浮点数环境fenv.h

原文出自：http://blog.csdn.net/zhoudaxia/article/details/4710047

为了编写高精度浮点数的运算，编程人员需要控制浮点数环境的各个方面：结果如何舍入，浮点数表达式如何简化与变换，如何处理浮点数异常（如下溢之类的浮点数异常是忽略还是产生错误），等等。C99引入了fenv.h来控制浮点数环境。
    1、fenv.h：定义了浮点数环境控制函数、异常控制函数、舍入方式控制函数、浮点数异常码和舍入方式等。注意浮点数环境的实现是依赖于体系结构的，因为不同的体系结构有不同的浮点数指令集。依赖于体系结构的定义放在bits/fenv.h中，这里是x86体系结构的版本(Linux下）。
    标准头文件fenv.h内容如下：

[cpp] view plaincopy

1. /* ISO C99 7.6: 浮点数环境   <fenv.h> */  
2. #ifndef _FENV_H  
3. #define _FENV_H 1  
4. #include <features.h>  
5. /* 获取依赖于体系结构的定义。应该要有下面这些定义： 
6.    fenv_t   表示浮点数环境的类型 
7.    FE_DFL_ENV   fenv_t *指针类型的值，表示浮点数环境的缺省值（用于需要fenv_t参数的函数中） 
8.    fexcept_t    表示浮点数异常标志（这个标志保存了浮点数的状态）的类型 
9.     下面的宏被定义，当且仅当实现支持这些宏时： 
10.    FE_INEXACT       不精确的结果 
11.    FE_DIVBYZERO     除数为0 
12.    FE_UNDERFLOW     结果向下溢出 
13.    FE_OVERFLOW      结果向上溢出 
14.    FE_INVALID       无效的运算 
15.    FE_ALL_EXCEPT    所有被支持的异常的按位或 
16.    下面这些宏被定义，当且仅当实现支持某些适当的舍入方式时： 
17.    FE_TONEAREST     最近舍入 
18.    FE_UPWARD        向正无穷大(+Inf)舍入 
19.    FE_DOWNWARD      向负无穷大(-Inf)舍入 
20.    FE_TOWARDZERO    向0舍入 
21. */  
22. #include <bits/fenv.h>  
23. __BEGIN_DECLS  
24. /* 浮点数异常处理  */  
25. /* 清除EXCEPTS表示的异常状态  */  
26. extern int feclearexcept (int __excepts) __THROW;  
27. /* 将实现定义的异常标志EXCEPTS保存到FLAGP所指的对象中 */  
28. extern int fegetexceptflag (fexcept_t *__flagp, int __excepts) __THROW;  
29. /* 产生由EXCEPTS表示的异常 */  
30. extern int feraiseexcept (int __excepts) __THROW;  
31. /* 根把EXCEPTS异常标志设置为FLAGP所指对象中的值 */  
32. extern int fesetexceptflag (__const fexcept_t *__flagp, int __excepts) __THROW;  
33. /* 确定EXCEPTS指示的各个异常中有哪个异常子集被设置了 */  
34. extern int fetestexcept (int __excepts) __THROW;  
35. /* 舍入控制  */  
36. /* 获得当前的舍入方向，表示为一个舍入方向宏值  */  
37. extern int fegetround (void) __THROW;  
38. /* 设置舍入方向，成功时返回0  */  
39. extern int fesetround (int __rounding_direction) __THROW;  
40. /* 浮点数环境  */  
41. /* 获取当前的浮点数环境，并保存在ENVP所指的对象中 */  
42. extern int fegetenv (fenv_t *__envp) __THROW;  
43. /* 将当前浮点数环境保存到ENVP所指对象中，清除异常标志，然后安装一个不停止的浮点数环境（即 
44.     忽略所有浮点数异常） */  
45. extern int feholdexcept (fenv_t *__envp) __THROW;  
46. /* 设置浮点数环境 */  
47. extern int fesetenv (__const fenv_t *__envp) __THROW;  
48. /* 将当前浮点数环境保存到一个临时存储中，然后安装ENVP所指的环境，并根据保存的异常环境 
49.     产生异常 */  
50. extern int feupdateenv (__const fenv_t *__envp) __THROW;  
51.   
52. /* 下面包含了一些作为扩展的优化函数  */  
53. #ifdef __OPTIMIZE__  
54. # include <bits/fenvinline.h>  
55. #endif  
56. #ifdef __USE_GNU  
57. /* 激活个别的异常，激活的个数不会多于EXCEPTS指示的异常个数。如果所有异常被成功设置，则返回 
58.     以前激活的异常，否则返回-1 */  
59. extern int feenableexcept (int __excepts) __THROW;  
60. /* 禁用个别的异常，禁用的异常个数不会多于EXCEPTS指示的异常个数。如果所有异常被成功禁用， 
61.     则返回先前激活的异常，否则返回-1 */  
62. extern int fedisableexcept (int __excepts) __THROW;  
63. /* 返回激活的异常  */  
64. extern int fegetexcept (void) __THROW;  
65. #endif  
66. __END_DECLS  
67. #endif /* fenv.h */  

    bits/fenv.h内容如下：

[cpp] view plaincopy

1. /* bits/fenv.h：定义了浮点数异常码，x86体系结构的版本(Linux下）  */  
2. #ifndef _FENV_H  
3. # error "Never use <bits/fenv.h> directly; include <fenv.h> instead."  
4. #endif  
5. #include <bits/wordsize.h>  
6. /* 定义代表异常的位，我们使用FPU控制字中适当的位 */  
7. enum  
8.   {  
9.     FE_INVALID = 0x01,           /* 无效的运算 */  
10. #define FE_INVALID  FE_INVALID  
11.     __FE_DENORM = 0x02,  
12.     FE_DIVBYZERO = 0x04,        /* 除数为0 */  
13. #define FE_DIVBYZERO    FE_DIVBYZERO  
14.     FE_OVERFLOW = 0x08,        /* 结果向上溢出 */  
15. #define FE_OVERFLOW FE_OVERFLOW  
16.     FE_UNDERFLOW = 0x10,       /* 结果向下溢出 */  
17. #define FE_UNDERFLOW    FE_UNDERFLOW  
18.     FE_INEXACT = 0x20          /* 不精确的结果 */  
19. #define FE_INEXACT  FE_INEXACT  
20.   };  
21. /* 所有异常的按位或 */  
22. #define FE_ALL_EXCEPT /  
23.     (FE_INEXACT | FE_DIVBYZERO | FE_UNDERFLOW | FE_OVERFLOW | FE_INVALID)  
24. /* ix87 FPU支持所有四种已经定义的舍入模式。我们又使用FPU控制字中位作为相应宏的值 */  
25. enum  
26.   {  
27.     FE_TONEAREST = 0,         /* 最近舍入 */  
28. #define FE_TONEAREST    FE_TONEAREST  
29.     FE_DOWNWARD = 0x400,  
30. #define FE_DOWNWARD FE_DOWNWARD  
31.     FE_UPWARD = 0x800,       /* 向负无穷舍入 */  
32. #define FE_UPWARD   FE_UPWARD  
33.     FE_TOWARDZERO = 0xc00    /* 向正无穷舍入 */  
34. #define FE_TOWARDZERO   FE_TOWARDZERO  
35.   };  
36.   
37. /* 代表异常标志的类型  */  
38. typedef unsigned short int fexcept_t;  
39. /* 代表浮点数环境的类型。这个与块的布局有关的结构由fstenv指令写入，并且有另外的域作为 
40.    MXCSR寄存器的内容，这个寄存器由stmxcsr指令写入 */  
41. typedef struct  
42.   {  
43.     unsigned short int __control_word;  
44.     unsigned short int __unused1;  
45.     unsigned short int __status_word;  
46.     unsigned short int __unused2;  
47.     unsigned short int __tags;  
48.     unsigned short int __unused3;  
49.     unsigned int __eip;  
50.     unsigned short int __cs_selector;  
51.     unsigned int __opcode:11;  
52.     unsigned int __unused4:5;  
53.     unsigned int __data_offset;  
54.     unsigned short int __data_selector;  
55.     unsigned short int __unused5;  
56. #if __WORDSIZE == 64  
57.     unsigned int __mxcsr;  
58. #endif  
59.   }  
60. fenv_t;  
61. /* 缺省的浮点数环境：使用下面这个值  */  
62. #define FE_DFL_ENV  ((__const fenv_t *) -1)  
63. #ifdef __USE_GNU  
64. /* 没有任何异常被屏蔽的浮点数环境  */  
65. # define FE_NOMASK_ENV  ((__const fenv_t *) -2)  
66. #endif  

    标准C中指定的接口有：
    （1）浮点数环境类型：fenv_t，是一个结构体，里面的成员依赖于体系结构。
    （2）浮点数环境的缺省值：FE_DFL_ENV，是一个fenv_t *指针类型的值（为-1），用于需要fenv_t参数的函数中。
    （3）浮点数异常标志类型：fexcept_t，为unsigned short类型。异常标志中保存了浮点数的状态。
    （4）浮点数异常：FE_INEXACT, FE_DIVBYZERO, FE_UNDERFLOW, FE_OVERFLOW, FE_INVALID, FE_ALL_EXCEPT。
    （5）浮点数舍入方式：FE_TONEAREST, FE_UPWARD, FE_DOWNWARD, FE_TOWARDZERO。
    （6）浮点数环境控制函数：fegetenv, fesetenv, feholdexcpet, feupdateenv。
    （7）浮点数异常处理函数：fegetexceptflag, fesetexceptflag, fetestexcept, feraiseexcept, feclearexcept。
    （8）浮点数舍入控制函数：fegetround, fesetround。
    2、浮点数环境、异常、舍入控制函数的实现：这些函数的实现都是依赖于体系结构的，x86体系结构的部分在glibc源码的sysdeps/i386/fpu目录下。每个函数对应一个C语言源文件，由于要用到浮点数操作指令，因此都嵌入了汇编代码。这些函数的功能都非常简单，主要是通过fenv_t的实例或fexcept_t的实例来获取或设置相应的值，因此代码都不长，要理解这些代码，主要是要对x86体系结构有全面的了解。由于代码依赖于体系结构，也没有特别值得研究的独立于体系结构的算法，因此这里并不打算解剖它们的源代码。