为什么我可以在Linux内核模块中执行浮点运算？

一尘不染

为什么我可以在Linux内核模块中执行浮点运算？

linux

我在x86 CentOS 6.3（内核v2.6.32）系统上运行。

我将以下功能编译为准字符驱动程序模块，以进行实验，以了解Linux内核如何对浮点运算作出反应。

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

...

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

代码已编译（没想到），因此我插入了模块，并使用来检查日志dmesg。日志显示：x: 7。

这似乎很奇怪；我以为您不能在Linux内核中执行浮点运算-保存一些异常，例如kernel_fpu_begin()。模块如何执行浮点运算？

这是因为我在x86处理器上吗？

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2020-06-02

共1个答案

一尘不染

我以为您不能在Linux内核中执行浮点运算

您不能放心：不使用kernel_fpu_begin()/
kernel_fpu_end()并不表示FPU指令会出错（至少不是在x86上）。

相反，它将以静默方式破坏用户空间的FPU状态。这是不好的; 不要那样做

编译器不知道是什么kernel_fpu_begin()意思，因此它无法检查/警告有关在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，其中内核确实在kernel_fpu_begin/
end区域之外禁用SSE，x87和MMX指令，但这会比较慢，并且默认情况下不会执行此操作。

但是，这是可能的：设置CR0::TS = 1会使x87指令出错，因此可以进行懒惰的FPU上下文切换，并且SSE和AVX还有其他位。

有问题的内核代码有很多
方法可以引起严重的问题。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（除非输入错误会导致1.常量或实际编译的上下文中的东西）。

FP架构状态为何与整数不同？

Linux必须在每次进入/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（FPU计算的巨型直线块以a jmp而不是a
ret（ret修饰rsp）结尾）。

但是内核代码通常会避免使用FPU，因此Linux会将FPU状态保留为从系统调用进入时未保存的状态，仅在实际上下文切换到其他 用户空间
进程之前保存kernel_fpu_begin。否则，通常会在相同的内核上返回相同的用户空间进程，因此无需恢复FPU状态，因为内核没有碰到它。（这就是如果一个内核任务实际上做了修改FPU状态腐败会发生，我认为这是双向的：用户空间也可能会破坏
你的 FPU状态）。

整数状态非常小，只有16个64位寄存器+
RFLAGS和段寄存器。即使没有AVX，FPU状态也要大两倍：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）。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.

请参阅了解Linux内核中FPU的用法。现代Linux默认情况下不对上下文切换执行惰性FPU上下文切换（仅用于内核/用户转换）。（但是那篇文章解释了什么是懒惰。）

大多数进程使用SSE复制/归零编译器生成的代码中的小块内存，大多数库字符串/ memcpy / memset实现使用SSE /
SSE2。而且，硬件支持的优化保存/恢复现在已经成为xsaveopt现实（/
xrstor），因此，如果尚未实际使用某些/所有FP寄存器，“急切”的FPU保存/恢复实际上可能会减少工作量。例如，如果将它们清零，则仅保存YMM寄存器的低128b，vzeroupper以便CPU知道它们是干净的。（并以保存格式中的一位来标记该事实。）

通过“紧急”上下文切换，FPU指令始终保持启用状态，因此不良的内核代码可以随时破坏它们。

2020-06-02