引言
cfenv 是 C++对 C 语言头文件 fenv.h 的封装，该头文件定义了一系列与浮点数运算环境相关的函数和宏定义，以及一些相关的结构体定义。它的作用主要是控制程序运行过程中浮点数运算的状态 flag 和控制模式，接下来我们来看看这个头文件的具体作用与实现原理。
注一：下面的源码参考 android-12.0.0_r3 中的源码，具体代码路径为：
http://www.aospxref.com/android-12.0.0_r3/xref/
注二：贴近底层的代码实现通常都与具体的计算机体系结构相关，如：aarch64、arm、i386、x86_64 等，文中以笔者的运行环境为主，主要讲述 x86_64 架构相关的代码实现与分析。
C++的封装逻辑
参考对应文件http://www.aospxref.com/android-12.0.0_r3/xref/external/libcxx/include/cfenv中的代码片段如下：
56 #include <__config>57 #include <fenv.h>58 59 #if !defined(_LIBCPP_HAS_NO_PRAGMA_SYSTEM_HEADER)60 #pragma GCC system_header61 #endif62 63 _LIBCPP_BEGIN_NAMESPACE_STD64 65 using ::fenv_t;66 using ::fexcept_t;67 68 using ::feclearexcept;69 using ::fegetexceptflag;70 using ::feraiseexcept;71 using ::fesetexceptflag;72 using ::fetestexcept;73 using ::fegetround;74 using ::fesetround;75 using ::fegetenv;76 using ::feholdexcept;77 using ::fesetenv;78 using ::feupdateenv;79 80 _LIBCPP_END_NAMESPACE_STD81 82 #endif // _LIBCPP_CFENV
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实际上这里做了两件事情，一是 include 了 C 语言的头文件“fenv.h”，二是，将头文件中全局的结构体、对应的函数都使用 using 语句修饰，保证在对应 std 命名空间中都可以正常访问到。这便是 C++对 C 头文件的封装，具体实现还是 C 语言头文件中的。
fenv.h 的结构体定义与宏定义
我们先来看看定义部分：
//http://www.aospxref.com/android-12.0.0_r3/xref/bionic/libc/include/fenv.h34 #if defined(__aarch64__) || defined(__arm__)35 #include <bits/fenv_arm.h>36 #elif defined(__i386__)37 #include <bits/fenv_x86.h>38 #elif defined(__x86_64__)39 #include <bits/fenv_x86_64.h>40 #endif...42 __BEGIN_DECLS//上面三个平台的函数定义78 __END_DECLS...80 #if defined(__arm__)81 #include <android/legacy_fenv_inlines_arm.h>82 #endif
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这里通过不同的平台宏进行区分，最后选择了不同的平台头文件，我们以__x86_64__进行分析，其它平台类似（注意，__arm__平台有些区别，其它三个平台的头文件只定义了结构体或者变量，所以需要在该文件中定义函数，但是__arm__平台在其头文件中同时定义了结构体变量和函数，就不需重复定义了）
FE_xxx 异常宏
定义了 float 运算的相关类别，按位进行标识。
33 /*34 * Each symbol representing a floating point exception expands to an integer35 * constant expression with values, such that bitwise-inclusive ORs of _all36 * combinations_ of the constants result in distinct values.37 *38 * We use such values that allow direct bitwise operations on FPU/SSE registers.39 */40 #define FE_INVALID 0x0141 #define FE_DENORMAL 0x0242 #define FE_DIVBYZERO 0x0443 #define FE_OVERFLOW 0x0844 #define FE_UNDERFLOW 0x1045 #define FE_INEXACT 0x2046 47 /*48 * The following symbol is simply the bitwise-inclusive OR of all floating-point49 * exception constants defined above.50 */51 #define FE_ALL_EXCEPT (FE_INVALID | FE_DENORMAL | FE_DIVBYZERO | \52 FE_OVERFLOW | FE_UNDERFLOW | FE_INEXACT)
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FE_xxx 浮点数舍入方向宏
定义了浮点数进行舍入时的方向，按位进行标识（因为浮点数有精度限制，现有的编码方式并不能表示所有的数，需要考虑进行舍入，即使用一个可以的编码来近似表示该浮点数）。
FE_TONEAREST：将 x 舍入为最接近 x 的值，有一半的 case 舍入为 0
FE_DOWNWARD：将 x 舍入为不大于 x 的最大值
FE_UPWARD：将 x 舍入为不小于 x 的最小值
FE_TOWARDZERO：将 x 舍入为绝对值不大于 x 的最接近 x 的值
54 /*55 * Each symbol representing the rounding direction, expands to an integer56 * constant expression whose value is distinct non-negative value.57 *58 * We use such values that allow direct bitwise operations on FPU/SSE registers.59 */60 #define FE_TONEAREST 0x00061 #define FE_DOWNWARD 0x40062 #define FE_UPWARD 0x80063 #define FE_TOWARDZERO 0xc00
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fenv_t 类型定义
该结构体实际上就是整个浮点数运算环境的定义，包括控制字、状态字、标志字等信息。
65 /*66 * fenv_t represents the entire floating-point environment.67 */68 typedef struct {69 struct {70 __uint32_t __control; /* Control word register */71 __uint32_t __status; /* Status word register */72 __uint32_t __tag; /* Tag word register */73 __uint32_t __others[4]; /* EIP, Pointer Selector, etc */74 } __x87;75 __uint32_t __mxcsr; /* Control, status register */76 } fenv_t;
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fexcept_t 类型定义
异常状态类型信息，具体到函数使用时说明。
78 /*79 * fexcept_t represents the floating-point status flags collectively, including80 * any status the implementation associates with the flags.81 *82 * A floating-point status flag is a system variable whose value is set (but83 * never cleared) when a floating-point exception is raised, which occurs as a84 * side effect of exceptional floating-point arithmetic to provide auxiliary85 * information.86 *87 * A floating-point control mode is a system variable whose value may be set by88 * the user to affect the subsequent behavior of floating-point arithmetic.89 */90 typedef __uint32_t fexcept_t;
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fenv.h 的变量定义
定义了一个全局只读变量__fe_dfl_env，即我们上面说的 fenv_t 结构体，保存浮点数运算的相关环境设置信息；同时定义了一个获取该变量地址的宏 FE_DFL_ENV，使用取地址符，返回变量地址。
67 /*68 * The following constant represents the default floating-point environment69 * (that is, the one installed at program startup) and has type pointer to70 * const-qualified fenv_t.71 *72 * It can be used as an argument to the functions that manage the floating-point73 * environment, namely fesetenv() and feupdateenv().74 */75 extern const fenv_t __fe_dfl_env;76 #define FE_DFL_ENV (&__fe_dfl_env)
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fenv.h 的函数定义
可以明显地看出，函数定义分为四类：
管理异常 flag 位的
管理浮点数舍入方向的
管理整体环境变量的
管理异常整体控制的
44 // fenv was always available on x86.45 #if __ANDROID_API__ >= 21 || defined(__i386__)46 int feclearexcept(int __exceptions) __INTRODUCED_IN_ARM(21) __INTRODUCED_IN_X86(9);47 int fegetexceptflag(fexcept_t* __flag_ptr, int __exceptions) __INTRODUCED_IN_ARM(21) __INTRODUCED_IN_X86(9);48 int feraiseexcept(int __exceptions) __INTRODUCED_IN_ARM(21) __INTRODUCED_IN_X86(9);49 int fesetexceptflag(const fexcept_t* __flag_ptr, int __exceptions) __INTRODUCED_IN_ARM(21) __INTRODUCED_IN_X86(9);50 int fetestexcept(int __exceptions) __INTRODUCED_IN_ARM(21) __INTRODUCED_IN_X86(9);51 52 int fegetround(void) __INTRODUCED_IN_ARM(21) __INTRODUCED_IN_X86(9);53 int fesetround(int __rounding_mode) __INTRODUCED_IN_ARM(21) __INTRODUCED_IN_X86(9);54 55 int fegetenv(fenv_t* __env) __INTRODUCED_IN_ARM(21) __INTRODUCED_IN_X86(9);56 int feholdexcept(fenv_t* __env) __INTRODUCED_IN_ARM(21) __INTRODUCED_IN_X86(9);57 int fesetenv(const fenv_t* __env) __INTRODUCED_IN_ARM(21) __INTRODUCED_IN_X86(9);58 int feupdateenv(const fenv_t* __env) __INTRODUCED_IN_ARM(21) __INTRODUCED_IN_X86(9);59 60 int feenableexcept(int __exceptions) __INTRODUCED_IN_ARM(21) __INTRODUCED_IN_X86(9);61 int fedisableexcept(int __exceptions) __INTRODUCED_IN_ARM(21) __INTRODUCED_IN_X86(9);62 int fegetexcept(void) __INTRODUCED_IN_ARM(21) __INTRODUCED_IN_X86(9);63 #else64 /* Defined as inlines for pre-21 ARM. */65 #endif
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查看其对应的实现.c 文件
只发现了 amd64，arm64，i387 的实现，具体该选择哪一个呢？我们来看看具体的编译情况。
http://www.aospxref.com/android-12.0.0_r3/xref/bionic/libm/Android.bp
22 cc_library {23 name: "libm",24 defaults: ["linux_bionic_supported"],25 ramdisk_available: true,26 vendor_ramdisk_available: true,27 recovery_available: true,28 static_ndk_lib: true,29 30 whole_static_libs: ["libarm-optimized-routines-math"],31 ...285 // arch-specific settings286 arch: {287 arm: {288 srcs: [289 "arm/fenv.c",290 ],...314 arm64: {315 srcs: [316 "arm64/fenv.c",317 "arm64/lrint.S",318 "arm64/sqrt.S",319 ],347 x86: {348 srcs: [349 "i387/fenv.c",...416 x86_64: {417 srcs: [418 "amd64/fenv.c",
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可以知道，x86_64 使用的是 amd64/fenv.c 的实现，接下我我们就分析该文件中的具体实现。
http://www.aospxref.com/android-12.0.0_r3/xref/bionic/libm/amd64/fenv.c
管理异常 flag 位
feclearexcept
作用是清空输入指定的异常，不进行监控。
77 /*78 * The feclearexcept() function clears the supported floating-point exceptions79 * represented by `excepts'.80 */81 int82 feclearexcept(int excepts)83 {84 fenv_t fenv;85 unsigned int mxcsr;86 87 excepts &= FE_ALL_EXCEPT;88 89 /* Store the current x87 floating-point environment */90 __asm__ __volatile__ ("fnstenv %0" : "=m" (fenv));91 92 /* Clear the requested floating-point exceptions */93 fenv.__x87.__status &= ~excepts;94 95 /* Load the x87 floating-point environent */96 __asm__ __volatile__ ("fldenv %0" : : "m" (fenv));97 98 /* Same for SSE environment */99 __asm__ __volatile__ ("stmxcsr %0" : "=m" (mxcsr));100 mxcsr &= ~excepts;101 __asm__ __volatile__ ("ldmxcsr %0" : : "m" (mxcsr));102 103 return (0);104 }
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通过代码，可以看到，首先将输入值与 FE_ALL_EXCEPT 做按位与，截断操作数据，保证后续操作是针对有效的异常位；通过__asm__汇编嵌入语句，fnstenv 获取当前的环境变量，然后使用取反再按位与的操作，将想要清除的异常位置为 0，保留其它位，变量为 fenv.__x87.__status；然后 fldenv 加载修改后的环境变量；相同的操作对 SSE(Streaming SIMD Extensions) 环境变量进行处理，主要是对 MXCSR 寄存器进行操作，该寄存器也是管理浮点数运算相关的。
feraiseexcept
使用输入值更新异常检测环境信息，主要的逻辑还是在 fesetexceptflag 函数中
131 /*132 * The feraiseexcept() function raises the supported floating-point exceptions133 * represented by the argument `excepts'.134 *135 * The standard explicitly allows us to execute an instruction that has the136 * exception as a side effect, but we choose to manipulate the status register137 * directly.138 *139 * The validation of input is being deferred to fesetexceptflag().140 */141 int142 feraiseexcept(int excepts)143 {144 excepts &= FE_ALL_EXCEPT;145 146 fesetexceptflag((fexcept_t *)&excepts, excepts);147 __asm__ __volatile__ ("fwait");148 149 return (0);150 }
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fesetexceptflag
相关的汇编操作与 feclearexcept 类似，这次 set 操作的两个输入值其实是同一个值，一个只读，一个可改写，对位运算进行两次校验，保证修改正确。
152 /*153 * This function sets the floating-point status flags indicated by the argument154 * `excepts' to the states stored in the object pointed to by `flagp'. It does155 * NOT raise any floating-point exceptions, but only sets the state of the flags.156 */157 int158 fesetexceptflag(const fexcept_t *flagp, int excepts)159 {160 fenv_t fenv;161 unsigned int mxcsr;162 163 excepts &= FE_ALL_EXCEPT;164 165 /* Store the current x87 floating-point environment */166 __asm__ __volatile__ ("fnstenv %0" : "=m" (fenv));167 168 /* Set the requested status flags */169 fenv.__x87.__status &= ~excepts;170 fenv.__x87.__status |= *flagp & excepts;171 172 /* Load the x87 floating-point environent */173 __asm__ __volatile__ ("fldenv %0" : : "m" (fenv));174 175 /* Same for SSE environment */176 __asm__ __volatile__ ("stmxcsr %0" : "=m" (mxcsr));177 mxcsr &= ~excepts;178 mxcsr |= *flagp & excepts;179 __asm__ __volatile__ ("ldmxcsr %0" : : "m" (mxcsr));180 181 return (0);182 }
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fegetexceptflag
获取对应的异常信息，注意，这里从两个地方获取之后做了与操作
106 /*107 * The fegetexceptflag() function stores an implementation-defined108 * representation of the states of the floating-point status flags indicated by109 * the argument excepts in the object pointed to by the argument flagp.110 */111 int112 fegetexceptflag(fexcept_t *flagp, int excepts)113 {114 unsigned short status;115 unsigned int mxcsr;116 117 excepts &= FE_ALL_EXCEPT;118 119 /* Store the current x87 status register */120 __asm__ __volatile__ ("fnstsw %0" : "=am" (status));121 122 /* Store the MXCSR register */123 __asm__ __volatile__ ("stmxcsr %0" : "=m" (mxcsr));124 125 /* Store the results in flagp */126 *flagp = (status | mxcsr) & excepts;127 128 return (0);129 }
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管理浮点数舍入方向
管理整体环境变量
管理异常整体控制
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