为什么我能够在 Linux 内核模块内执行浮点运算？
- 2024-10-21 09:14:00
- admin 原创
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问题描述：
我在 x86 CentOS 6.3（内核 v2.6.32）系统上运行。
我将下面的函数编译成一个简单的字符驱动模块，作为实验来查看 Linux 内核对浮点运算的反应。
static unsigned floatstuff(void){
float x = 3.14;
x *= 2.5;
return x;
}
...
printk(KERN_INFO "x: %u", x);
代码编译成功（这是意料之外的），因此我插入模块并用 检查了日志dmesg。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——除了一些例外，例如kernel_fpu_begin()。模块如何执行浮点运算？
这是因为我使用的是 x86 处理器吗？
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：使用kernel_fpu_begin()/失败kernel_fpu_end()并不意味着 FPU 指令会出现故障（至少在 x86 上不会）。
相反，它会悄悄破坏用户空间的 FPU 状态。这很糟糕；不要这样做。
编译器不知道这是什么kernel_fpu_begin()意思，所以它无法检查/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，其中内核确实禁用kernel_fpu_begin/end区域之外的 SSE、x87 和 MMX 指令，但这会比较慢并且默认情况下不会执行。
但这是可能的：设置CR0::TS = 1会导致 x87 指令出错，因此延迟的 FPU 上下文切换是可能的，并且还有其他用于 SSE 和 AVX 的位。
内核代码存在许多缺陷，可能导致严重问题。这只是众多问题之一。在 C 语言中，您几乎总是知道何时使用浮点数（除非拼写错误导致常量1.或实际编译上下文中的某些内容）。
为什么FP架构状态与整数不同？
jmpLinux 每次进入/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（除了以而不是ret（ret修改）结尾的 FPU 计算的巨大直线块rsp）。
但是内核代码通常会避免使用 FPU，因此 Linux 在系统调用进入时不会保存 FPU 状态，仅在实际上下文切换到不同的用户空间进程或之前保存kernel_fpu_begin。否则，通常会返回到同一核心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，就会发生损坏。我认为这是双向的：用户空间也可能破坏您的FPU 状态）。
整数状态相当小，只有 16x 64 位寄存器 + RFLAGS 和段寄存器。即使没有 AVX，FPU 状态也是两倍多：8x 80 位 x87 寄存器，16x XMM 或 YMM，或 32x ZMM 寄存器（+ MXCSR，以及 x87 状态 + 控制字）。此外，MPXbnd0-4寄存器与“FPU”合并在一起。此时，“FPU 状态”仅表示所有非整数寄存器。在我的 Skylake 上，dmesg显示x86/fpu: Enabled xstate features 0x1f, context size is 960 bytes, using 'compacted' format.
请参阅了解 Linux 内核中的 FPU 使用情况；现代 Linux 默认不会对上下文切换执行惰性 FPU 上下文切换（仅对内核/用户转换执行惰性 FPU 上下文切换）。（但那篇文章解释了什么是惰性。）
大多数进程使用 SSE 来复制/清零编译器生成的代码中的小块内存，并且大多数库字符串/memcpy/memset 实现都使用 SSE/SSE2。此外，硬件支持的优化保存/恢复现在已成为现实（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/恢复实际上可能做的工作更少。例如，如果 YMM 寄存器的低 128b 被清零，则仅保存它们，vzeroupper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。）
通过“急切”的上下文切换，FPU 指令始终保持启用状态，因此错误的内核代码可能随时破坏它们。
解决方案 2：
不要这样做！
在内核空间中，FPU 模式由于以下几个原因而被禁用：
它允许 Linux 在没有 FPU 的架构中运行
它避免在每次内核/用户空间转换时保存和恢复整个寄存器集（它可能会使上下文切换的时间加倍）
基本上所有的内核函数都使用整数来表示十进制数 - >你可能不需要浮点数
在 Linux 中，当内核空间以 FPU 模式运行时，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
如果您确实想使用 FP 数字（而您不应该这样做），那么您必须使用kernel_fpu_begin和kernel_fpu_end原语来避免破坏用户空间寄存器，并且您应该考虑处理 FP 数字时可能出现的所有问题（包括安全性）。
解决方案 3：
不确定这种看法从何而来。但内核与用户模式代码在同一个处理器上执行，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），那么内核也可以。
也许你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（除非以某种方式禁用）。
我很好奇，这种看法从何而来？也许我忽略了什么。
找到了这个。似乎是一个很好的解释。
解决方案 4：
操作系统内核可能只是在内核模式下关闭 FPU。
当FPU运行时，浮点运算时内核会打开FPU，然后关闭FPU。
但你不能打印它。
