揭秘 C++ 中的 NaN：产生原因、特性详解及处理方法

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本文经授权转自公众号CSDN（ID：CSDNnews）
, T$ G/ C! G& g& Y作者 | Alex Syniakov
翻译 | 郑丽媛本文作者希望通过这篇文章，让开发者深入了解 C++ 中的 NaN 值及其有效处理方式。
原文链接：https://alexsyniakov.com/2024/03/20/understanding-nan-numbers-in-c-and-their-properties/
7 ]8 M- `; W( D/ aNaN，即“Not a Number”，表示在实数范围内无法表达的数值。它的特殊性质，使得在编程（尤其是在 C++ 中）中处理 NaN 值成为许多开发人员感兴趣的话题。为此，本文将深入探讨什么是 NaN 值、它们是如何产生的、它们的特性以及如何在 C++ 中有效地处理它们。

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一、NaN 是如何产生的？
NaN 值可能由不产生确定或实数结果的操作而产生，常见例子包括：
零除以零；
- @: s( R) Z# T9 x; b, F无穷大除以无穷大；
8 C$ x( N1 j3 |  v8 p0 L$ ~零乘以无穷大；
$ k% g% `) N  G+ \带相反符号的无穷级数相加；
) I! e$ N, M! M8 F+ f( a计算负数的平方根；
9 f& u7 K. g, L; I6 l5 T7 d  B取负数的对数；
0 {* L0 H3 _5 m* H使用非数字操作数进行复杂的数学运算。
; m3 X9 o) T/ Z! B2 \% e7 l/ G此外，在 C++ 中，还可以使用 std::nan(const char*) 或 std::numeric_limits::quiet_NaN() 来明确地创建 NaN 值。


二、NaN 的特性
0 V) k, Q$ t( k* V- s  ~NaN 的一个显著特点是在比较时的行为。在全等运算中，NaN 与其他任何值相比，结果都是 false。示例如下：
5 s) L5 q  R9 p( G0 _

double nanValue = 0.0 / 0.0;bool alwaysFalse = nanValue == nanValue; // falsebool alwaysTrue = nanValue != nanValue; // true要确定一个值是否为 NaN，可将该值与自身进行比较：
* k0 Y) Q+ N- T3 o

bool isNan = nanValue != nanValue；此外，在 C++ 中，有一个内置函数 std::is_nan（从 C++11 开始）也可以让你检查一个数字是否为 NaN。
0 X2 `# O+ O0 E3 d- l
6 V" D$ F9 b: Q/ E' v0 |
0 \" H* D! Q. ]5 V" r4 d三、NaN 对数据结构的影响
+ }: y' Z$ ~% y1 z因此，如果您在计算中得到了 NaN 作为结果，然后将此值用于关联容器中，例如：

std::setdouble> test;test.insert(NaNvalue);test.insert(1.0); // 不会插入 test.insert(2.0); // 不会插入此后，由于 NaN 不满足关联容器键的严格弱排序要求，无法向集合中插入任何值。
" e) ~' \: X: @6 E' B2 n( d$ e" V
! E1 s3 ^+ e+ ]四、NaN 的标准和类型
IEEE 754 标准将 NaN 值分为“quiet NaNs”（qNaNs）和“signaling NaNs”（sNaNs）。Quiet NaNs 允许计算继续进行而不受干扰，在算术运算中悄无声息地传播。而 Signaling NaNs 则会触发异常，立即处理无效操作。尽管这两种 NaN 类型的区别很重要，但在 C++ 或 IEEE 754 标准库接口中并没有明确处理，更多地取决于底层硬件和编译器行为。

五、检查 NaN
5 z* W7 s9 J0 K, d6 B" y各种数学库都提供了 NaN 检查函数，例如，glm 有一个函数，用于检查向量的各个分量是否为 NaN，并返回一个布尔向量：
% S6 |. }1 X) s; F' I( z

glm::dvec3 NaNvector = someFunction();bool isNaN = glm::all(glm::isnan(NaNvector));一个更好的做法是，不仅检查一个数字是否为 NaN，还应该进行更全面的检查——判断数字是否有限。为此，std 提供了函数 std::isfinite（从 C++11 开始），在 glm 中也有类似的向量函数。

std::println("{}", std::isfinite(std::numeric_limitsdouble>::quiet_NaN()));
6 y# S' F- o6 Mstd::println("{}", std::isfinite(std::numeric_limitsdouble>::infinity()));
std::println("{}", std::isfinite(-std::numeric_limitsdouble>::infinity()));
std::println("{}", std::isfinite(0.0));
std::println("{}", std::isfinite(std::exp(1000)));
' E9 \3 j3 O8 Qstd::println("{}", std::isfinite(std::numeric_limitsdouble>::min()));
5 S* p& y( ^" O! O( p. i3 y六、结论
0 H' u9 p3 `* m) y在 C++ 中处理 NaN 值需要了解它们的生成、属性以及对数据结构的影响。通过利用内置函数并遵循最佳实践，开发人员可以有效管理 NaN 值，确保他们的软件可以优雅地处理边缘情况，并在整个计算过程中保持数值的完整性。
3 k! W/ q; P) @5 o) l7 F# l本文转自公众号“CSDN”，ID：CSDNnews——EOF——你好，我是飞宇，本硕均于某中流985 CS就读，先后于百度搜索、字节跳动电商以及携程等部门担任Linux C/C++后端研发工程师。
' _/ |3 a) T6 s1 X最近跟朋友一起开发了一个新的网站：编程资源网，已经收录了不少资源（附赠下载地址），如果屏幕前的靓仔/女想要学习编程找不到合适资源的话，不妨来我们的网站看看，欢迎扫码下方二维码白嫖~
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& _# B  M7 R* L! n% b2 O同时，我也是知乎博主@韩飞宇，日常分享C/C++、计算机学习经验、工作体会，欢迎点击此处查看我以前的学习笔记&经验&分享的资源。
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