为什么我能够在 Linux 内核模块中执行浮点运算？答案

【问题标题】：Why am I able to perform floating point operations inside a Linux kernel module?为什么我能够在 Linux 内核模块中执行浮点运算？
【发布时间】：2013-03-30 19:42:18
【问题描述】：

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的字符驱动模块中作为一个实验，以了解 Linux 内核如何对浮点操作做出反应。

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

...

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

编译的代码（这不是预期的）所以我插入了模块并使用dmesg 检查了日志。日志显示：x: 7。

这看起来很奇怪；我以为你不能在 Linux 内核中执行浮点运算——保存一些异常，例如 kernel_fpu_begin()。模块是如何进行浮点运算的？

这是因为我使用的是 x86 处理器吗？

【问题讨论】：

为什么内核不能进行浮点运算？
你为什么这么惊讶？毕竟，内核模块只是要由 CPU 执行的另一段代码。只要它可以执行你扔给它的操作码，你就可以了。
另外，很可能在编译期间执行了算术运算，剩下的就是return 7;。
这里已经回答了这个问题：stackoverflow.com/questions/13886338/… 这个问题更像是一个不那么正确的陈述，答案是解释性的。你可以在内核中做 FP。
kernel_fpu_begin() / end 是不破坏用户空间 FPU 状态所必需的。 没有它，你可以在内核中进行 FP，但你会破坏 FPU 的状态当前进程。 Linux 会进行惰性 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。）

标签： c linux gcc linux-kernel x86

【解决方案1】：

我以为你不能在 Linux 内核中执行浮点运算

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

相反，它会默默地破坏用户空间的 FPU 状态。这是不好的;不要那样做。

编译器不知道kernel_fpu_begin() 的含义，因此它无法检查/警告在 FPU 开始区域之外编译为 FPU 指令的代码。

可能存在一种调试模式，其中内核会在 kernel_fpu_begin / end 区域之外禁用 SSE、x87 和 MMX 指令，但这会更慢并且默认情况下不会这样做。

虽然有可能：设置 CR0::TS = 1 会使 x87 指令出错，因此可以进行惰性 FPU 上下文切换，并且还有其他位用于 SSE 和 AVX。

有许多错误的内核代码会导致严重的问题。这只是众多之一。在 C 语言中，您几乎总是知道何时使用浮点数（除非拼写错误导致 1. 常量或实际编译的上下文中的某些内容）。

为什么 FP 架构状态不同于整数？

Linux 在任何时候进入/退出内核时都必须保存/恢复整数状态。所有代码都需要使用整数寄存器（除了以jmp 而不是ret 结尾的巨大的FPU 计算直线块（ret 修改rsp）。）

但内核代码通常会避免 FPU，因此 Linux 在系统调用进入时不保存 FPU 状态，仅在实际上下文切换到不同的用户空间进程或kernel_fpu_begin之前保存.否则，通常会返回到同一个内核上的同一个用户空间进程，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，就会发生损坏。我认为这是双向的：用户空间也可能损坏您的 FPU 状态。

整数状态相当小，只有 16 个 64 位寄存器 + RFLAGS 和段寄存器。即使没有 AVX，FPU 状态也是两倍多：8 个 80 位 x87 寄存器和 16 个 XMM 或 YMM，或 32 个 ZMM 寄存器（+ MXCSR 和 x87 状态 + 控制字）。 MPX bnd0-4 寄存器也与“FPU”集中在一起。此时“FPU 状态”仅表示所有非整数寄存器。在我的 Skylake 上，dmesg 说 x86/fpu: Enabled xstate features 0x1f, context size is 960 bytes, using 'compacted' format.

见Understanding FPU usage in linux kernel;现代 Linux 默认情况下不会为上下文切换执行惰性 FPU 上下文切换（仅用于内核/用户转换）。（但那篇文章解释了 Lazy 是什么。）

大多数进程使用 SSE 在编译器生成的代码中复制/归零小块内存，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/恢复现在是一件事（xsaveopt / xrstor），因此如果某些/所有 FP 寄存器实际上没有被使用，“急切”的 FPU 保存/恢复实际上可能会做更少的工作。例如如果用vzeroupper 清零，则只保存 YMM 寄存器的低 128b，这样 CPU 就知道它们是干净的。（并在保存格式中仅用一位标记该事实。）

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可能随时损坏它们。

【讨论】：

你引用的文章有点过时了。特别是，对惰性模式的支持已从内核中完全删除。所以默认的 Eager 模式是现在唯一的模式。
https://patchwork.kernel.org/patch/9362413/.

【解决方案2】：

不要那样做！

在内核空间中，FPU 模式被禁用，原因如下：

它允许 Linux 在没有 FPU 的架构中运行
它避免了每次内核/用户空间转换都保存和恢复整个寄存器集（它可能会使上下文切换时间加倍）
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 模式下运行时会禁用抢占
浮点数是邪恶的，may generate very bad unexpected behaviour

如果您真的想使用 FP 编号（并且您不应该），您必须使用 kernel_fpu_begin 和 kernel_fpu_end 原语以避免破坏用户空间寄存器，并且您应该考虑所有可能的问题 (包括安全性）在处理 FP 号码时。

【讨论】：

【解决方案3】：

操作系统内核可以简单地在内核模式下关闭 FPU。

在 FPU 操作时，内核会在浮点运算时打开 FPU，然后关闭 FPU。

但是你不能打印它。

【讨论】：

好答案：见this SO answer。它解释说，由于性能原因，FPU 可能会被禁用。

【解决方案4】：

不确定这种看法来自哪里。但是内核与用户模式代码在同一处理器上执行，因此可以访问相同的指令集。如果处理器可以进行浮点运算（直接或通过协处理器），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，它仍可在内核中使用（好吧，除非以某种方式禁用）。

我很好奇，这种感知是从哪里来的？也许我错过了什么。

Found this。似乎是一个很好的解释。

【讨论】：

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 代码编译而没有关于未定义符号（例如 __fixunssfsi）的 GCC 错误感到困惑'正在编译内核模块。我怀疑这只是 GCC，取决于内核排除的库中的帮助程序，所以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。
让我补充一点，我知道浮点寄存器没有被保存；我并不特别在意这会破坏用户态程序，因为我只是在试验代码以更好地理解这种行为。
我想通了；我需要将此编译器标志传递给 GCC：-mhard-float。
关键是浮点状态没有从内核内部正确保存和恢复，例如调度任务时（仅从应用程序内部的角度保存）。