抽丝剥茧 Linux 浮点运算的原理

编者按：本文来自华辰连科技术团队，分享了他们在将浮点运算放到内核态时的探索。

最近我们有一个需求，需要把用户态的浮点数运算全部放到内核态运行，以提高运行速度，移植的过程中发现问题没有这么简单，然后我们抽丝剥茧，揭开 Linux 对浮点处理的原理。

此文章的代码基于 x86 64 位 CPU，Linux 4.14 内核。

一、 Linux 内核添加浮点运算出现的问题

我们以一个简单的浮点运算例子来说明：

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/debugfs.h>
#include <asm/fpu/api.h>
#include <linux/delay.h>

static noinline double float_divide(double float1, double float2)
{
    return float1 / float2;
}

static int __init test_float_init(void)
{
  double result, float1 = 4.9, float2 = 0.49;
​
  result = float_divide(float1, float2);
  printk("result = %d\n", (int)result);
​
  return 0;
}
​
static void __exit test_float_exit(void)
{
  ;
}
​
module_init(test_float_init);
module_exit(test_float_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

test_float.c

obj-m := test_float.o
KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build
​
all:
make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules

Makefile

这个内核模块就是计算了两个浮点数除的结果，然后将结果打印出来 。但是我们执行 make 编译的时候发现报错：

提示 SSE 寄存器返回的报错信息为 “SSE disabled”。我们执行 make V=1 查看关键的编译信息：

我们发现在 gcc 的参数中有 -mno-sse -mno-mmx -mno-sse2 选项，原来 gcc 默认的编译选项禁用了 sse、mmx、sse2 等浮点运算指令。

二、通过添加 gcc 编译参数和 kernel_fpu_begin/kernel_fpu_end 来解决问题

为了让内核支持浮点运算，我们在 Makefile 中添加支持 sse 等选项，源码中添加 kernel_fpu_begin/kernel_fpu_end 函数，修改后的源码如下所示：

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/debugfs.h>
#include <asm/fpu/api.h>
#include <linux/delay.h>

static noinline double float_divide(double float1, double float2)
{
    return float1 / float2;
}

static int __init test_float_init(void)
{
  double result, float1 = 4.9, float2 = 0.49;
​
  kernel_fpu_begin();
  result = float_divide(float1, float2);
  kernel_fpu_end();
  printk("result = %d\n", (int)result);
​
  return 0;
}
​
static void __exit test_float_exit(void)
{
  ;
}
​
module_init(test_float_init);
module_exit(test_float_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

test_float.c

obj-m := test_float.o
KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build
​
FPU_CFLAGS += -mhard-float
FPU_CFLAGS += -msse -msse2
CFLAGS_test_float.o += $(FPU_CFLAGS)
​
all:
make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules

Makefile

此时执行 make，发现编译正确通过了：

然后 insmod test_float.ko，观察 dmesg 的输出：

从上面的例子，结合内核源码中 arch/x86/Makefile 中的 KBUILD_CFLAGS，可以看到编译内核及内核模块时，gcc 选项继承 Linux 中的规则，指定了 -mno-sse -mno-mmx -mno-sse2，也就是禁用了 FPU 。所以，要想内核模组支持浮点运算，编译选项需要显式的指定 -msse -msse2。

三、 Linux 内核态对浮点运算处理方式的分析

从上面可以看到，我们为了实现一个内核模块的浮点运算，添加了编译参数 -mhard-float和-msse -msse2，对于编译参数来说，-mhard-float 是告诉编译器直接生成浮点运算的指令，而 -msse -msse2 则是告诉编译器可以使用 sse/sse2 指令集来编译代码。

kernel_fpu_begin 和 kernel_fpu_end 也是必须的，因为 Linux 内核为了提高系统的运行速率，在任务上下文切换时，只会保存/恢复普通寄存器的值，并不包括 FPU 浮点寄存器的值，而调用 kernel_fpu_begin 主要作用是关掉系统抢占，浮点计算结束后调用 kernel_fpu_end 开启系统抢占，这使得代码不会被中断，从而安全的进行浮点运算，并且要求这之间的代码不能有休眠或调度操作，另外不得有嵌套的情况出现（将会覆盖原始保存的状态，然后执行 kernel_fpu_end() 最终将恢复错误的 FPU 状态）。

void kernel_fpu_begin(void)
{
  preempt_disable();
  __kernel_fpu_begin();
}

四、三角函数在 Linux 内核态的实现

由于内核态不支持浮点运算，所以像三角函数之类浮点运算都没有实现，如果需要，可以将用户态 glibc 中相关的三角函数的实现移植到内核态。

五、 Linux 用户态对浮点运算处理方式的分析

为什么用户态浮点运算就不需要指定编译选项以及显式调用 kernel_fpu_begin 和 kernel_fpu_end 函数呢？我们在用户态下写一个简单的带浮点运算的例子：

#include <stdio.h>
​
int main(int argc, char **argv)
{
  int result, float1=4.9, float2=0.49;
​
  result = float1 / float2;
  printf("result = %d\n", result);
​
  return 0;
}

user_float.c

我们分别使用下面四条编译指令查看编译出来的汇编：

1. gcc -S user_float.c
2. gcc -S user_float.c -msoft-float
3. gcc -S user_float.c -mhard-float
4. gcc -S user_float.c -msoft-float -mno-sse -mno-mmx -mno-sse2

前三条命令编译成功。依次查看编译生成的汇编代码，发现生成的汇编代码是完全一样的，都是用到了 sse 指令中的 mmx 寄存器，也就是使用到了 FPU。

第四条命令编译失败 ，提示 error: SSE register return with SSE disabled。从上面的现象中我们可以得出结论，系统默认使用 gcc 编译用户态程序时，gcc 默认使用 FPU，也就是使用硬浮点来编译。

经过查阅各种文档和分析代码，x86 CPU 提供如下特性：CPU 提供的 TS 寄存器的第三个位是 任务已切换标志 （ Task Switched bit ） ，CPU 在每次任务切换时会设置这个位。而且 TS 的这个位被设置时，当进程使用 FPU 指令时 CPU 会产生一个 DNA（Device Not Availabel）异常。Linux 使用此特性，当用户态应用程序进行浮点运算时（SSE 等指令），触发 DNA 异常，同时使用 FPU 专用寄存器和指令来执行浮点数功能，此时 TS_USEDFPU 标志为 1，表示用户态进程使用了 FPU。

void fpu__restore(struct fpu *fpu)
{
  fpu__initialize(fpu);

  /* Avoid __kernel_fpu_begin() right after fpregs_activate() */
  kernel_fpu_disable();
  trace_x86_fpu_before_restore(fpu);
  fpregs_activate(fpu);
  copy_kernel_to_fpregs(&fpu->state);
  trace_x86_fpu_after_restore(fpu);
  kernel_fpu_enable();
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(fpu__restore);

假设用户态进程 A 使用到了 FPU 执行浮点运算，此时用户态进程 B 被调度执行，那么当进程 A 被调度出去的时候，内核设置 TS 并调用 fpu__restore 将 FPU 的内容保存。当进程 A 恢复浮点运算执行时，触发 DNA 异常，相应的异常处理程序会恢复 FPU 之前保存的状态。

假设用户态进程 A 使用到了 FPU 执行浮点运算（TS_USEDFPU 标志为 1），此时内核态进程 C 调度并使用 FPU，由于内核只会保存普通的寄存器的值，并不包括 FP 等寄存器的值，所以内核会主动调用 kernel_fpu_begin 函数保存寄存器内容，使用完之后调用 kernel_fpu_end。当用户态进程 A 恢复浮点运算执行时，触发 DNA 异常，相应的异常处理程序会恢复 FPU 寄存器的内容。

六、 结论

1. Linux 中当任务切换时，缺省不保存浮点器寄存器。
2. 如果需要内核态支持浮点运算，需要增加支持浮点的编译选项和使用 kernel_fpu_begin 和 kernel_fpu_end 函数手动处理上下文。
3. 用户态缺省支持浮点运算，但是需要内核来辅助。