为什么我能够在 Linux 内核模块中执行浮点运算？-解网

问：

我在 x86 CentOS 6.3（内核 v2.6.32）系统上运行。

我将以下函数编译到一个基本字符驱动程序模块中作为实验，以了解 Linux 内核如何对浮点运算做出反应。

static unsigned floatstuff(void){
    float x = 3.14;
    x *= 2.5;
    return x;
}

...

printk(KERN_INFO "x: %u", x);

代码编译（这是没想到的），所以我插入了模块并用 .日志显示：。dmesgx: 7

这似乎很奇怪;我以为你不能在 Linux 内核中执行浮点运算——除了一些异常，例如 .模块是如何执行浮点运算的？kernel_fpu_begin()

这是因为我使用的是 x86 处理器吗？

C GCC Linux 内核 x86

kernel_fpu_begin（） / end 是必需的，以免破坏用户空间 FPU 状态。如果没有它，您可以在内核中执行 FP，但会损坏当前进程的 FPU 状态。Linux 执行延迟 FPU 上下文保存，因为某些进程根本不使用 FPU 或 SSE 寄存器。（不过，越来越多的进程确实使用 SSE。

答：

2赞 Ziffusion 4/9/2013 #1

不知道这种看法从何而来。但内核在与用户模式代码相同的处理器上执行，因此可以访问相同的指令集。如果处理器可以执行浮点运算（直接或通过协处理器），则内核也可以。

也许您正在考虑在软件中模拟浮点运算的情况。但即便如此，它仍然可以在内核中使用（好吧，除非以某种方式禁用）。

我很好奇，这种看法从何而来？也许我错过了什么。

找到了这个。似乎是一个很好的解释。

也许我的问题有点误导。我知道 FPU 可以执行这些浮点指令（即机器代码本身与系统无关），但我对如何让我的 C 代码进行编译而没有关于未定义符号的 GCC 错误感到困惑，例如当我编译内核模块时。我怀疑这只是 GCC，具体取决于内核排除的库中的帮助程序例程，那么我该如何解决这个问题，以便生成正确的机器代码——毕竟处理器支持浮点。__fixunssfsi

0赞 Vilhelm Gray 4/9/2013

让我补充一点，我知道浮点寄存器没有被保存;我并不特别关心这种破坏用户空间程序，因为我纯粹是在试验代码以更好地理解行为。

2赞 Vilhelm Gray 4/9/2013

我想通了;我需要将此编译器标志传递给 GCC：。-mhard-float

2赞 Basile Starynkevitch 4/9/2013

关键是浮点状态没有从内核内部正确保存和恢复，例如在调度任务时（它仅从应用程序内部的角度保存）。

1赞 Rajeev Kumar 4/21/2016 #2

操作系统内核可能只是在内核模式下关闭 FPU。

当 FPU 操作时，浮点操作内核将打开 FPU，然后关闭 FPU。

但是你不能打印它。

它允许 Linux 在没有 FPU 的架构中运行
它避免了每次内核/用户空间转换时保存和恢复整套寄存器（它可能会使上下文切换的时间增加一倍）
基本上，所有内核函数都使用整数来表示十进制数 - >您可能不需要浮点数
在 Linux 中，当内核空间在 FPU 模式下运行时，抢占被禁用
浮点数是邪恶的，可能会产生非常糟糕的意外行为

如果你真的想使用 FP 编号（你不应该），你必须使用和原语来避免破坏用户空间寄存器，并且你应该考虑到处理 FP 编号时所有可能的问题（包括安全性）。kernel_fpu_beginkernel_fpu_end

19赞 Peter Cordes 11/2/2017 #4

我以为你不能在 Linux 内核中执行浮点运算

你不能安全地：不使用/并不意味着 FPU 指令会出错（至少在 x86 上不会）。kernel_fpu_begin()kernel_fpu_end()

相反，它会以静默方式破坏用户空间的 FPU 状态。这很糟糕;别这样。

编译器不知道是什么意思，因此它无法检查/警告编译为 FPU 开始区域之外的 FPU 指令的代码。kernel_fpu_begin()

可能存在一种调试模式，内核会禁用 / 区域之外的 SSE、x87 和 MMX 指令，但这会更慢，并且默认情况下不会这样做。kernel_fpu_beginend

不过，这是可能的：设置会使 x87 指令出错，因此延迟 FPU 上下文切换是可能的，并且 SSE 和 AVX 还有其他位。CR0::TS = 1

有缺陷的内核代码有很多种方式会导致严重的问题。这只是其中之一。在 C 语言中，你几乎总是知道何时使用浮点数（除非拼写错误导致常量或实际编译的上下文中的某些内容）。1.

为什么 FP 架构状态与整数不同？

Linux 必须在进入/退出内核时保存/恢复整数状态。所有代码都需要使用整数寄存器（除了以 a 而不是 a 结尾的 FPU 计算的巨大直线块（修改）。jmpretretrsp

但是内核代码通常会避开 FPU，因此 Linux 在系统调用输入时不保存 FPU 状态，仅在实际上下文切换到不同的用户空间进程之前保存。否则，通常会返回到同一内核上的同一用户空间进程，因此不需要恢复 FPU 状态，因为内核没有触及它。（如果内核任务确实修改了 FPU 状态，则会发生损坏。我认为这是双向的：用户空间也可能破坏您的 FPU 状态）。kernel_fpu_begin

整数状态相当小，只有 16 个 64 位寄存器 + RFLAGS 和段 regs。即使没有 AVX，FPU 状态也要大两倍以上：8 个 80 位 x87 寄存器、16 个 XMM 或 YMM 或 32 个 ZMM 寄存器（+ MXCSR 和 x87 状态 + 控制字）。此外，MPX 寄存器与“FPU”混为一谈。此时，“FPU 状态”仅表示所有非整数寄存器。在我的Skylake上，说bnd0-4dmesgx86/fpu: Enabled xstate features 0x1f, context size is 960 bytes, using 'compacted' format.

请参阅了解 Linux 内核中的 FPU 用法;默认情况下，现代 Linux 不会为上下文切换执行延迟 FPU 上下文切换（仅适用于内核/用户转换）。（但那篇文章解释了什么是懒惰。

大多数进程使用 SSE 来复制/清零编译器生成的代码中的小内存块，并且大多数库 string/memcpy/memset 实现使用 SSE/SSE2。此外，硬件支持的优化保存/恢复现在是一回事（xsaveopt / xrstor），因此，如果某些/全部 FP 寄存器实际上没有被使用，“急切”的 FPU 保存/恢复实际上可能会减少工作量。例如，如果 YMM 寄存器被归零，则只保存低 128b 的寄存器，以便 CPU 知道它们是干净的。（并在保存格式中仅用一位标记该事实。vzeroupper

通过“急切”的上下文切换，FPU 指令始终保持启用状态，因此糟糕的内核代码随时可能损坏它们。

为什么我能够在 Linux 内核模块中执行浮点运算？

Why am I able to perform floating point operations inside a Linux kernel module?

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