浮点库应用，你也有困惑吗？

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浮点库应用，你也有困惑吗？

今天小编想要给大家带来的是最近在调试一个项目时候发现的怪事，同样的函数库在使用不同的IDE时，得到的运行结果竟然是不一致的。相信眼尖的读者朋友已经从标题中猜出一二了，正是因为库中依赖了浮点计算库所导致的问题。那么就请和小编一起，探究下详细的来龙去脉吧！

项目背景
首先再详细描述以下项目背景：我们使用了一个由GCC工具链构建的函数库，编译器选项为-mfloat-abi=hard，即在编译时，使能了硬件浮点单元指令加速。但在我们将该库与Keil项目链接后，发现结果不正确。当然，我们最先怀疑的当然是库编译的有问题啦。但是奇怪的事情发生了，我当我们使用GCC工具链链接编译相同的工程，并运行后，得到了正确的结果。那么可以基本确定，库应该是没有问题的。那么问题出在哪呢？


问题分析
由于小编所拿到的库并不包含调试信息，只能通过一些技术手段进行破解。通过反汇编库代码，我们发现库依赖了一些浮点计算库的C函数，如sqrtf、expf等，为了简便，让我们称之为xxf函数，由于GCC并没有提供其具体实现，因此需要由库的使用者链接这些函数，而经过进一步的debug，我们发现这些函数导致了错误的结果，换句话说，这些函数的返回值是错的。


问题调试
那就有意思了，为了简单起见，让我们先编写一段简单的测试代码来复现这个问题，代码很简单，我们直接定义一个开平方根的函数：

1. #include "math.h"
   
2. 
   
3. float calc_sqrt(float a){
   
4. 
   
5.        return  sqrtf(a);
   
6. 
   
7. }

复制代码

使用gcc工具链对其进行编译：
arm-none-eabi-gcc.exe -mcpu=cortex-m7  -mthumb  -mfpu=fpv5-sp-d16  -mfloat-abi=hard test.c -fshort-wchar -c -o test.o


随后，随便找到一个Keil的测试工程，我们这里选择一个Hello_World示例工程，将编译出来的.o文件添加到工程中：

并在主程序中添加调用代码：

1. float calc_sqrt(float a)
   
2. volatile float a = calc_sqrt(4.0f);

复制代码

编译链接下载程序，并让程序停在函数调用处：

单步进入calc_sqrt函数内部，到这里，我们可以发现对这些函数的调用顺序是正确的。通过将参数传递给S0（对于float）如下所示，S0中寸的就是待计算的数据4.0f：

看起来好像没有问题，再进一步现在让我们检查由Keil链接的sqrtf函数的汇编实现：

相信大家发现了奇怪的事情了，链接的sqrtf将S0中的值传递给S0，而此时R0的值其实为0，但正如之前所说，浮点值已经由库的代码传递给了S0。因此，由于S0中实际要计算的值被临时替换了，就导致了一个错误的结果。

这里要强调一下，如果在Keil中直接调用sqrtf时候，或是使用keil编译器所编译出来的.o文件，Keil运行时库会使用“__hardfp_sqrtf”作为sqrtf的混淆名称：

而因为我们所使用库来自GCC工具链，因此Keil并不会对其进行替换，而是会将C库中叫做sqrtf的函数直接链接进去，而这个函数的默认实现，是使用R0作为参数传递的寄存器。这也就导致，实际要被计算的数丢失，最终导致结果计算错误。


那么怎么解决这个问题，让keil不去链接这个奇怪的sqrtf呢，这就要用到Keil的一个小技巧了：

1. float $Sub$sqrtf(float a){
   
2.      return __builtin_sqrtf(a);
   
3. }

复制代码

这样一来，调用sqrtf函数的地方，就会编程对$Sub$$sqrtf的调用：

而结果也变为正确的结果2.0了：

当然，大家可能会想啊，那我开了gcc优化之后，是不是就可以自动展开sqrtf了呢？让我们来看看：


arm-none-eabi-gcc.exe -mcpu=cortex-m7  -mthumb  -mfpu=fpv5-sp-d16  -mfloat-abi=hard test.c -fshort-wchar -c -o3 -o test.o


代码并没有变化：

结论
小编想用这个例子和大家说明下，在涉及到跨工具链开发时，一定要注意浮点库的使用或依赖问题，由于不同编译器对于浮点运算的实现可能有些许不同，会导致意想不到的奇怪问题出现。最好的方案，还是根据不同的工具链都构建一个专属的库来使用。

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