Стандартная библиотека C<fenv.h>

Стандартная библиотека C`<fenv.h>`

<fenv.h>является заголовочным файлом в стандартной библиотеке C, используемым для управления средой вычислений с плавающей запятой.

<fenv.h>Введённый в стандарте C99, он обеспечивает функциональность управления и запроса для исключений с плавающей запятой, режимов округления и других состояний чисел с плавающей запятой.

<fenv.h>Основная цель:

Обнаруживать и обрабатывать исключения с плавающей запятой (такие как деление на ноль, переполнение и т. д.).
Управлять режимом округления для операций с плавающей запятой (такими как округление в сторону нуля, округление до ближайшего и т. д.).
Запрашивать и изменять флаги состояния операций с плавающей запятой.

1, Исключения с плавающей запятой

Исключения с плавающей запятой — это особые ситуации, возникающие во время операций с плавающей запятой, например:

FE_DIVBYZERO: Деление на ноль.
FE_INEXACT: Неточный результат.
FE_INVALID: Недопустимая операция (например, извлечение квадратного корня из отрицательного числа).
FE_OVERFLOW: Переполнение.
FE_UNDERFLOW: Антипереполнение.

Эти исключения представлены флагами состояния операций с плавающей запятой и могут быть<fenv.h>Функции в нём обнаруживают и обрабатывают.

2, Режимы округления

Режим округления управляет способом округления результатов операций с плавающей запятой.<fenv.h>Определены следующие режимы округления:

FE_TONEAREST: округление до ближайшего значения (режим по умолчанию).
FE_DOWNWARD: округление в сторону отрицательной бесконечности.
FE_UPWARD: округление в сторону положительной бесконечности.
FE_TOWARDZERO: округление в сторону нуля.

3, Основные функции и макросы

<fenv.h>Предоставляет набор функций и макросов для управления средой с плавающей запятой и обработки исключений с плавающей запятой.

Обработка исключений с плавающей запятой

Функции/Макросы	Описание
`feclearexcept(int excepts)`	Очистить указанные флаги исключений с плавающей запятой
`feraiseexcept(int excepts)`	Возбудить указанное исключение с плавающей запятой
`fetestexcept(int excepts)`	Проверить, возникло ли указанное исключение с плавающей запятой
`fegetexceptflag(fexcept_t *flagp, int excepts)`	Получить состояние флага исключения с плавающей запятой
`fesetexceptflag(const fexcept_t *flagp, int excepts)`	Установить состояние флага исключения с плавающей запятой

Управление режимом округления

Функции/Макросы	Описание
`fegetround(void)`	Получить текущий режим округления
`fesetround(int round)`	Установить текущий режим округления

Управление средой с плавающей запятой

Функции/Макросы	Описание
`fegetenv(fenv_t *envp)`	Сохранить текущую среду с плавающей запятой
`fesetenv(const fenv_t *envp)`	Восстановление среды с плавающей запятой
`feholdexcept(fenv_t *envp)`	Сохранить текущую среду с плавающей запятой и очистить флаги исключений.
`feupdateenv(const fenv_t *envp)`	Восстановить среду с плавающей запятой и возбуждать исключения

4, Пример

Ниже приведён пример использования<fenv.h>Пример, демонстрирующий, как обнаруживать исключения с плавающей запятой и управлять режимом округления:

Пример

#include <stdio.h>
#include <fenv.h>
#include <math.h>

int main() {
// Включить обнаружение исключений с плавающей запятой
feclearexcept(FE_ALL_EXCEPT);

// Вызвать исключение деления на ноль
double x = 1.0, y = 0.0;
double z = x / y;

// Проверить, возникло ли исключение деления на ноль
if (fetestexcept(FE_DIVBYZERO)) {
printf("Возникло исключение деления на ноль.\n");
}

// Установить режим округления к нулю
fesetround(FE_TOWARDZERO);

// Проверить режим округления
double a = 1.5;
double b = rint(a); // Округление до целого
printf("Округление 1.5 к нулю: %.1f\n", b);

return 0;
}

Результат вывода:

Divide by zero exception occurred.
Rounding 1.5 toward zero: 1.0

Обнаружение исключений с плавающей запятой

Пример

#include <fenv.h>
#include <stdio.h>
#include <math.h>

#pragma STDC FENV_ACCESS ON

void check_exceptions() {
// Сбросить все флаги исключений
feclearexcept(FE_ALL_EXCEPT);

// Выполнить операции, которые могут вызвать исключения
double x = 0.0;
double y = 1.0 / x; // Деление на ноль

// Проверить наличие конкретного исключения
if (fetestexcept(FE_DIVBYZERO)) {
printf("Произошло деление на ноль!"\n");
}

// Проверить наличие любого исключения
if (fetestexcept(FE_ALL_EXCEPT)) {
printf("Произошло по крайней мере одно исключение с плавающей запятой\n");
}
}

int main() {
check_exceptions();
return 0;
}

Управление направлением округления

Пример

#include <fenv.h>
#include <stdio.h>

#pragma STDC FENV_ACCESS ON

void test_rounding(double num) {
int modes[] = {FE_TONEAREST, FE_UPWARD, FE_DOWNWARD, FE_TOWARDZERO};
const char *names[] = {"К ближайшему", "Вверх", "Вниз", "К нулю"};

for (int i = 0; i < 4; i++) {
if (fesetround(modes[i]) == 0) {
printf("Округление %s: %.1f -> %.0f\n",
names[i], num, rint(num));
}
}
}

int main() {
test_rounding(2.5); // Проверить результат 2.5 в разных режимах округления
test_rounding(-2.5); // Проверка результата -2.5 в различных режимах округления
return 0;
}

Сохранение и восстановление среды с плавающей запятой

Пример

#include <fenv.h>
#include <stdio.h>
#include <math.h>

#pragma STDC FENV_ACCESS ON

void sensitive_calculation() {
fenv_t env;

// Сохранить текущую среду
fegetenv(&env);

// Установить строгую среду: перехватывать все исключения
feclearexcept(FE_ALL_EXCEPT);

// Выполнить критический расчёт
double result = sqrt(-1.0); // Недопустимая операция

if (fetestexcept(FE_INVALID)) {
printf("Обнаружена недопустимая операция в чувствительном вычислении\n");
}

// Восстановить исходную среду
fesetenv(&env);
}

int main() {
sensitive_calculation();
return 0;
}

Временное маскирование исключений

Пример

#include <fenv.h>
#include <stdio.h>
#include <math.h>

#pragma STDC FENV_ACCESS ON

void temp_disable_exceptions() {
fenv_t env;

// Сохранить окружение и временно замаскировать все исключения
feholdexcept(&env);

// Выполнить операции, которые могут вызвать исключения
double x = 0.0;
double y = 1.0 / x; // Исключения не будут вызваны

printf("Деление на ноль было выполнено, но не зарегистрировано\n");

// Восстановить окружение и обработать исключения, возникшие ранее
feupdateenv(&env);

// Теперь исключения можно проверить
if (fetestexcept(FE_DIVBYZERO)) {
printf("Деление на ноль было обнаружено после восстановления окружения\n");
}
}

int main() {
temp_disable_exceptions();
return 0;
}

Пример точного вычисления

Пример

#include <fenv.h>
#include <stdio.h>
#include <math.h>

#pragma STDC FENV_ACCESS ON

double precise_sum(double a, double b) {
int original_round = fegetround();
fenv_t env;

// Сохранить среду и установить режим наивысшей точности
fegetenv(&env);
fesetround(FE_TONEAREST);
feclearexcept(FE_ALL_EXCEPT);

double result = a + b;

// Проверить, является ли вычисление точным
if (fetestexcept(FE_INEXACT)) {
printf("Предупреждение: сумма не была точной, возможна потеря точности\n");
}

// Восстановить исходную среду
fesetround(original_round);
fesetenv(&env);

return result;
}

int main() {
double a = 1.0 / 3.0;
double b = 2.0 / 3.0;

printf("Сумма: %.17g\n", precise_sum(a, b));
return 0;
}

Обёртка обработки исключений

Пример

#include <fenv.h>
#include <stdio.h>
#include <math.h>

#pragma STDC FENV_ACCESS ON

typedef double (*math_func)(double);

double safe_math(math_func f, double x, int *error) {
fenv_t env;
*error = 0;

feclearexcept(FE_ALL_EXCEPT);
fegetenv(&env);

double result = f(x);

int exceptions = fetestexcept(FE_ALL_EXCEPT);
if (exceptions) {
*error = exceptions;
if (exceptions & FE_INVALID) printf("Недопустимая операция\n");
if (exceptions & FE_DIVBYZERO) printf("Деление на ноль\n");
if (exceptions & FE_OVERFLOW) printf("Переполнение\n");
if (exceptions & FE_UNDERFLOW) printf("Исчезновение порядка\n");
if (exceptions & FE_INEXACT) printf("Неточный результат\n");
}

fesetenv(&env);
return result;
}

int main() {
int error;

double a = safe_math(sqrt, -1.0, &error);
printf("sqrt(-1) = %f (error: %d)\n", a, error);

double b = safe_math(log, 0.0, &error);
printf("log(0) = %f (error: %d)\n", b, error);

return 0;
}

5, Примечания

Перед использованием возможностей среды с плавающей запятой обычно необходимо включить#pragma STDC FENV_ACCESS ON, чтобы сообщить компилятору не оптимизировать операции со средой с плавающей запятой.
Не все реализации поддерживают все возможности; перед использованием следует проверить, определён ли макрос FE_DFL_ENV.
<fenv.h>Доступно только в C99 и более поздних версиях.
Конкретное поведение при обнаружении исключений с плавающей запятой и управлении режимом округления может зависеть от аппаратного обеспечения и реализации компилятора.
На некоторых платформах исключения с плавающей запятой могут быть замаскированы по умолчанию, и их нужноfeenableexceptи другие функции явно включают.
Операции со средой с плавающей запятой могут влиять на производительность, и их следует использовать с осторожностью.

<fenv.h>Предоставляет функции управления средой с плавающей запятой, включая обнаружение и обработку исключений с плавающей запятой, установку режимов округления, а также запрос и изменение состояния с плавающей запятой. Это мощный инструмент для высокоточных вычислений с плавающей запятой и отладки проблем с плавающей запятой, особенно подходящий для научных вычислений и инженерных приложений. Используя<fenv.h>, разработчики могут лучше контролировать поведение операций с плавающей запятой, обеспечивая точность и надёжность результатов вычислений.

Другие расширения

C Стандартная библиотека

Стандартная библиотека C<fenv.h>