C#通用的二进制转化为float和double方法
上一篇，我们将32位二进制【或4个字节】转化为float【Real】小数，这次我们使用通用的方法进行二进制转化。
C#中将32位二进制转换为float【Real】十进制类型_斯内科的博客-CSDN博客
二进制转化float(double)方法:
//单精度浮点数对应32位
//符号位(Sign) : 0代表正，1代表为负【占1位】
//指数位（Exponent）:用于存储科学计数法中的指数数据，并且采用移位存储【占8位】
//尾数部分（Mantissa）：尾数部分【占23位】
//单精度float:N共32位，其中S占1位，E占8位，M占23位。因此小数点后最多精确到23/4=6位
//双精度double:N共64位，其中S占1位，E占11位，M占52位。因此小数点后最多精确到52/4=13位
//IEEE规则：二进制32位转float【Real】规则
//第一位为1代表负数，第一位为0代表正数或者0
//第二位到第九位代表 指数位，对应的值减去127就是移位数【shiftCount】
//【第十位开始】尾数23位前面加一个1，凑够24位，这个24位尾数的前【shiftCount+1】个数就是整数部分，剩下的就是小数部分
//整数二进制转为10进制：从低位到高位分别是2的0次幂、1次幂、2次幂……，分别相乘再相加，得到的和即为10进制结果。
//小数部分的二进制转换位10进制：与整数部分类似，从小数点开始分别是2的-1次幂、-2次幂、-3次幂……，分别相乘再相加，得到的和即为10进制结果，比如001（2进制）对应0.125（10进制）
| 目标数据类型 | 源二进制位数 | 转化逻辑 |
| float(Real、Single) | 32位 | 第一位为1代表负数，第一位为0代表正数或者0 第十位开始】尾数23位前面加一个1，凑够24位，这个24位尾数的前【shiftCount+1】个数就是整数部分，剩下的就是小数部分 |
| double(LReal、Double) | 64位 | 第一位为1代表负数，第一位为0代表正数或者0 第十三位开始】尾数52位前面加一个1，凑够53位，这个53位尾数的前【shiftCount+1】个数就是整数部分，剩下的就是小数部分 |
C#源程序如下：
关键方法：static T BinaryBitToFractional
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;
namespace BinaryToFloatDemo
{
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Console.SetWindowSize(160, 50);
//单精度浮点数对应32位
//符号位(Sign) : 0代表正，1代表为负【占1位】
//指数位（Exponent）:用于存储科学计数法中的指数数据，并且采用移位存储【占8位】
//尾数部分（Mantissa）：尾数部分【占23位】
//单精度float:N共32位，其中S占1位，E占8位，M占23位。因此小数点后最多精确到23/4=6位
//双精度double:N共64位，其中S占1位，E占11位，M占52位。因此小数点后最多精确到52/4=13位
//IEEE规则：二进制32位转float【Real】规则
//第一位为1代表负数，第一位为0代表正数或者0
//第二位到第九位代表 指数位，对应的值减去127就是移位数【shiftCount】
//【第十位开始】尾数23位前面加一个1，凑够24位，这个24位尾数的前【shiftCount+1】个数就是整数部分，剩下的就是小数部分
//整数二进制转为10进制：从低位到高位分别是2的0次幂、1次幂、2次幂……，分别相乘再相加，得到的和即为10进制结果。
//小数部分的二进制转换位10进制：与整数部分类似，从小数点开始分别是2的-1次幂、-2次幂、-3次幂……，分别相乘再相加，得到的和即为10进制结果，比如001（2进制）对应0.125（10进制）
byte[] binary32ArraySource = new byte[4] { 80, 32, 241, 71 };
byte[] binary64ArraySource = new byte[8] { 215, 252, 96, 26, 153, 190, 60, 194 };
try
{
float fNumber = Binary32BitToFloat(binary32ArraySource);
Console.WriteLine(fNumber);
double dNumber = Binary64BitToDouble(binary64ArraySource);
Console.WriteLine(dNumber);
Console.WriteLine($"-------------下面整体测试通用方法【{nameof(BinaryBitToFractional)}】-------------");
fNumber = BinaryBitToFractional(binary32ArraySource);
Console.WriteLine(fNumber);
dNumber = BinaryBitToFractional(binary64ArraySource);
Console.WriteLine(dNumber);
}
catch (Exception ex)
{
Console.WriteLine(ex.Message);
}
Console.ReadLine();
}
///
/// 32位二进制转化为对应的浮点数float【Real】
///
///
/// binaryCollection = binaryArray.Select(element => Convert.ToString(element, 2).PadLeft(8, '0'));
string binaryString = string.Join("", binaryCollection);
Console.WriteLine($"转化为32位二进制，为【{string.Join("\x20", binaryCollection)}】");
string signString = (binaryString[0] == '1' ? "-" : "+");
Console.WriteLine($"符号位占用1位，为【{signString}】");
string exponent = binaryString.Substring(1, 8);
int shiftCount = Convert.ToInt32(exponent, 2) - 127;
Console.WriteLine($"指数位为8位【{exponent}】,对应数字【{Convert.ToInt32(exponent, 2)}】，共移动【{shiftCount}】位");
string mantissa = binaryString.Substring(9);
string dotString = $"1.{mantissa}";
Console.WriteLine($"尾数位为23位【{mantissa}】,尾数位前面添加一个1并插入移位小数点,字符串为【{dotString}乘以2的{shiftCount}次方】");
dotString = dotString.Replace(".", "").Insert(shiftCount + 1, ".");
Console.WriteLine($"即【{dotString}】");
string integerPart = dotString.Substring(0, shiftCount + 1);//整数部分
string fractionalPart = dotString.Substring(shiftCount + 2);//小数部分
//整数部分：从低位到高位 依次是2的0次方，2个1次方，2的2次方，然后累加
long numberInteger = 0;
for (int i = 0; i < integerPart.Length; i++)
{
if (integerPart[i] == '1')
{
numberInteger += (1L << (integerPart.Length - 1 - i));
}
}
//小数部分：从小数点开始分别是2的-1次幂、-2次幂、-3次幂……
decimal numberFractional = 0M;
for (int i = 0; i < fractionalPart.Length; i++)
{
if (fractionalPart[i] == '1')
{
numberFractional += (decimal)Math.Pow(2, -1 - i);
}
}
Console.WriteLine($"整数部分【{integerPart}】,对应整数为【{numberInteger}】.或者使用Convert，整数也为【{Convert.ToInt32(integerPart, 2)}】");
Console.WriteLine($"小数部分【{fractionalPart}】,对应小数【{numberFractional}】");
string destNumber = $"{signString}{numberInteger + numberFractional}";
Console.WriteLine($"32位二进制对应的浮点数为【{destNumber}】,使用BitConverter转换为浮点数的结果为【{BitConverter.ToSingle(binaryArraySource, 0)}】");
return float.Parse(destNumber);
}
///
/// 64位二进制转化为对应的双精度浮点数double【Double】
///
///
/// binaryCollection = binaryArray.Select(element => Convert.ToString(element, 2).PadLeft(8, '0'));
string binaryString = string.Join("", binaryCollection);
Console.WriteLine($"转化为64位二进制，为【{string.Join("\x20", binaryCollection)}】");
string signString = (binaryString[0] == '1' ? "-" : "+");
Console.WriteLine($"符号位占用1位，为【{signString}】");
string exponent = binaryString.Substring(1, 11);
int shiftCount = Convert.ToInt32(exponent, 2) - 1023;
Console.WriteLine($"指数位为8位【{exponent}】,对应数字【{Convert.ToInt32(exponent, 2)}】，共移动【{shiftCount}】位");
string mantissa = binaryString.Substring(12);
string dotString = $"1.{mantissa}";
Console.WriteLine($"尾数位为52位【{mantissa}】,尾数位前面添加一个1并插入移位小数点,字符串为【{dotString}乘以2的{shiftCount}次方】");
dotString = dotString.Replace(".", "").Insert(shiftCount + 1, ".");
Console.WriteLine($"即【{dotString}】");
string integerPart = dotString.Substring(0, shiftCount + 1);//整数部分
string fractionalPart = dotString.Substring(shiftCount + 2);//小数部分
//整数部分：从低位到高位 依次是2的0次方，2个1次方，2的2次方，然后累加
long numberInteger = 0L;
for (int i = 0; i < integerPart.Length; i++)
{
if (integerPart[i] == '1')
{
numberInteger += (1L << (integerPart.Length - 1 - i));
}
}
//小数部分：从小数点开始分别是2的-1次幂、-2次幂、-3次幂……
decimal numberFractional = 0M;
for (int i = 0; i < fractionalPart.Length; i++)
{
if (fractionalPart[i] == '1')
{
numberFractional += (decimal)Math.Pow(2, -1 - i);
}
}
Console.WriteLine($"整数部分【{integerPart}】,对应整数为【{numberInteger}】.或者使用Convert，整数也为【{Convert.ToInt64(integerPart, 2)}】");
Console.WriteLine($"小数部分【{fractionalPart}】,对应小数【{numberFractional}】");
string destNumber = $"{signString}{numberInteger + numberFractional}";
Console.WriteLine($"64位二进制对应的浮点数为【{destNumber}】,使用BitConverter转换为浮点数的结果为【{BitConverter.ToDouble(binaryArraySource, 0)}】");
return double.Parse(destNumber);
}
///
/// 通用的二进制32位或64位 转浮点小数
///
/// 仅支持float和double
///
/// (byte[] binaryArraySource) where T : struct
{
if (typeof(T) != typeof(float) && typeof(T) != typeof(double))
{
throw new Exception($"类型错误，必须是浮点数类型【float或double】");
}
if (binaryArraySource == null)
{
throw new ArgumentException($"源数组不能为空", nameof(binaryArraySource));
}
if (typeof(T) == typeof(float) && binaryArraySource.Length != 4)
{
throw new ArgumentException($"转化为float时，源数组必须有且只有4个元素", nameof(binaryArraySource));
}
if (typeof(T) == typeof(double) && binaryArraySource.Length != 8)
{
throw new ArgumentException($"转化为double时，源数组必须有且只有8个元素", nameof(binaryArraySource));
}
//单精度float:N共32位，其中S占1位，E占8位，M占23位。因此小数点后最多精确到23/4=6位
int signBitCount = 1;//符号位数,代表正数还是负数
int exponentBitCount = 8;//指数位数
int mantissaBitCount = 23;//尾数位数
int totalBitCount = 32;//二进制总位数
if (typeof(T) == typeof(double))
{
//双精度double:N共64位，其中S占1位，E占11位，M占52位。因此小数点后最多精确到52/4=13位
exponentBitCount = 11;//指数位数
mantissaBitCount = 52;//尾数位数
totalBitCount = 64;//二进制总位数
}
byte[] binaryArray = binaryArraySource.Reverse().ToArray();
Console.WriteLine($"将数组顺序反转，反转后为【{string.Join(",", binaryArray)}】");
IEnumerable binaryCollection = binaryArray.Select(element => Convert.ToString(element, 2).PadLeft(8, '0'));
string binaryString = string.Join("", binaryCollection);
Console.WriteLine($"转化为【{totalBitCount}】位二进制，为【{string.Join("\x20", binaryCollection)}】");
string signString = (binaryString[0] == '1' ? "-" : "+");
Console.WriteLine($"符号位占用【{signBitCount}】位，为【{signString}】");
string exponent = binaryString.Substring(1, exponentBitCount);
int shiftCount = Convert.ToInt32(exponent, 2) - (1 << (exponentBitCount - 1)) + 1;
Console.WriteLine($"指数位为【{exponentBitCount}】位【{exponent}】,对应数字【{Convert.ToInt32(exponent, 2)}】，共移动【{shiftCount}】位");
string mantissa = binaryString.Substring(signBitCount + exponentBitCount);
string dotString = $"1.{mantissa}";
Console.WriteLine($"尾数位为【{mantissaBitCount}】位【{mantissa}】,尾数位前面添加一个1并插入移位小数点,字符串为【{dotString}乘以2的{shiftCount}次方】");
dotString = dotString.Replace(".", "").Insert(shiftCount + 1, ".");
Console.WriteLine($"即【{dotString}】");
string integerPart = dotString.Substring(0, shiftCount + 1);//整数部分
string fractionalPart = dotString.Substring(shiftCount + 2);//小数部分
//整数部分：从低位到高位 依次是2的0次方，2个1次方，2的2次方，然后累加
long numberInteger = 0L;
for (int i = 0; i < integerPart.Length; i++)
{
if (integerPart[i] == '1')
{
numberInteger += (1L << (integerPart.Length - 1 - i));
}
}
//小数部分：从小数点开始分别是2的-1次幂、-2次幂、-3次幂……
decimal numberFractional = 0M;
for (int i = 0; i < fractionalPart.Length; i++)
{
if (fractionalPart[i] == '1')
{
numberFractional += (decimal)Math.Pow(2, -1 - i);
}
}
Console.WriteLine($"整数部分【{integerPart}】,对应整数为【{numberInteger}】.或者使用Convert，整数也为【{Convert.ToInt64(integerPart, 2)}】");
Console.WriteLine($"小数部分【{fractionalPart}】,对应小数【{numberFractional}】");
string destNumber = $"{signString}{numberInteger + numberFractional}";
if (typeof(T) == typeof(float))
{
Console.WriteLine($"【{totalBitCount}】位二进制对应的浮点数为【{destNumber}】,使用BitConverter转换为浮点数的结果为【{BitConverter.ToSingle(binaryArraySource, 0)}】");
return (T)(object)float.Parse(destNumber);
}
else
{
Console.WriteLine($"【{totalBitCount}】位二进制对应的浮点数为【{destNumber}】,使用BitConverter转换为浮点数的结果为【{BitConverter.ToDouble(binaryArraySource, 0)}】");
return (T)(object)double.Parse(destNumber);
}
}
}
}
程序运行如图：
