Java中使用long类型实现精确的四则运算

引子

Effective Java 2nd Edition 第48条建议：如果需要精确的答案，请避免使用float和doble。float和double类型主要是为了科学计算和工程计算而设计的。他们执行二进制制浮点运算（binary floating-point arithmetic），这是为了在广泛的数值范围上提供较为精确的快速近似计算而精心设计的。然而，他们并没有提供完全精确的结果，所以不应该被用于需要精确结果的场合。float和double类型尤其不适合用于货币计算，因为要让float或double精确的表示0.1（或者10的任何其他负数次方值）是不可能的。解决这个问题的正确办法是使用BigDecimal、int或long进行货币计算。

1. float和double为何是近似计算

float和double无法精确计算是由他们的设计决定的。详细信息请参考下面这篇博文：

java float double精度为什么会丢失？浅谈java的浮点数精度问题

2. 使用long实现精确计算

本例子实现了使用long类型来完成浮点数的精确的加减乘，由于除法本身很多是不能整除的，所以对除法的精确计算没有想到好的方法。
由于long的表示范围为 -2^63 —– 2^63 - 1，即十进制的： -9223372036854775808 —–9223372036854775807
所以对于使用long完成精确计算必须保证计算结果及其中间结果不超过long的范围。对于比较大的数，使用BigDecimal靠谱。

上代码：

package effectivejava.chapter8;

import java.math.BigDecimal;

/**
 * 
 * 本例子实现了使用long类型来完成浮点数的精确的加减乘，由于除法本身很多是不能整除的，所以对除法的精确计算没有想到好的方法。
 * 由于long的表示范围为-2^63 ----- 2^63 - 1，即十进制的： -9223372036854775808-----9223372036854775807
 * 所以对于使用long完成精确计算必须保证计算结果及其中间结果不超过long的范围。对于比较大的数，使用BigDecimal靠谱。
 */
public class ExactComputationByLong {

    /**
     * 1. 获取两个小数的右移小数点之后的long值及移动位数； 2. 统一移动位数为两个之中大的那个； 3. 相加； 4. 将小数点左移到相加的数中。
     */
    public static String add(String strA, String strB) {
        ExactLong exactA = new ExactLong(strA);
        ExactLong exactB = new ExactLong(strB);
        int maxScale = getMaxScale(exactA, exactB);
        changeSacle(exactA, maxScale);
        changeSacle(exactB, maxScale);
        long addNum = exactA.getData() + exactB.getData();
        String resultInit = getDataFromLong(addNum, maxScale);
        return getResultWithZero(resultInit);
    }

    /**
     * 过程与加法相同。
     */
    public static String subtract(String strA, String strB) {
        ExactLong exactA = new ExactLong(strA);
        ExactLong exactB = new ExactLong(strB);
        int maxScale = getMaxScale(exactA, exactB);
        changeSacle(exactA, maxScale);
        changeSacle(exactB, maxScale);
        long subNum = exactA.getData() - exactB.getData();
        String resultInit = getDataFromLong(subNum, maxScale);
        return getResultWithZero(resultInit);

    }

    /**
     * 过程与加法相似，唯一不同是移动位数为maxScale * 2。
     */
    public static String multiply(String strA, String strB) {
        ExactLong exactA = new ExactLong(strA);
        ExactLong exactB = new ExactLong(strB);
        if (exactA.getData() == 0 || exactB.getData() == 0) {
            return "0";
        }
        int maxScale = getMaxScale(exactA, exactB);
        changeSacle(exactA, maxScale);
        changeSacle(exactB, maxScale);
        long subNum = exactA.getData() * exactB.getData();
        String resultInit = getDataFromLong(subNum, maxScale * 2);
        return getResultWithZero(resultInit);
    }

    /**
     * 对于除法，我没有想到好的方法来精确计算。而且除法本身有很多不是整除的，所以除法一般都要确定一个精度，然后再计算。水平有限，这里就用BigDecimal的一个实现代替吧?
     */
    public static String divide(String strA, String strB) {
        return new BigDecimal(strA).divide(new BigDecimal(strB), BigDecimal.ROUND_DOWN).toPlainString();
    }

    private static void changeSacle(ExactLong exactData, int maxScale) {
        if (maxScale != exactData.getScale()) {
            exactData.setData((long) (exactData.getData() * Math.pow(10, maxScale - exactData.getScale())));
            exactData.setScale(maxScale);
        }
    }

    private static int getMaxScale(ExactLong exactA, ExactLong exactB) {
        int maxScale = exactA.getScale() > exactB.getScale()?exactA.getScale():exactB.getScale();
        return maxScale;
    }

    /**
     * 将dataL小数点左移scale位
     */
    private static String getDataFromLong(long dataL, int scale) {
        String dataStr = dataL + "";
        if (scale < 0) {
            throw new IllegalArgumentException("The degree must greater than 0!!");
        }
        if (scale == 0) {
            return dataStr;
        }
        if (dataStr.length() > scale) {
            return dataStr.substring(0, dataStr.length() - scale) + "." + dataStr.substring(dataStr.length() - scale);
        } else {
            StringBuilder dataSB = new StringBuilder("0.");
            for (int i = 0;i < scale - dataStr.length();i++) {
                dataSB.append("0");
            }
            dataSB.append(dataStr);
            return dataSB.toString();
        }
    }

    /**
     * 去掉小数点之后多余的0
     */
    private static String getResultWithZero(String resultInit) {
        int index = resultInit.length();
        // 去处小数位最后可能的多个0
        for (int i = resultInit.length() - 1;i >= 0;i--) {
            if (resultInit.charAt(i) != ‘0‘) {
                index = i + 1;
                break;
            }
        }
        return resultInit.substring(0, index);
    }

    public static void main(String[] args) {
        String strA = "0.001234560";
        String strB = "10.2345";
        String strAdd = add(strA, strB);
        System.out.println("Add:\n" + strA + "\n" + strB + "\n" + strAdd);
        String strSub = subtract(strA, strB);
        System.out.println("Sub:\n" + strA + "\n" + strB + "\n" + strSub);
        String strMult = multiply(strA, strB);
        System.out.println("Mult:\n" + strA + "\n" + strB + "\n" + strMult);
        String sttDiv = divide(strA, strB);
        System.out.println("Div:\n" + strA + "\n" + strB + "\n" + sttDiv);
    }

}

/**
 * 将一个字符串表示的浮点数用long表示，scale表示小数点右移的位数。
 */
class ExactLong {
    private long data;
    private int scale;

    public ExactLong(String dataStr) {
        if (dataStr.indexOf(".") == -1) {// 如123456
            data = Long.parseLong(dataStr);
            scale = 0;
            return;
        }
        if (dataStr.indexOf(".") != dataStr.lastIndexOf(".")) {// 如123.456.7
            throw new IllegalArgumentException(dataStr + " can not cast to long!");
        } else {// 如12345.678
            scale = dataStr.length() - dataStr.indexOf(".") - 1;
            long beforePoint = Long.parseLong(dataStr.substring(0, dataStr.indexOf(".")));// 小数点之前的数
            long afterPoint = Long.parseLong(dataStr.substring(dataStr.indexOf(".") + 1, dataStr.length()));// 小数点之后的数
            data = (long) (beforePoint * Math.pow(10, scale) + afterPoint);
        }
    }

    public long getData() {
        return data;
    }

    public void setData(long data) {
        this.data = data;
    }

    public int getScale() {
        return scale;
    }

    public void setScale(int scale) {
        this.scale = scale;
    }

}