如何区分Python中不同类型的NaN浮点数

Question

我正在写Python 2.6的代码，目的是通过COM在Windows上与NI TestStand 4.2进行交互。我想为一个变量创建一个"NAN"值，但如果我传递float('nan')，TestStand会把它显示为IND。

显然，TestStand区分浮点数中的"IND"和"NAN"值。根据TestStand的帮助文档：

• IND对应于Visual C++中的Signaling NaN，而
• NAN对应于Quiet NaN

这意味着Python的float('nan')在通过COM传递时实际上是一个Signaling NaN。不过，根据我对Signaling NaN的了解，它似乎有点“特殊”，而Quiet NaN才是你常见的"NAN"。所以我对Python是否会通过COM传递Signaling NaN有些怀疑。我该如何确认Python的float('nan')在通过COM传递时是作为Signaling NaN、Quiet NaN，还是可能是Indeterminate呢？

有没有办法在Python中创建Signaling NaN、Quiet NaN或Indeterminate，以便与其他语言进行交互？（也许可以使用ctypes？）我想这可能是一个特定平台的解决方案，如果是这样我也能接受。

更新：在TestStand的序列编辑器中，我尝试创建两个变量，一个设置为NAN，另一个设置为IND。然后我把它保存到一个文件中。接着我打开这个文件，用Python读取每个变量。在这两种情况下，Python都把它们读取为nan浮点数。

Answer 1

John Cook写了一篇很不错的文章，可能对你有帮助：

• Python中的IEEE浮点运算

更新: 这个方法不行吗？

In [144]: import scipy

In [145]: scipy.nan
Out[145]: 1.#QNAN

In [146]: scipy.inf
Out[146]: 1.#INF

In [147]: scipy.inf * 0
Out[147]: -1.#IND

Answer 2

CPython中nan的定义

当Python报告一个nan时，这个值是从哪里来的呢？

• 可能是某个计算的结果（具体值可能因平台而异）
• 在CPython的C源代码中有Py_NAN
  • 它的定义是(Py_HUGE_VAL * 0.)
    • 这个值是和平台相关的
    • Py_HUGE_VAL可能是定义为HUGE_VAL，有说明说在某些平台上这个定义可能会出问题。
• 通过float('nan')来创建的，这个也是在CPython的C源代码中定义的Py_NAN。

阅读Python和pywin32的源代码

我查看了pywin32的C源代码，特别是win32com，它是Python和COM之间的转换层。这个代码：

• 接收输入对象
• 调用PyNumber_Float()将其转换为Python的float（如果它还不是的话）
• 调用PyFloat_AsDouble()将其转换为普通的C语言double值。
  • 这个函数直接返回PyFloatObject中的ob_fval成员所包含的C语言double。

所以看起来我已经追踪到了一个NaN，从COM接口回溯到一个包含Py_NAN的普通C语言double类型，不管在Windows平台上这个值是什么。

TestStand中的NAN值

现在我在NI TestStand中尝试了这个。首先我试了：

quiet_nan = struct.unpack(">d", "\x7f\xf8\x00\x00\x00\x00\x00\x01")[0]
# Set the variable's value in TestStand
locals_prop_object.SetValNumber(var_name, 0, quiet_nan)

但是在TestStand中仍然显示为IND。于是我创建了一个TestStand文件，里面的变量设置为IND和NAN，然后从Python读取这些值。结果发现TestStand的NAN的值是FFFF000000000001。根据Kevin的总结图表，这是一个负的静默NAN。TestStand的IND确实有预期的不确定值FFF8000000000000。

成功

所以，经过这些尝试，我终于成功地在TestStand中从Python设置了一个NAN：

# Make a NAN suitable for TestStand
teststand_nan = struct.unpack(">d", "\xff\xff\x00\x00\x00\x00\x00\x01")[0]
# Set the variable's value in TestStand
locals_prop_object.SetValNumber(var_name, 0, teststand_nan)

Answer 3

我帮你查了一下，觉得你可以试试用 struct 模块，结合 Kevin的总结图表 上的信息。那些图表解释了各种类型的IEEE 754浮点数所使用的具体位模式。

不过你可能需要注意的是，如果我理解得没错，关于这个 IND-eterminate 值的话题，这个值在C语言代码中直接赋值时，可能会引发某种浮点中断，导致它变成一个普通的NaN。这也意味着那些人被建议在汇编语言（ASM）中处理这种情况，而不是在C语言中，因为C语言把这些细节给抽象掉了。由于这不是我的专业领域，我不太确定这种值会在Python中造成多大的影响，所以我提到这一点，希望你能留意一下是否会出现奇怪的行为。（可以参考 这个问题 的接受答案）。

>>> import struct

>>> struct.pack(">d", float('nan')).encode("hex_codec")
'fff8000000000000'

>>> import scipy
>>> struct.pack(">d", scipy.nan).encode("hex_codec")
'7ff8000000000000'

根据 Kevin的总结图表，float('nan') 实际上是技术上讲的Indeterminate值，而 scipy.nan 是Quiet NaN。

我们来试试创建一个Signaling NaN，然后验证一下。

>>> try_signaling_nan = struct.unpack(">d", "\x7f\xf0\x00\x00\x00\x00\x00\x01")[0]
>>> struct.pack(">d", try_signaling_nan).encode("hex_codec")
'7ff8000000000001'

不行，Signaling NaN会被转换成Quiet NaN。

现在我们直接尝试创建一个Quiet NaN，然后验证一下。

>>> try_quiet_nan = struct.unpack(">d", "\x7f\xf8\x00\x00\x00\x00\x00\x00")[0]
>>> struct.pack(">d", try_quiet_nan).encode("hex_codec")
'7ff8000000000000'

这就是如何使用 struct.unpack() 创建一个合适的Quiet NaN——至少在Windows平台上是这样。