c# - 为什么 BitConverter 在转换 float 和字节时似乎返回不正确的结果？

Question

我正在使用 C# 工作，并尝试将四个字节打包到一个浮点中(背景是游戏开发，其中 RGBA 颜色被打包到单个值中)。为此，我使用 BitConverter ，但某些转换似乎会导致错误的字节。采取以下示例(使用字节 0, 0, 129, 255 ):

var before = new [] { (byte)0, (byte)0, (byte)129, (byte)255 };
var f = BitConverter.ToSingle(before, 0); // Results in NaN
var after = BitConverter.GetBytes(f); // Results in bytes 0, 0, 193, 255

使用https://www.h-schmidt.net/FloatConverter/IEEE754.html ，我验证了我开始的四个字节( 0, 0, 129, 255 ，相当于二进制 00000000000000001000000111111111 )代表浮点值 4.66338115943e-41 。通过翻转字节序(二进制 11111111100000010000000000000000 )，我得到 NaN (与上面代码中的 f 匹配)。但是当我将该浮点转换回字节时，我得到 0, 0, 193, 255 (注意 193 当我期待 129 时)。

奇怪的是，使用字节 0, 0, 128, 255 运行相同的示例是正确的(浮点值 f 变为 -Infinity ，然后转换回字节再次产生 0, 0, 128, 255 )。鉴于这一事实，我怀疑NaN是相关的。

谁能解释一下这里发生的事情吗？

更新:问题 Converting 2 bytes to Short in C#被列为重复项，但这是不准确的。该问题试图将字节转换为一个值(在这种情况下，将两个字节转换为一个短字节)，并且不正确的字节序给出了意外的值。就我而言，实际的浮点值是无关紧要的(因为我没有使用转换后的值作为浮点值)。相反，我尝试通过首先转换为 float ，然后再转换回来，将四个字节直接有效地重新解释为 float 。如图所示，这种来回有时会返回与我发送的字节不同的字节。

第二次更新:我将简单地回答我的问题。正如彼得杜尼霍评论，BitConverter永远不会修改您传入的字节，而只是将它们复制到新的内存位置并重新解释结果。但是，正如我的示例所示，可以发送四个字节 ( 0, 0, 129, 255 )，这些字节在内部复制并重新解释为 float ，然后将该 float 转换回与原始不同的字节(0, 0, 193, 255)。

在 BitConverter 中经常提到字节序。 。然而，在这种情况下，我认为字节顺序并不是根本问题。当我调用BitConverter.ToSingle时，我传入一个四个字节的数组。这些字节表示一些转换为 float 的二进制(32 位)。通过在函数调用之前更改字节序，我所做的就是更改发送到函数中的位。无论这些位的值如何，都应该可以将它们转换为浮点型(也是32位)，然后将浮点型转换回我发送的相同位>。正如我的示例所示，使用字节 0, 0, 129, 255 (二进制 00000000000000001000000111111111 )产生浮点值。我想获取该值(由这些位表示的 float )并将其转换为原始的四个字节。

在所有情况下这在 C# 中都是可能的吗？

Answer 1

经过研究、实验以及与 friend 的讨论，这种行为(在与 float 转换时字节发生变化)的根本原因似乎是 signaling vs. quiet NaNs (正如汉斯·帕桑特在评论中也指出的那样)。我不是信号和安静 NaN 方面的专家，但据我了解，安静 NaN 将尾数的最高位设置为 1，而信号 NaN 将该位设置为零。请参阅下图(取自 https://www.h-schmidt.net/FloatConverter/IEEE754.html )以供引用。我在每组八位周围绘制了四个彩色框，以及一个指向最高阶尾数位的箭头。

当然，我发布的问题不是关于浮点位布局或信号与安静 NaN 的问题，而是简单地询问为什么我的编码字节似乎被修改了。答案是 C# 运行时(或者至少我假设是 C# 运行时)在内部将所有信号 NaN 转换为安静，这意味着在该处编码的字节位置的第二位从零交换为一。

例如，字节 0, 0, 129, 255 (以相反的顺序编码，我认为是由于字节顺序)将值 129 放在第二个字节中(绿色框)。二进制中的 129 是 10000001，因此翻转其第二位会得到 11000001，即 193 (正是我所看到的在我原来的例子中)。这种相同的模式(其值已更改的编码字节)适用于 129-191 范围内的所有字节(含)。字节 128 及更低的字节不是 NaN，而字节 192 及更高的字节是 NaN，但不会修改它们的值，因为它们的第二位(位于最高阶尾数位)已经是一。

这样就回答了为什么会发生这种行为，但在我看来，还剩下两个问题:

1. 是否可以在 C# 中禁用此行为(将信号 NaN 转换为安静)？
2. 如果没有，解决方法是什么？

第一个问题的答案似乎是否(如果我了解到其他情况，我会修改这个答案)。但是，需要注意的是，这种行为在所有 .NET 版本中并不是一致的。在我的计算机上，我尝试过的每个 .NET Framework 版本(从 4.8.0 开始，然后向下工作)都会转换 NaN(即我的编码字节已更改)。 NaN 在 .NET Core 3 和 .NET 5 中似乎没有被转换(即我的编码字节没有改变)(我没有测试每个可用版本)。此外，一位 friend 能够在 .NET Framework 4.7.2 上运行相同的示例代码，令人惊讶的是，字节在他的计算机上没有被修改。不同 C# 运行时的内部结构不是我的专业领域，但足以说明版本和计算机之间存在差异。

第二个问题的答案是，正如其他人所建议的那样，完全避免浮点转换。相反，每组四个字节(在我的例子中代表 RGBA 颜色)可以用整数进行编码，也可以直接添加到字节数组中。