C標(biāo)準(zhǔn)庫源碼解剖(12)：浮點(diǎn)數(shù)環(huán)境fenv.h

2024-07-10 13:27:18

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為了編寫高精度浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算，編程人員需要控制浮點(diǎn)數(shù)環(huán)境的各個(gè)方面：結(jié)果如何舍入，浮點(diǎn)數(shù)表達(dá)式如何簡化與變換，如何處理浮點(diǎn)數(shù)異常（如下溢之類的浮點(diǎn)數(shù)異常是忽略還是產(chǎn)生錯(cuò)誤），等等。C99引入了fenv.h來控制浮點(diǎn)數(shù)環(huán)境。
1、fenv.h： 定義了浮點(diǎn)數(shù)環(huán)境控制函數(shù)、異常控制函數(shù)、舍入方式控制函數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)異常碼和舍入方式等。注意浮點(diǎn)數(shù)環(huán)境的實(shí)現(xiàn)是依賴于體系結(jié)構(gòu)的，因?yàn)椴煌捏w系結(jié)構(gòu)有不同的浮點(diǎn)數(shù)指令集。依賴于體系結(jié)構(gòu)的定義放在bits/fenv.h中，這里是x86體系結(jié)構(gòu)的版本(Linux下）。
標(biāo)準(zhǔn)頭文件fenv.h內(nèi)容如下：

[cpp] view plaincopy							
			/* ISO C99 7.6: 浮點(diǎn)數(shù)環(huán)境   <fenv.h> */  
			#ifndef _FENV_H  
			#define _FENV_H 1  
			#include <features.h>  
			/* 獲取依賴于體系結(jié)構(gòu)的定義。應(yīng)該要有下面這些定義： 
			   fenv_t   表示浮點(diǎn)數(shù)環(huán)境的類型 
			   FE_DFL_ENV   fenv_t *指針類型的值，表示浮點(diǎn)數(shù)環(huán)境的缺省值（用于需要fenv_t參數(shù)的函數(shù)中） 
			   fexcept_t    表示浮點(diǎn)數(shù)異常標(biāo)志（這個(gè)標(biāo)志保存了浮點(diǎn)數(shù)的狀態(tài)）的類型 
			    下面的宏被定義，當(dāng)且僅當(dāng)實(shí)現(xiàn)支持這些宏時(shí)： 
			   FE_INEXACT       不精確的結(jié)果 
			   FE_DIVBYZERO     除數(shù)為0 
			   FE_UNDERFLOW     結(jié)果向下溢出 
			   FE_OVERFLOW      結(jié)果向上溢出 
			   FE_INVALID       無效的運(yùn)算 
			   FE_ALL_EXCEPT    所有被支持的異常的按位或 
			   下面這些宏被定義，當(dāng)且僅當(dāng)實(shí)現(xiàn)支持某些適當(dāng)?shù)纳崛敕绞綍r(shí)： 
			   FE_TONEAREST     最近舍入 
			   FE_UPWARD        向正無窮大(+Inf)舍入 
			   FE_DOWNWARD      向負(fù)無窮大(-Inf)舍入 
			   FE_TOWARDZERO    向0舍入 
			*/  
			#include <bits/fenv.h>  
			__BEGIN_DECLS  
			/* 浮點(diǎn)數(shù)異常處理  */  
			/* 清除EXCEPTS表示的異常狀態(tài)  */  
			extern int feclearexcept (int __excepts) __THROW;  
			/* 將實(shí)現(xiàn)定義的異常標(biāo)志EXCEPTS保存到FLAGP所指的對象中 */  
			extern int fegetexceptflag (fexcept_t *__flagp, int __excepts) __THROW;  
			/* 產(chǎn)生由EXCEPTS表示的異常 */  
			extern int feraiseexcept (int __excepts) __THROW;  
			/* 根把EXCEPTS異常標(biāo)志設(shè)置為FLAGP所指對象中的值 */  
			extern int fesetexceptflag (__const fexcept_t *__flagp, int __excepts) __THROW;  
			/* 確定EXCEPTS指示的各個(gè)異常中有哪個(gè)異常子集被設(shè)置了 */  
			extern int fetestexcept (int __excepts) __THROW;  
			/* 舍入控制  */  
			/* 獲得當(dāng)前的舍入方向，表示為一個(gè)舍入方向宏值  */  
			extern int fegetround (void) __THROW;  
			/* 設(shè)置舍入方向，成功時(shí)返回0  */  
			extern int fesetround (int __rounding_direction) __THROW;  
			/* 浮點(diǎn)數(shù)環(huán)境  */  
			/* 獲取當(dāng)前的浮點(diǎn)數(shù)環(huán)境，并保存在ENVP所指的對象中 */  
			extern int fegetenv (fenv_t *__envp) __THROW;  
			/* 將當(dāng)前浮點(diǎn)數(shù)環(huán)境保存到ENVP所指對象中，清除異常標(biāo)志，然后安裝一個(gè)不停止的浮點(diǎn)數(shù)環(huán)境（即 
			    忽略所有浮點(diǎn)數(shù)異常） */  
			extern int feholdexcept (fenv_t *__envp) __THROW;  
			/* 設(shè)置浮點(diǎn)數(shù)環(huán)境 */  
			extern int fesetenv (__const fenv_t *__envp) __THROW;  
			/* 將當(dāng)前浮點(diǎn)數(shù)環(huán)境保存到一個(gè)臨時(shí)存儲中，然后安裝ENVP所指的環(huán)境，并根據(jù)保存的異常環(huán)境 
			    產(chǎn)生異常 */  
			extern int feupdateenv (__const fenv_t *__envp) __THROW;  
			  
			/* 下面包含了一些作為擴(kuò)展的優(yōu)化函數(shù)  */  
			#ifdef __OPTIMIZE__  
			# include <bits/fenvinline.h>  
			#endif  
			#ifdef __USE_GNU  
			/* 激活個(gè)別的異常，激活的個(gè)數(shù)不會多于EXCEPTS指示的異常個(gè)數(shù)。如果所有異常被成功設(shè)置，則返回 
			    以前激活的異常，否則返回-1 */  
			extern int feenableexcept (int __excepts) __THROW;  
			/* 禁用個(gè)別的異常，禁用的異常個(gè)數(shù)不會多于EXCEPTS指示的異常個(gè)數(shù)。如果所有異常被成功禁用， 
			    則返回先前激活的異常，否則返回-1 */  
			extern int fedisableexcept (int __excepts) __THROW;  
			/* 返回激活的異常  */  
			extern int fegetexcept (void) __THROW;  
			#endif  
			__END_DECLS  
			#endif /* fenv.h */  

bits/fenv.h內(nèi)容如下：

[cpp] view plaincopy							
			/* bits/fenv.h：定義了浮點(diǎn)數(shù)異常碼，x86體系結(jié)構(gòu)的版本(Linux下）  */  
			#ifndef _FENV_H  
			# error "Never use <bits/fenv.h> directly; include <fenv.h> instead."  
			#endif  
			#include <bits/wordsize.h>  
			/* 定義代表異常的位，我們使用FPU控制字中適當(dāng)?shù)奈?nbsp;*/  
			enum  
			  {  
			    FE_INVALID = 0x01,           /* 無效的運(yùn)算 */  
			#define FE_INVALID  FE_INVALID  
			    __FE_DENORM = 0x02,  
			    FE_DIVBYZERO = 0x04,        /* 除數(shù)為0 */  
			#define FE_DIVBYZERO    FE_DIVBYZERO  
			    FE_OVERFLOW = 0x08,        /* 結(jié)果向上溢出 */  
			#define FE_OVERFLOW FE_OVERFLOW  
			    FE_UNDERFLOW = 0x10,       /* 結(jié)果向下溢出 */  
			#define FE_UNDERFLOW    FE_UNDERFLOW  
			    FE_INEXACT = 0x20          /* 不精確的結(jié)果 */  
			#define FE_INEXACT  FE_INEXACT  
			  };  
			/* 所有異常的按位或 */  
			#define FE_ALL_EXCEPT /  
			    (FE_INEXACT | FE_DIVBYZERO | FE_UNDERFLOW | FE_OVERFLOW | FE_INVALID)  
			/* ix87 FPU支持所有四種已經(jīng)定義的舍入模式。我們又使用FPU控制字中位作為相應(yīng)宏的值 */  
			enum  
			  {  
			    FE_TONEAREST = 0,         /* 最近舍入 */  
			#define FE_TONEAREST    FE_TONEAREST  
			    FE_DOWNWARD = 0x400,  
			#define FE_DOWNWARD FE_DOWNWARD  
			    FE_UPWARD = 0x800,       /* 向負(fù)無窮舍入 */  
			#define FE_UPWARD   FE_UPWARD  
			    FE_TOWARDZERO = 0xc00    /* 向正無窮舍入 */  
			#define FE_TOWARDZERO   FE_TOWARDZERO  
			  };  
			  
			/* 代表異常標(biāo)志的類型  */  
			typedef unsigned short int fexcept_t;  
			/* 代表浮點(diǎn)數(shù)環(huán)境的類型。這個(gè)與塊的布局有關(guān)的結(jié)構(gòu)由fstenv指令寫入，并且有另外的域作為 
			   MXCSR寄存器的內(nèi)容，這個(gè)寄存器由stmxcsr指令寫入 */  
			typedef struct  
			  {  
			    unsigned short int __control_word;  
			    unsigned short int __unused1;  
			    unsigned short int __status_word;  
			    unsigned short int __unused2;  
			    unsigned short int __tags;  
			    unsigned short int __unused3;  
			    unsigned int __eip;  
			    unsigned short int __cs_selector;  
			    unsigned int __opcode:11;  
			    unsigned int __unused4:5;  
			    unsigned int __data_offset;  
			    unsigned short int __data_selector;  
			    unsigned short int __unused5;  
			#if __WORDSIZE == 64  
			    unsigned int __mxcsr;  
			#endif  
			  }  
			fenv_t;  
			/* 缺省的浮點(diǎn)數(shù)環(huán)境：使用下面這個(gè)值  */  
			#define FE_DFL_ENV  ((__const fenv_t *) -1)  
			#ifdef __USE_GNU  
			/* 沒有任何異常被屏蔽的浮點(diǎn)數(shù)環(huán)境  */  
			# define FE_NOMASK_ENV  ((__const fenv_t *) -2)  
			#endif  

    標(biāo)準(zhǔn)C中指定的接口有：
    （1）浮點(diǎn)數(shù)環(huán)境類型：fenv_t，是一個(gè)結(jié)構(gòu)體，里面的成員依賴于體系結(jié)構(gòu)。
    （2）浮點(diǎn)數(shù)環(huán)境的缺省值：FE_DFL_ENV，是一個(gè)fenv_t *指針類型的值（為-1），用于需要fenv_t參數(shù)的函數(shù)中。
    （3）浮點(diǎn)數(shù)異常標(biāo)志類型：fexcept_t，為unsigned short類型。異常標(biāo)志中保存了浮點(diǎn)數(shù)的狀態(tài)。
    （4）浮點(diǎn)數(shù)異常：FE_INEXACT, FE_DIVBYZERO, FE_UNDERFLOW, FE_OVERFLOW, FE_INVALID, FE_ALL_EXCEPT。
    （5）浮點(diǎn)數(shù)舍入方式：FE_TONEAREST, FE_UPWARD, FE_DOWNWARD, FE_TOWARDZERO。
    （6）浮點(diǎn)數(shù)環(huán)境控制函數(shù)：fegetenv, fesetenv, feholdexcpet, feupdateenv。
    （7）浮點(diǎn)數(shù)異常處理函數(shù)：fegetexceptflag, fesetexceptflag, fetestexcept, feraiseexcept, feclearexcept。
    （8）浮點(diǎn)數(shù)舍入控制函數(shù)：fegetround, fesetround。
    2、浮點(diǎn)數(shù)環(huán)境、異常、舍入控制函數(shù)的實(shí)現(xiàn)： 這些函數(shù)的實(shí)現(xiàn)都是依賴于體系結(jié)構(gòu)的，x86體系結(jié)構(gòu)的部分在glibc源碼的sysdeps/i386/fpu目錄下。每個(gè)函數(shù)對應(yīng)一個(gè)C語言源文件，由于要用到浮點(diǎn)數(shù)操作指令，因此都嵌入了匯編代碼。這些函數(shù)的功能都非常簡單，主要是通過fenv_t的實(shí)例或fexcept_t的實(shí)例來獲取或設(shè)置相應(yīng)的值，因此代碼都不長，要理解這些代碼，主要是要對x86體系結(jié)構(gòu)有全面的了解。由于代碼依賴于體系結(jié)構(gòu)，也沒有特別值得研究的獨(dú)立于體系結(jié)構(gòu)的算法，因此這里并不打算解剖它們的源代碼。