Какая функция преобразует число в строку

Какая функция преобразует число в строку

Нередко в программах встречается ситуация, когда надо преобразовать число в строку или строку в число. Для этой цели в стандартной библиотеке языка С определены функции strtol() и snprintf() .

Из строки в число. strtol

Функция strtol() преобразует строку в число типа long int . Функция определена в заголовочном файле stdlib.h и имеет следующий прототип:

str — строка с числом, которое надо преобразовать в числовой тип. Ключевое слово restrict указывает компилятору оптимизировать код и что никакой другой параметр не будет указывать на адрес данного параметра.

str_end — указатель на последний символ строки. Данный параметр можно игнорировать, передавая ему значение NULL

base — основание, система исчисления, в которую надо преобразовать данные (значение от 2 до 36).

Результатом функции является преобразованное число типа long .

Например, преобразуем строку в число в десятичной системе:

В примере выше второй параметр функции никак не использовался — мы ему передавали значение NULL , и функция нормально работала. Однако он может быть полезен, если нам надо получить остаток строки, которая идет после числа:

Из числа в строку. snprintf

Функция snprintf() преобразует число в отформатированную строку. Функция определена в заголовочном файле stdio.h и имеет следующий прототип:

str_buffer — строка, в которую помещается преобразованное число.

buffer_size — максимальное количество символов строки. Функция записывает в строку buffer-size — 1 байт и добавляет концевой нулевой байт

format — задает формат преобразования в строку.

При успешном преобразовании функция возвращает количество символов, записанных в строку (исключая концевой нулевой байт). При неудачном преобразовании возвращается отрицательное число.

Number.prototype.toString()

Метод toString() возвращает строку, представляющую указанный объект Number .

Try it

Syntax

Parameters

Целое число в диапазоне от 2 до 36 , определяющее основу, используемую для представления числовых значений.

Return value

Строка, представляющая указанный объект Number .

Exceptions

Если toString() задано radix системы счисления меньше 2 или больше 36 , RangeError .

Description

Объект Number переопределяет метод toString toString() Object . Для Number объектов метод toString() возвращает строковое представление объекта в указанной системе счисления.

Метод toString() анализирует свой первый аргумент и пытается вернуть строковое представление с указанным radix (основанием). Для основ больше 10 буквы алфавита обозначают цифры больше 9. Например, для шестнадцатеричных чисел (основание 16) используются числа от a до f .

Если radix системы счисления не указано, предполагается, что предпочтительным основанием системы счисления является 10 .

Если numObj отрицательно, знак сохраняется. Это так, даже если основание системы счисления равно 2 ; возвращаемая строка является положительным двоичным представлением numObj , которому предшествует знак — , а не numObj дополнением numObj .

Если numObj не является целым числом, для разделения десятичных знаков используется знак «точка».

Examples

Using toString

Преобразование радикса числовых строк

Если у вас есть строка, представляющая число в недесятичной системе счисления, вы можете использовать parseInt() и toString() для преобразования ее в другую систему счисления.

Преобразование числа в строку

Как средствами языка с++ преобразовать число в текст и вывести на консоль? Например:

Вот использовать для конвертирования в С++ методы С вроде atoi,sprintf и т.п. может быть чревато последствиями. Вот чисто с++-ный вариант на основе потоков, причём универсальный. Можно конвертировать хоть целочисленные типы, хоть с плавающей точкой.

Используется следующим образом

Воспользоваться функцией sprintf из stdio.h:

upd: ещё можно использовать stringstream

В С++20 можно будет использовать функцию std::format , которая возвращает готовую строку.

Пока поддержки компиляторами не реализовано можно ссылаться через fmt:: , например:

Переменная s совершенно не обязательна и добавлена для наглядности и желания ТС иметь результат именно в строке.

Я реализовал функцию преобразования числа любого типа в строку таким способом.
value: число которое необходимо преобразовать
radix: система счисления (2/8/10/16)
dec_places: количество знаков после запятой (для вещественного числа)
*если mant_len не указано, то будут преобразованы все знаки, а это не всегда нужно, так как из-за особенностей представления чисел с плавающей запятой результат будет не тот который мы ожидаем.
Например:
ntos(-0.12) вернет: -0.119999999999999996447286321199499070644378662109375
Но если явно указать необходимое количество знаков после запятой, например 2:
ntos(-0.12, 10, 2) вернет: -0.12

Преобразуем в строку. Часть 1. Целые числа.

Задача преобразования числа в строку стоит всегда, когда нужно отобразить числовые результаты работы программы. Процессоры у нас оперируют двоичными данными, человеку-же подавай десятичные числа. Собственно задача состоит в преобразовании базы числа. Какие для этого есть способы? Целью данной статьи является описание и сравнение максимального количества способов преобразования числа в строку. Задачу, естественно, рассматриваем с точки зрения реализации на микроконтроллерах, по этому размер и скорость имеют значение. Для простоты рассматриваем только без-знаковые 32-х и 16-ти разрядные числа (со знаком не намного сложнее).

1. sprintf

Первое что приходит в голову это функция sprintf из стандартной библиотеки Си. Использовать её просто:

После чего в массиве buffer у нас лежит требуемая строка.
Но вот беда, sprintf это ведь функция форматированного вывода, которая много чего умеет и тянет за собой много другие функций стандартной библиотеки. Размер машинного кода при ее использовании увеличивается значительно. Например, даже минимальная версия sprintf из avr-libc (это то, что идет в составе WinAVR / AVR Toolchain) добавляет чуть менее 2 килобайт.

2. utoa, ultoa

В состав библиотек, поставляемых с компиляторами, часто включают функции преобразования числа в строку itoa, ltoa, utoa, ultoa. Вообще эти функции не стандартные, ног часто имеются в наличии и, в отличии от sprintf, не делают ничего лишнего.

3. Извлечение цифр делением на 10.

Готовые стандартные и не очень способы посмотрели. Теперь пришло время свои велосипеды изобретать. Первый самый очевидный способ это конечно деление на 10 и вычисление остатка в цикле.

Остаток от деления выдаёт нам десятичные цифры в обратном порядке, начиная с младшего, поэтому записываем из в буфер начиная с конца, чтоб потом не разворачивать полученную строку.
Всё вроде просто красиво, ничего лишнего, но есть одно но. Собственно деление, да еще и вычисление остатка. Если в процессоре нет аппаратного деления, то это очень медленно.

4. Извлечение цифр делением на 10 с помощью функции div

Может попробовать использовать стандартную функцию div, которая возвращает сразу частное и остаток?

Но деление всё равно остается. К преимуществам этого и предыдущего метода можно отнести то, что они могут преобразовывать число в строку по любому основанию (если ёх чуть доработать), не обязательно 10.

5. Деление на 10 сдвигами и сложениями.

Если у целевого процессора нет аппаратной поддержки 32-х разрядного деления, то предыдущие два метода будут довольно медленными. Деление на 10 можно заменить на серию сдвигов и сложений. Вдохновившись книжкой «Алгоритмические трюки для программистов» (она-же «Hacker’s delight»), берём оттуда функцию деления на 10 с помощью сдвигов и сложений, заменив имеющееся там умножение на 10 (оно тоже «дорогое», на AVR по крайней мере) также сдвигами и сложениями. Модифицируем ее, чтоб она возвращала и частное и остаток:

Выглядит страшно и непонятно, но на самом деле всё просто. Сначала умножаем исходное число на 0.8 или 0.1100 1100 1100 1100 1100 1100 1100 1100 в двоичном представлении. Очень удобно, что дробь периодическая и удалось обойтись всего пятью сдвигами и четырьмя сложениями. Далее делим то, что получилось на 8, сдвигая на 3 разряда вправо. Получается исходное число делённое на 10 с точностью до единицы из-за ошибок округления. После находим остаток умножая полученное частное на 10 и вычитая его из исходного числа. Если остаток больше 9, то корректируем его и частное.
Сама функция использующее «быстрое» деление не отличается по виду от своих предшественниц.

6. Вычитание степеней 10.

Еще один популярный способ преобразования числа в строку, заключается в последовательном вычитании из исходного числа степеней 10, начиная с максимальной. Для этого понадобится таблица с этими степенями 10:

40 байт размером. И сама функция:

Работает очень просто, пока число больше текущей степени 10 вычитаем эту степень 10 из числа и считаем сколько раз вычлось. Потом переходим на меньшую степень 10. И так пока не доберёмся до 1. Цифры получаются сразу в нужном порядке, нужно только удалить ведущие нули.

Методы на двоично-десятичных числах.

Следующие три метода основаны на операциях с упакованными двоично-десятичными числами — binary coded decimals (BCD). В этом представлении каждая тетрада (4 бита) хранит одну десятичную цифру. В 32-х разрядной переменной можно таким образом хранить 8 десятичных цифр. В двоичном представлении в 2-х разрядной переменной 10 десятичных цифр. Поэтому эти методы дают урезанные результаты для чисел больше 99999999. Двоично-десятичные числа очень легко преобразуются в строку:

Собственно из операций с BCD нам нужно сложение и умножение на 2, которое успешно заменяется сложением числа с самим собой. Поэтому нужно только сложение:

Выглядит страшно и непонятно — опять какое-то хитрое побитовое колдунство. На самом деле, чтоб сложить два BCD нужно просто сложить их как обычные двоичные числа — строчка a += b. А потом к каждой тетраде значение которой оказалось больше 9 нужно добавить корректирующее число 6 с переносом бита в старшую тетраду. И к каждой тетраде из которой был перенос бита в старшую тетраду, нужно также добавить корректирующее число 6. Все остальные строки функции — как раз эта коррекция. В первых двух строках мы определяем все биты суммы a + b + 0x66666666ul, которые изменили своё значение из-за переноса бита из младшего разряда. В третей строка складываем наши два числа. В четвёртой — выделяем младшие биты переноса для каждой тетрады. В остальных — прибавляем 6 к тем тетрадам из которых был перенос бита. Вот так вот — без единого условного перехода.

7. Сложение степеней двойки.

Первый способ, хорошо всем знакомый еще со школьных уроков информатики, — сложение десятичных представлений степеней двойки, соответствующих единичным битам в преобразуемом числе:

7. Сложение степеней двойки с таблицей.

В предыдущем методе используется два сложения двоично-десятичных чисел. От одного из них можно избавиться беря степень двойки из таблицы:

Таблица содержит 30 элментов — 120 байт.

8. Horner’s method

В этом методе на каждом шаге удваиваем накопленный десятичный результат, если старший бит двоичного числа единица, то добавляем к результату единицу, двоичное число при этом умножаем на 2 (сдвигаем на бит влево).

Здесь уже две операции сложения BCD, но одна из них сложение с 1 и от неё одной можно избавиться.

При этом первый аргумент bcd_add может оказаться не корректным BCD, где младшая тетрада содержит цифру больше 9. Однако наша bcd_add это нормально прожевывает выдавая правильный результат. А вот если добавлять эту лишнюю единицу ко второму аргументы, то результат будет уже не правильным.
Количество итераций в цикле этого метода всегда будет равно разрядности числа, в отличии от предыдущих, где цикл закончится, как только в числе не останется единичных бит.

9. Извлечение цифр умножением на 10.

Идея заключается в том, что десятичные цифры можно извлекать со стороны старших бит числа и использовать умножение на 10 для перехода к следующему десятичному разряду. Для этого придётся представить наше двоично число как дробную часть, мысленно перенести запятую на сколько-то разрядов влево, в нашем случае это будет 27. При этом число будет состоять из 2^-27 долей. Чтоб извлекать десятичные цифры эта дробь должна состоять из каких-то десятичных долей пусть это будет 10^-9. Его нужно для этого умножить на 2^-27/10^-9 = 1.34217728. После этого биты начиная с 27 разряда будут содержать старшую десятичную цифру. Но это если исходное число было меньше 2^27. Если оно было больше, то две цифры со значением не более 31. Это надо учесть. Еще один момент — это переполнение. Начиная с чисела 3199999999 ((2^32-1) / 1.34217728) у нас будет переполнение на 1 разряд, которое тоже надо учесть. А как-же всё-таки умножить челое число на 1.34217728 и без изпользования плавающей точки? Всё так-же сдвиками и сложениями. И так вот, что получилось:

Как ни странно но это работает. Если кто-нибудь видел этот способ раньше — скажите мне, а то я могу претендовать на авторство.
Как видно при умножении пришлось использовать 40-ка битную арифметику — дополнительный байт для дробной части. Если дробную часть отбросить и использовать 32-х битную арифметику, то возникают ошибки округления, который достигают 7 для больших чисел. К сожалению в языке Си нет доступа к биту переноса и по этому перенос в/из дробной части пришлось организовывать вручную. Для эффективного использования бита переноса можно использовать ассемблерные вставки. Поскольку первая тестируемая платформа у нас будет avr-gcc, для него их и напишем, чисто ради спортивного интереса. С ними цикл умножения будет выглядеть так:

Бенчмарк

Теперь собственно та часть ради которой всё затевалось — сравнение скорости работы. Первой испытанной платформой будет будет AVR с использованием компилятора GCC.
Для методов разных типов время работы будет зависеть от разных факторов, например для методов основанных на делении на 10 время будет зависеть в большей степени от количества десятичных цифр, о есть от абсолютной величины числа и очень мало от самих этих цифр. Вычитание степеней 10 в цикле будет тем быстрее работать чем меньше сумма десятичных цифр составляющих число. То есть 1000000 обработается гораздо быстрее чем 999999. Методы основанные на двоично-десятичных числах будут быстрее работать если в исходном числе мало единичных бит — быстрее всего со степенями двойки. Время работы последнего метода будет зависеть только от абсолютной величины преобразуемого числа, но в меньшей степени чем методы с делением на 10. Итак в наборе для тестирования должны быть маленькие чила, большие числа, степени двойки, степени десяти, числа где много девяток.
Всякие тесты для AVR удобно проводить на симуляторе Simulavr — не нужно никакого железа, и многочисленных перепрошивок.
Для замера времени выполнения наших функций воспользуемся 16-ти разрядным таймером, тикающем на частоте ядра. Вывод на консоль через отладочный порт эмулятора. Оптимизация кода максимальная по скорости.
Вот что получилось в результате для 32-х разрядных чисел:

* после плюса размер зависимостей — таблицы или функции деления
** в скобках указаны результаты для варианта с ассемблерными вставками.

Лидирует в этом бенчмарке с не большим отрывом метод на быстром делении на 10 сдвигами и сложениями. К нему близко подобралось вычитание степеней 10. Следом метод с умножением на 10. методы с честным делением (включая utoa), как и ожидалось, самые медленные, особенно тот, что использует функцию ldiv, но и самые компактные. Время выполнения метода Хорнера практически не зависит от конвертируемого числа. sprintf работает относительно быстро, по сравнению с utoa. И не удивительно — у неё внутри используется метод похожий на utoa_fast_div, но накладные на разбор форматной строки и медленный вывод в буффер через fputc дают о себе знать.

UPDATE.
Результат для 16-х разрядных чисел:

Здесь опять с заметным преимуществом лидирует быстрое деление сдвигами/сложениями. Худший результат теперь у sprintf, ведь внутри она всё равно использует 32- разрядные числа.

UPDATE #2. Результаты для MSP430.

Результат для 16-х разрядных чисел:

Поскольку кроме MSP430 Launcpad-а с камнем MSP430G2231 других MSP430 у меня нет, тестировать пришлось на нем. Все функции разумеется в него не помещаются, по этому заливаются и тестируются по одной с помощью скрипта.
Как видно честное деление здесь почти вдвое медленнее чем у AVR.
UPDETE #3

Результаты для STM32.

Обсуждение результатов

Аутсайдером везде является функция использующая библиотечную функцию деления div. Несмотря на то, что она возвращает за один вызов и остаток и частное от деления, даже на STM32 аппаратным делением, она реализована программно и работает очень медленно. Очевидно этот способ использовать не стоит. Однако функция использующая встроенный оператор деления utoa_builtin_div, плетущаяся в конце на AVR и MSP430, на STM32 — в лидерах. Ничего удивительного, ведь в Cortex M3 есть аппаратное деление скажут многие, и будут не совсем правы — деление-то там есть, но оно не такое уж и быстрое (в скобках для utoa_builtin_div указано время, если заставить компилятор сгенерировать честное деление). Дело в том, что хитрый GCC при делении на константу использует хитрый трюк — заменяет деление на умножение на константу такую, что старшие 32 бита в 64 разрядном произведении, содержат исходное делимое, делённое на 10.

Этот код эквивалентен примерно следующему:
uint32_t tmp = value;

Такой способ тоже описан в книжке «Алгоритмические трюки для программистов». Однако на AVR и MSP430 этот номер не пройдёт — там умножение 32*32 => 64 работает неприлично долго, дольше честного деления.
Еще utoa_builtin_div всегда имеет минимальный размер.
Всегда хороший, а зачастую лучший результат даёт деление на 10 сдвигами и сложениями utoa_fast_div. Это практически безусловный лидер по скорости и часто имеет вполне скромный размер. Этот метод всегда удачный выбор.
Любимое многими вычитание степеней десяти utoa_cycle_sub по размеру вместе с таблицей примерно совпадает сutoa_fast_div, но всегда немного уступает по скорости. Вобщем, тоже не плохой выбор.
Методы основанные на двоично десятичных числах работают не очень быстро, имеют не самый маленький размер и к тому-же выдают только 8 цифр результата (в моей реализации, можно получить все 10 цифр, но будет еще медленнее). Их лучше использовать не для преобразования двоичных чисел в строки, а для преобразования двоичных чисел в упакованные двоично десятичные, для последующей работы сними.
Особняком стоит метод с умножением на 10 utoa_fract. Он не выглядит очень привлекательным по среднему времени, однако его худшее время часто оказывается меньше, чем худшее время лидеров. У этого метода разница между лучшим и худшим относительно небольшая — он работает стабильно.

UPDATE.
Нашел еще один интересный и очень быстрый метод. Вот Вот здесь.

Описание того, как это работает по ссылке выше на английском. К сожалению, корректные результаты этот метод выдаёт только для 15-ти битных значений, зато очень быстро:
для AVR лучшее время — 133 такта, худшее — 167, среднее — 146.

Coming next.

Часть 2. Фиксированная и плавающая точка.

PS. Может быть кто знает еще какие нибудь методы преобразования чисел в строку?