【C 語言】NaN（非數）的意義與使用徹底解析｜判斷方法與應用範例也介紹

1. 前言

C語言中 NaN 的意義與重要性

為什麼需要了解 NaN？

本文的目的

2. NaN是什麼？

NaN（Not a Number）的基本定義

• 0.0 / 0.0（零除）
• sqrt(-1.0)（負值的平方根）
• log(-5.0)（負值的對數）

IEEE 754 中 NaN 的定位

• quiet NaN（qNaN）：在大多數環境中常用的 NaN。運算時不會產生錯誤，會作為 NaN 處理。
• signaling NaN（sNaN）：本來用於觸發例外處理，但在 C 語言中多數實作並未支援。

NaN 的傳播特性

#include <stdio.h>
#include <math.h>

int main() {
    double a = 0.0 / 0.0;  // NaN
    double b = a + 100.0;  // 也是 NaN
    printf("%f
", b);     // 顯示結果: nan
    return 0;
}

3. C語言中產生 NaN 的方法

<math.h> 產生 NaN 的方式

• nan(const char *tagp)
• nanf(const char *tagp)
• nanl(const char *tagp)

#include <stdio.h>
#include <math.h>

int main() {
    double x = nan("");
    printf("%f
", x);  // 輸出: nan
    return 0;
}

tagp 參數的意義

double y = nan("payload");

除函式呼叫外產生 NaN 的方法

double nan_val = 0.0 / 0.0;

編譯器依賴的注意事項

4. NaN的種類與特徵

quiet NaN（qNaN）與 signaling NaN（sNaN）的差異

quiet NaN（qNaN）

#include <math.h>
double x = nan("");

signaling NaN（sNaN）

NaN 的位元模式與辨識

符號位元 1bit | 指數部 11bit（全部為1） | 尾數部 52bit（非零）

NaN 的行為：不可預測的比較與運算

double x = nan("");
if (x == x) {
    printf("相等
");
} else {
    printf("不相等
");
}
// 結果：不相等

5. NaN的判定方法

NaN在一般比較中無法判定

#include <math.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    double x = nan("");
    if (x == x) {
        // 若是一般數值則為 true，
        // 若為 NaN 則為 false
    }
}

isnan() 函式的使用

#include <math.h>
#include <stdio.h>

int>int main() {
    double x = 0.0 / 0.0;  // NaN
    if (isnan(x)) {
        printf("x是 NaN\n");
    } else {
        printf("x是數值\n");
    }
    return 0;
}

各資料型別的對應

• isnanf() : 支援 float 型
• isnanl() : 支援 long double 型

判定時的注意事項

• 未初始化的變數在進行浮點運算時，可能會變成 NaN
• 外部函式庫或輸入輸出處理中可能混入 NaN
• 當比較處理出現預期外結果時，首先懷疑是否為 NaN

NaN 檢測的最佳實踐

• 在複雜運算處理之後，使用 isnan() 進行確認
• 除錯時使用 printf("%f", x) 等顯示時，檢查是否輸出「nan」
• 對於存放資料的變數，明確設定初始值，即使在有意使用 NaN 的情況下，也保留註解說明

6. NaN的應用範例

作為異常值與缺失值的表示的 NaN

double temperature = isnan(sensor_reading) ? nan("") : sensor_reading;

作為計算過程中錯誤偵測用的 NaN

#include <math.h>

double safe_divide(double a, double b) {
    if (b == 0.0) {
        return nan("");  // 錯誤但仍持續處理
    }
    return a / b;
}

在資料分析與統計計算中對 NaN 的利用

#include <math.h>

double mean_without_nan(double *arr, int size) {
    double sum = 0.0;
    int count = 0;
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        if (!isnan(arr[i])) {
            sum += arr[i];
            count++;
        }
    }
    return (count == 0) ? nan("") : (sum / count);
}

在除錯用途中插入 NaN

7. NaN相關的注意事項與陷阱

比較運算的誤解：NaN與任何值都不相等

double x = nan("");
if (x == x) {
    // 若是一般數值則會是 true，
    // NaN 時則為 false
}

NaN 參與的運算結果全部為 NaN

double a = nan("");
double b = 100.0;

double result = a + b;  // result 為 NaN

NaN 混入卻不會當機反而成問題

• 在每個步驟加入 isnan() 檢查
• 測試時刻意提供含 NaN 的資料以確認行為

平台與編譯器依賴的行為

• nan("") 的字串參數是否會被解析（有時會被忽略）
• printf 的輸出格式（nan、NaN、-nan 等）
• sNaN 是否可用（多數環境不支援）

8. 總結

正確理解 NaN 的重要性

本篇文章學到的要點

• NaN 是什麼？ 是無法作為數值處理的特殊值
• 產生方法：nan("") 函數等可明示產生
• 種類：有 quiet NaN 與 signaling NaN（實作依賴）
• 判定方法：可透過 isnan() 函數安全檢查
• 活用例：涵蓋缺失值、錯誤偵測、除錯用標記等多方面
• 注意點：比較運算始終為 false、傳播性、以及不會導致崩潰的特性

與 NaN 相處之道：面向實務的實踐