在 kernel_fpu_end 之前调用 kernel_fpu_begin 两次答案

【问题标题】：Calling kernel_fpu_begin twice before kernel_fpu_end在 kernel_fpu_end 之前调用 kernel_fpu_begin 两次
【发布时间】：2013-04-10 19:22:14
【问题描述】：

我正在使用asm/i387.h 中的kernel_fpu_begin 和kernel_fpu_end 函数来保护Linux 内核模块中一些简单浮点运算的FPU 寄存器状态。

我很好奇在kernel_fpu_end 函数之前两次调用kernel_fpu_begin 函数的行为，反之亦然。例如：

#include <asm/i387.h>

double foo(unsigned num){
    kernel_fpu_begin();

    double x = 3.14;
    x += num;

    kernel_fpu_end();

    return x;
}

...

kernel_fpu_begin();

double y = 1.23;
unsigned z = 42;
y -= foo(z);

kernel_fpu_end();

在foo函数中，我调用kernel_fpu_begin和kernel_fpu_end；但是在调用foo 之前已经调用了kernel_fpu_begin。这会导致未定义的行为吗？

此外，我什至应该在 foo 函数中调用 kernel_fpu_end 吗？我在kernel_fpu_end 调用之后返回了一个double，这意味着访问浮点寄存器是不安全的，对吧？

我最初的猜测是不要在foo 函数中使用kernel_fpu_begin 和kernel_fpu_end 调用；但是如果foo 将 double 转换返回到 unsigned 会怎样——程序员不知道在foo 之外使用kernel_fpu_begin 和kernel_fpu_end？

【问题讨论】：

标签： c linux linux-kernel linux-device-driver kernel-module

【解决方案1】：

简答：不，嵌套kernel_fpu_begin()调用是不正确的，它会导致用户空间FPU状态被破坏。

中等答案：这不起作用，因为 kernel_fpu_begin() 使用当前线程的 struct task_struct 来保存 FPU 状态（task_struct 有一个依赖于架构的成员 thread，并且在 x86 上，thread.fpu 持有线程的 FPU 状态），然后再执行一次 kernel_fpu_begin() 将覆盖原始保存的状态。然后执行kernel_fpu_end() 最终会恢复错误的 FPU 状态。

长答案：正如您在<asm/i387.h> 中看到的实际实现，细节有点棘手。在较旧的内核（如您查看的 3.2 源代码）中，FPU 处理总是“惰性”的——内核希望避免重新加载 FPU 的开销，直到它真正需要它，因为线程可能会运行并再次被调度无需实际使用 FPU 或需要其 FPU 状态。所以kernel_fpu_end()只是设置了TS标志，这会导致FPU的下一次访问陷入陷阱并导致FPU状态被重新加载。希望我们实际上并没有足够的时间使用 FPU，从而降低整体成本。

但是，如果您查看较新的内核（我相信是 3.7 或更新的内核），您会发现实际上所有这些都有第二条代码路径——“eager”FPU。这是因为较新的 CPU 具有“优化的”XSAVEOPT 指令，并且较新的用户空间更频繁地使用 FPU（用于 memcpy 中的 SSE 等）。 XSAVEOPT / XRSTOR 的成本更低，延迟优化实际上避免 FPU 重新加载的机会也更少，因此在新 CPU 上使用新内核时，kernel_fpu_end() 只是继续并恢复 FPU 状态。 (

但是在“懒惰”和“急切”的 FPU 模式下，task_struct 中仍然只有一个插槽来保存 FPU 状态，因此嵌套 kernel_fpu_begin() 最终会破坏用户空间的 FPU 状态。

【讨论】：

理论上，如果我生成了一个新的内核线程，调用kernel_fpu_begin 是否安全，因为状态会保存到不同的task_struct 结构中？
当然，在不同线程的上下文中，您可以再次调用kernel_fpu_begin。这并不是真正的嵌套用法，因为您正在创建一个新的执行线程。（类比是，当且仅当您有两个不同的线程时，您可以在同一个互斥锁上执行两次mutex_lock()）
顺便问一下，在kernel_fpu_begin你知道为什么TS标志只有在没有设置TS_USEDFPU的情况下才会被清除；如果 TS_USEDFPU 未设置，是否只是假定已清除 TS 标志？
TS_USEDFPU 被设置意味着“这个任务使用了 FPU”。我认为您键入的内容与您的意思相反，但想法是正确的：如果 TS_USEDFPU is 已设置，则该线程已使用 FPU 并且尚未被调度，因此 TS 不能被设置（因为 TS=1 意味着 FPU 指令会导致异常，内核必须已经处理并清除了 TS）。

【解决方案2】：

我正在评论asm/i387.h Linux 源代码（3.2 版），其中包含我理解的正在发生的事情。

static inline void kernel_fpu_begin(void)
{
        /* get thread_info structure for current thread */
        struct thread_info *me = current_thread_info();

        /* preempt_count is incremented by 1
         * (preempt_count > 0 disables preemption,
         *  while preempt_count < 0 signifies a bug) */
        preempt_disable();

        /* check if FPU has been used before by this thread */
        if (me->status & TS_USEDFPU)
                /* save the FPU state to prevent clobbering of
                 * FPU registers, then reset the TS_USEDFPU flag */
                __save_init_fpu(me->task);
        else
                /* clear the CR0.TS bit to prevent
                 * unnecessary FPU task context saving */
                clts();
}

static inline void kernel_fpu_end(void)
{
        /* set CR0.TS bit (signifying the processor switched
         * to a new task) to enable FPU task context saving */
        stts();

        /* attempt to re-enable preemption
         * (preempt_count is decremented by 1);
         * reschedule thread if needed
         * (thread will not be preempted if preempt_count != 0) */
        preempt_enable();
}

FXSAVE 指令通常用于保存 FPU 状态。但是，我相信每次在同一线程中调用 kernel_fpu_begin 时，内存目标都保持不变；不幸的是，这意味着FXSAVE 将覆盖之前保存的 FPU 状态。

因此我怀疑您不能安全地嵌套kernel_fpu_begin 调用。

但我仍然无法理解 FPU 状态是如何恢复的，因为 kernel_fpu_end 调用似乎没有执行 FXRSTOR 指令。另外，如果我们不再使用 FPU，为什么在 kernel_fpu_end 调用中设置了 CR0.TS 位？

【讨论】：

【解决方案3】：

是的，正如您定义的一些双精度变量 & foo 也返回双精度值；你必须使用kernel_fpu_begin和kernel_fpu_end在fooalso.之外调用

Similar Problem 也有这种情况，在某些情况下您可以在不使用 kernel_fpu_begin 和 kernel_fpu_end 调用的情况下进行编码。

【讨论】：

这是错误的。如果嵌套 kernel_fpu_begin，将会破坏 FPU 状态。