【导读】：C 20 终于引入了协程特性，给库作者提供了一个实现协程的机制，让用户方便使用协程来编写异步逻辑，降低了异步并发编程的难度。结合我最近协程的学习，在这里记录一下相关内容。

以下是正文

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使用场景

协程和普通函数相比，多了个中途随时 挂起 ，随后 恢复 的过程，当用户调用一个阻塞请求接口，从而让出控制权，当响应时，恢复之前的控制流，从而大大提高线程复用率，这也注意了协程只是并发的，并不是真正意义上的并行，在 IO 密集型场景下，协程能够很好的提高资源利用率，用少数的线程达到并发成百上万个协程的效果。

而相对传统的线程池 回调模式，每发起一个请求，为了避免阻塞当前线程，需要挂一个回调函数处理后续过程，而回调函数又可能产生竞争，导致得加锁处理。而协程却能够以同步方式写实现异步，后续过程直接挂起，当响应的时候恢复执行。

我参与的项目中，对象随时都可能起个线程干活，或者常驻于对象生命周期里，统计下来整个项目居然开了几百个线程，由于多线程编程难免导致竞争，从而需要锁这种很低级的机制做同步，而一旦引入了锁，就不可避免的扩散开来，大家看到这里加把锁，那我也加把锁，统计下来代码里面居然也有几百把锁。真是维护的噩梦。

由于协程能够随时挂起，后续恢复，这就能实现一些延迟计算的特性，例如生成器。

扯远了，本文主题是关于 C 20 的协程，在 C 20 还没稳定之前，先来学习一下相关知识，读完本文后你应该能利用这个机制实现一些想要的协程了。

概念模型

C 20 的协程设计为无栈协程，相对于有栈协程，省掉了上下文切换开销[1]，只能手动切换，效率更高，也不用管理复杂的寄存器状态，移植性更好，但这同时也导致了不能被非协程函数嵌套调用。

同时引入了 3 个关键字：

1. co_yield: 挂起并返回值

2. co_await: 挂起

3. co_return: 结束协程

当一个函数出现了上面的关键字，则该函数是个协程。

Promise

当 caller 调用一个 callee 协程的时候，协程自身的状态信息 [2]（形参，局部变量，自带数据，各个阶段点执行点）会被保存在堆上的 Promise 对象中，这也是编译器会在协程里面插入 Promise 相关代码，以及一些执行点。由于 Promise 的大小可以在编译期计算出来，从而避免了内存浪费。而 Promise 对象所有权可由coroutine_handle 句柄持有。

Future

而 Future 对象主要是与 Promise 对象交互的桥梁，既 caller 与 callee 之间的通信：

1. callee 挂起时，将值返回给 caller: yield 语义

2. callee 执行结束时，将值返回给 caller: return 语义

3. callee 恢复时，caller 将值带给 callee

需要注意的是，这些概念和标准库的 std::promise/std::future 不是同一个东西，后者用于做同步用，std::future会阻塞等待直到 std::promise 提供值，可以看做是条件变量的封装，同样地，和其他语言的 Promise/Future 概念也不一样。

Awaitable

如果一个对象是 Awaitable 对象，那么可以用 co_await 操作符去触发该对象的动作 ready/suspend/resume，从而转移、恢复控制权，co_await 细节留到后面在介绍。

具体机制

了解了概念模型后，我们可以进一步探讨背后的机制了。

Promise/Future 对象

当一个协程被调用时，会创建 Promise 对象，然后编译器会在各个阶段插入一些代码[3]：

{  co_await promise.initial_suspend();  try  {      }  catch (...)  {    promise.unhandled_exception();  }FinalSuspend:  co_await promise.final_suspend();}

可以看到一个协程函数，分为如下几个步骤：

1. 从堆上 (operator new) 创建 Promise 对象，保存协程的状态信息

2. initial_suspend 阶段，用于在执行协程主体  代码前做些事情

3. 阶段，执行协程的主体代码

4. unhandled_exception 阶段，若抛异常，处理异常

5. final_suspend阶段，协程结束收尾动作，在这阶段的 coroutine_handle::done 方法为 true，caller 可以通过这个方法判断协程是否结束，从而不再调用 resume 恢复协程。

而协程返回类型则是一个 Future 对象，这一步编译器通过 Promise::get_return_object() 来创建 Future 对象。而 Future 对象一般持有 Promise 的句柄：coroutine_handle，这样 caller 可以通过 Future 与 Promise 交互，从而恢复协程。

而 Promise 对象释放的时间点有两个，避免重复执行，否则会 double free：

1. final_suspend 阶段 resume 后

2. 调用 coroutine_handle::destroy() 方法

比较好的做法是在 final_suspend 阶段挂起，这时候就不可 resume 了，在 caller 通过调用 Future 持有的句柄 destroy() 方法释放 Promise 对象。综上，一个 Promise 对象需要实现如下方法：

1. initial_suspend: 返回一个 Awaitable 对象