在 C++ 中处理浮点异常答案

【问题标题】：Handling Floating-Point exceptions in C++在 C++ 中处理浮点异常
【发布时间】：2013-07-26 00:00:03
【问题描述】：

我发现浮点模型/错误问题非常令人困惑。这是一个我不熟悉的领域，而且我不是低级 C/asm 程序员，所以我希望能得到一些建议。

我有一个使用 VS2012 (VC11) 构建的大型 C++ 应用程序，我已将其配置为抛出浮点异常（或更准确地说，允许 C++ 运行时和/或硬件抛出 fp 异常） - 它正在抛出其中很多在发布（优化）版本中，但不在调试版本中。我认为这是由于优化，也可能是浮点模型（尽管编译器 /fp:precise 开关设置为发布和调试版本）。

我的第一个问题与管理应用程序的调试有关。我想控制在哪里抛出 fp 异常以及它们在哪里被“屏蔽”。这是必需的，因为我正在调试（优化的）发布版本（这是 fp 异常发生的地方）-并且我想在我检测到问题的某些函数中禁用 fp 异常，这样我就可以找到新的 FP 问题。但是我对使用 _controlfp_s 执行此操作（效果很好）和编译器（和#pragma float_control）切换“/fp:except”（似乎没有效果）之间的区别感到困惑。这两种机制有什么区别？它们是否应该对 fp 异常产生相同的影响？

其次，我收到了一些“浮点堆栈检查”异常——包括一个似乎在调用 GDI+ dll 时引发的异常。在网上搜索，很少提到这个异常似乎表明它是由于编译器错误造成的。一般情况是这样吗？如果是这样，我应该如何解决这个问题？如果似乎没有返回任何错误的浮点值，是否最好禁用问题函数的编译器优化，或者仅针对有问题的代码区域禁用 fp-exceptions？例如，在引发此异常的 GDI+ 调用（对 GraphicsPath::GetPointCount）中，实际返回的整数值似乎是正确的。目前我正在使用 _controlfp_s 在 GDI+ 调用之前立即禁用 fp-exceptions - 然后在调用之后再次使用它来重新启用异常。

最后，我的应用程序确实进行了大量浮点计算，并且需要稳健可靠，但不一定非常准确。该应用程序的本质是浮点值通常表示概率，因此本质上有些不精确。但是，我想捕获任何纯逻辑错误，例如除以零。什么是最好的 fp 模型？目前我是：

使用 _controlfp_s 和 SIGFPE 信号处理程序捕获所有 fp 异常（即 EM_OVERFLOW | EM_UNDERFLOW | EM_ZERODIVIDE | EM_DENORMAL | EM_INVALID），
已启用非正规归零 (DAZ) 和归零 (FTZ)（即 _MM_SET_FLUSH_ZERO_MODE(_MM_DENORMALS_ZERO_ON)），并且
我正在使用默认的 VC11 编译器设置 /fp:precise 和 /fp:except 未指定。

这是最好的模型吗？

感谢和问候！

【问题讨论】：

=="我想控制 fp 异常被抛出的位置以及它们被“屏蔽”的位置。"== 我永远不应该屏蔽异常。如果它们应该被屏蔽，那么你不应该首先抛出异常。如果通过屏蔽，您的意思是处理异常，那么在调试和发布中应该是相同的。
嗨拉姆。这主要是为了调试我的应用程序——我想在我检测到问题的某些功能中禁用 fp-exceptions，这样我就可以找到新的问题。我也有 GDI+ 调用引发的 fp-exception 的问题。目前我使用 _controlfp_s 在调用之前立即禁用 fp-exceptions - 然后使用它在之后直接重新启用异常。而且我不确定所有的 fp 异常都一定是相关的（例如 EM_DENORMAL）——我认为这就是为什么 VC（和其他编译器？）默认禁用它们的原因。我可以对此提出建议——因此是上面的最后一个问题。
@Ram：这些异常不会在软件中引发，它们是由 FPU 故障产生的。屏蔽决定故障是否成为异常。不要考虑 C++ 异常处理、try/catch 或堆栈展开。这些也是异常，但行为不同于 C++ 异常。
有很多库希望 FPU 在异常关闭的情况下进行初始化。他们会期望除以零来产生无穷大，使用 NaN 来跟踪“未初始化”状态等等。除非您在调用之前明确更改 FPU 控制字，否则您无法使用此类库。这不切实际。
您可能需要考虑使用一个将有理数存储为 {enumerator,denominator} 并支持 C++ 中提供的所有算术运算的类。我可以给你发这样的类，它不执行任何 FP 操作。虽然，如果您运行的是 RT/嵌入式系统，那么它可能无法满足您的要求，时间方面（速度）和空间方面（内存）。当然，如果它适合您，那么您可以随时更改内部实现以适应您的系统要求。

标签： c++ visual-c++ exception floating-point

【解决方案1】：

以下大部分信息来自 Bruce Dawson 关于该主题的博文 (link)。

由于您使用的是 C++，因此您可以创建一个 RAII 类，以在范围内启用或禁用浮点异常。这让您拥有更大的控制权，因此您只需将异常状态暴露给您的代码，而不是自己手动管理调用 _controlfp_s()。此外，以这种方式设置的浮点异常状态是系统范围的，因此最好记住控制字的先前状态并在需要时恢复它。 RAII 可以为您解决这个问题，并且是您描述的 GDI+ 问题的一个很好的解决方案。

异常标志 _EM_OVERFLOW、_EM_ZERODIVIDE 和 _EM_INVALID 是最需要考虑的。当计算结果为正无穷或负无穷时引发 _EM_OVERFLOW，而当结果为信号 NaN 时引发 _EM_INVALID。 _EM_UNDERFLOW 可以安全忽略；当您的计算结果为非零且介于 -FLT_MIN 和 FLT_MIN 之间（换句话说，当您生成非正规时）时，它会发出信号。由于浮点运算的性质，_EM_INEXACT 被提出得太频繁以至于没有任何实际用途，尽管如果在某些情况下试图追踪不精确的结果，它可能会提供信息。

SIMD 代码增加了复杂性；因为您没有明确指出使用 SIMD，所以我将省略对此的讨论，只是要注意指定 /fp:fast 以外的任何内容都可以禁用 VS 2012 中代码的自动矢量化；有关详细信息，请参阅this answer。

【讨论】：

感谢您对我的博文大喊大叫。 controlfp 系列函数设置 FPU 中屏蔽标志的状态，打开和关闭它们。这就是控制 FPU 异常是否被屏蔽的原因（默认情况下它们都是被屏蔽的 Ram）。我相信 /fp:except 和 #pragma float_control 告诉编译器生成与浮点异常兼容的代码。如果您想捕获它们、处理它们并继续，这一点很重要。如果您只是为了查找错误而使用它们（如果您之后不尝试继续），那么它们并不重要。

【解决方案2】：

前两个问题我帮不上什么忙，但我有经验和关于屏蔽 FPU 异常的问题的建议。

我找到了函数

_statusfp()  (x64 and Win32)
_statusfp2() (Win32 only)
_fpreset()
_controlfp_s()
_clearfp()
_matherr()

在调试 FPU 异常和交付稳定快速的产品时很有用。

在调试时，我有选择地取消屏蔽异常，以帮助隔离在计算中生成 fpu 异常的代码行，在该代码行中我无法避免调用其他无法预测地生成 fpu 异常的代码（如 .NET JIT 的除以零）。

在已发布的产品中，我使用它们来交付一个稳定的程序，该程序可以容忍严重的浮点异常，检测它们何时发生并优雅地恢复。

当我必须调用无法更改的代码时，我会屏蔽所有 FPU 异常，没有可靠的异常处理，偶尔会产生 FPU 异常。

示例：

#define BAD_FPU_EX (_EM_OVERFLOW | _EM_ZERODIVIDE | _EM_INVALID)
#define COMMON_FPU_EX (_EM_INEXACT | _EM_UNDERFLOW | _EM_DENORMAL)
#define ALL_FPU_EX (BAD_FPU_EX | COMMON_FPU_EX)

发布代码：

_fpreset();
Use _controlfp_s() to mask ALL_FPU_EX 
_clearfp();
... calculation
unsigned int bad_fpu_ex = (BAD_FPU_EX  & _statusfp());
_clearfp(); // to prevent reacting to existing status flags again
if ( 0 != bad_fpu_ex )
{
  ... use fallback calculation
  ... discard result and return error code
  ... throw exception with useful information
}

调试代码：

_fpreset();
_clearfp();
Use _controlfp_s() to mask COMMON_FPU_EX and unmask BAD_FPU_EX 
... calculation
  "crash" in debugger on the line of code that is generating the "bad" exception.

根据您的编译器选项，发布版本可能会使用对 FPU 操作的内部调用，而调试版本可能会调用数学库函数。对于 sqrt(-1.0) 等无效操作，这两种方法的错误处理行为可能有很大不同。

在 64 位 Windows 7 上使用 VS2010 构建的可执行文件，在 Win32 和 x64 平台上使用相同代码时，我生成的双精度算术值略有不同。即使使用带有 /fp::precise 的非优化调试版本，fpu 精度控制显式设置为 _PC_53，fpu 舍入控制显式设置为 _RC_NEAR。我不得不调整一些比较双精度值的回归测试，以将平台考虑在内。我不知道这是否仍然是 VS2012 的问题，但请注意。

【讨论】：

【解决方案3】：

我一直在努力获取有关在 linux 上处理浮点异常的一些信息，我可以告诉你我学到了什么：有几种方法可以启用异常机制：

fesetenv (FE_NOMASK_ENV);启用所有异常
feenableexcept(FE_ALL_EXCEPT);

 fpu_control_t fw;
 _FPU_GETCW(fw);
 fw |=FE_ALL_EXCEPT;
 _FPU_SETCW(fw);

> fenv_t envp; include bits/fenv.h   
> fegetenv(&envp);    
 envp.__control_word |= ~_FPU_MASK_OM;   
> fesetenv(&envp);

> fpu_control_t cw;
> __asm__ ("fnstcw %0" : "=m" (*&cw));get config word
>cw |= ~FE_UNDERFLOW;
> __asm__ ("fldcw %0" : : "m" (*&cw));write config word

6.C++模式：std::feclearexcept(FE_ALL_EXCEPT);

有一些有用的链接： http://frs.web.cern.ch/frs/Source/MAC_headers/fpu_control.h http://en.cppreference.com/w/cpp/numeric/fenv/fetestexcept http://technopark02.blogspot.ro/2005/10/handling-sigfpe.html

【讨论】：