作，我不想让 vector 包含“缺失值”。如果集合中存在“缺失值”，也许我想采取不同的行动方案——也许执行不同的操作(因此这不是无效状态)。

这个原始代码看起来像这样:

const double MISSING_VALUE = 1.3579246e123;
using std::vector;

vector<double> missingAllowed(1000000, MISSING_VALUE);
vector<double> missingNotAllowed(1000000, MISSING_VALUE);

// ... populate missingAllowed and missingNotAllowed with (user) data...

for (vector<double>::iterator it = missingAllowed.begin(); it != missingAllowed.end(); ++it) {
    if (*it != MISSING_VALUE) *it = sqrt(*it); // sqrt() could be any operation
}

for (vector<double>::iterator it = missingNotAllowed.begin(); it != missingNotAllowed.end(); ++it) {
    if (*it != MISSING_VALUE) *it = sqrt(*it);
    else *it = 0;
}

请注意，必须执行对“缺失值”的检查 每次循环迭代 .虽然我理解在大多数情况下， sqrt函数(或任何其他数学运算)可能会掩盖此检查，在某些情况下，运算很少(可能只是一个加法)并且检查成本很高。更不用说“缺失值”使合法输入值失去作用的事实，如果计算合法地到达该值(尽管可能是不可能的)，则可能会导致错误。同样在技术上是正确的，应根据该值检查用户输入数据，并应采取适当的措施。我发现此解决方案不优雅且性能不理想。这是性能关键代码，我们绝对没有并行数据结构或某种数据元素对象的奢侈。

NaN 版本如下所示:

using std::vector;

vector<double> missingAllowed(1000000, std::numeric_limits<double>::quiet_NaN());
vector<double> missingNotAllowed(1000000, std::numeric_limits<double>::signaling_NaN());

// ... populate missingAllowed and missingNotAllowed with (user) data...

for (vector<double>::iterator it = missingAllowed.begin(); it != missingAllowed.end(); ++it) {
    *it = sqrt(*it); // if *it == QNaN then sqrt(*it) == QNaN
}

for (vector<double>::iterator it = missingNotAllowed.begin(); it != missingNotAllowed.end(); ++it) {
    try {
        *it = sqrt(*it);
    } catch (FPInvalidException&) { // assuming _seh_translator set up
        *it = 0;
    }
}

现在消除了显式检查，性能应该得到提高。我认为如果我可以在不接触 FPU 寄存器的情况下初始化 vector ，这一切都会起作用......

此外，我会想象任何有自尊的人 sqrt实现检查 NaN 并立即返回 NaN。

Answer 1

据我了解，发出信号 NaN 的目的是初始化数据结构，但是，当然，C 中的运行时初始化存在将 NaN 作为初始化的一部分加载到浮点寄存器中的风险，从而触发信号，因为编译器不是不知道需要使用整数寄存器复制这个浮点值。

我希望你能初始化一个 static带有信号 NaN 的值，但即使这样也需要编译器进行一些特殊处理，以避免将其转换为安静的 NaN。您也许可以使用一些转换魔法来避免在初始化期间将其视为浮点值。

如果您使用 ASM 编写，这将不是问题。但是在 C 中，尤其是在 C++ 中，我认为您必须颠覆类型系统才能用 NaN 初始化变量。我建议使用 memcpy .