C++20 协程原理与应用

协程

要想了解协程，最好先搞清楚进程，线程，这样才能将三者区分开来！

进程 vs 线程 vs 协程

进程线程协程
切换者操作系统操作系统用户（编程者）
切换时机根据操作系统自己的切换策略，用户不感知根据操作系统自己的切换策略，用户不感知用户（编程者）自己决定
切换内容页全局目录、内核栈、硬件上下文内核栈、硬件上下文硬件上下文
切换内容的保存保存于内核栈中保存于内核栈中保存于用户栈中
切换过程用户态-内核态-用户态用户态-内核态-用户态用户态（没有陷入内核态）

协程优点：

  1. I/O 阻塞时，利用协程来处理（切换效率比较高）
  2. 不需要锁机制

协程缺点：

  1. 不能利用多核 CPU

1. 进程和线程

1.1 进程

进程，直观点说，保存在硬盘上的程序运行以后，会在内存空间里形成一个独立的内存体，这个内存体 有自己独立的地址空间，有自己的堆 ，上级挂靠单位是操作系统。 操作系统会以进程为单位，分配系统资源（CPU时间片、内存等资源），进程是资源分配的最小单位 。

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【进程间通信（IPC）】：

  • 管道(Pipe)、命名管道(FIFO)、消息队列(Message Queue) 、信号量(Semaphore) 、共享内存（Shared Memory）；套接字（Socket）。

1.2 线程

线程，有时被称为轻量级进程(Lightweight Process，LWP），是操作系统调度（CPU调度）执行的最小单位。

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1.3 进程和线程的区别和联系

1.3.1 区别

  • 调度： 线程作为调度和分配的基本单位，进程作为拥有资源的基本单位；
  • 并发性： 不仅进程之间可以并发执行，同一个进程的多个线程之间也可并发执行；
  • 拥有资源： 进程是拥有资源的一个独立单位，线程不拥有系统资源，但可以访问隶属于进程的资源。进程所维护的是程序所包含的资源（静态资源）， 如：地址空间，打开的文件句柄集，文件系统状态，信号处理 handler 等；线程所维护的运行相关的资源（动态资源），如：运行栈，调度相关的控制信息，待处理的信号集等；
  • 系统开销： 在创建或撤消进程时，由于系统都要为之分配和回收资源，导致系统的开销明显大于创建或撤消线程时的开销。但是进程有独立的地址空间，一个进程崩溃后，在保护模式下不会对其它进程产生影响，而线程只是一个进程中的不同执行路径。线程有自己的堆栈和局部变量，但线程之间没有单独的地址空间，一个进程死掉就等于所有的线程死掉，所以多进程的程序要比多线程的程序健壮，但在进程切换时，耗费资源较大，效率要差一些。

1.3.2 联系：

  • 一个线程只能属于一个进程，而一个进程可以有多个线程，但至少有一个线程；
  • 资源分配给进程，同一进程的所有线程共享该进程的所有资源；
  • 处理机分给线程，即真正在处理机上运行的是线程；
  • 线程在执行过程中，需要协作同步。不同进程的线程间要利用消息通信的办法实现同步。

1.3.3 举例说明进程和线程区别

假如我们把整条道路看成是一个 “进程” 的话，那么由白色虚线分隔开来的各个车道就是进程中的各个 “线程” 了。

  • 这些 线程(车道) 共享了 进程(道路) 的公共资源(土地资源)。

  • 这些 线程(车道) 必须依赖于 进程(道路) ，也就是说，线程不能脱离于进程而存在(就像离开了道路，车道也就没有意义了)。

  • 这些 线程(车道) 之间可以 并发执行(各个车道你走你的，我走我的) ，也可以 互相同步(某些车道在交通灯亮时禁止继续前行或转弯，必须等待其它车道的车辆通行完毕) 。

  • 这些 线程(车道) 之间依靠 代码逻辑(交通灯) 来控制运行，一旦 代码逻辑控制有误(死锁，多个线程同时竞争唯一资源) ，那么线程将陷入混乱，无序之中。

1.4 进程/线程之间的亲缘性

亲缘性的意思是进程/线程只在某个 CPU 上运行（多核系统），比如：

BOOL WINAPI SetProcessAffinityMask(_In_ HANDLE    hProcess,_In_ DWORD_PTR dwProcessAffinityMask
);
/*
dwProcessAffinityMask 如果是 0 , 代表当前进程只在 cpu0 上工作;
如果是 0x03 , 转为2进制是 00000011 . 代表只在 cpu0 或 cpu1 上工作;
*/

使用CPU亲缘性的好处：

设置CPU亲缘性是为了防止进程/线程在CPU的核上频繁切换 ，从而 避免因切换带来的CPU的L1/L2 cache失效 ，cache 失效会降低程序的性能。

2. 协程

概要速览：

协程（coroutine）是一种在程序设计中用于实现多任务并发执行的技术。它允许在单个线程内进行多个任务之间的切换，这种切换是协作式的，即任务主动让出控制权，而不是抢占式的。协程的概念最早可以追溯到1958年，由马尔文·康威（Marvin Conway）提出，并在1963年首次公开发表。

在程序中，协程通常通过函数或方法的暂停和恢复来实现。一个协程函数可以在执行到某个点时暂停，将控制权让给其他的协程函数，并在适当的时候恢复执行。这种机制使得一个线程可以在等待某些操作（如I/O）完成时切换到其他任务，从而提高资源的利用率。

协程的实现通常依赖于事件循环（event loop）或类似的机制，用于调度和管理协程的执行。在许多编程语言中，协程已经成为并发编程的标准库部分，如 Python 中的 asyncio 模块、Go 语言中的协程以及 Kotlin 中的协程支持。

协程的使用场景非常广泛，包括但不限于：

  • 异步 I/O 操作：在网络请求或文件操作中，协程可以在等待 I/O 完成时执行其他任务。
  • 并发任务调度：在图形用户界面（GUI）应用程序中，协程可以实现平滑的用户界面响应，同时处理后台任务。
  • 协程异常处理：协程支持异常的传播和捕获，允许在协程结构中传播异常信息。

协程的一个重要特性是它们可以携带状态，这意味着当协程被挂起时，它当前的状态（包括局部变量和程序计数器等）会被保存，并在恢复执行时恢复到挂起前的状态。

在不同的编程语言和平台中，协程的实现和调度机制可能有所不同，但其核心概念和目的是相似的：通过协作式的多任务并发执行，提高程序的性能和响应能力。

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协程，是一种比线程更加轻量级的存在，协程不是被操作系统内核所管理，而完全是由程序所控制（也就是在用户态执行）。这样带来的好处就是性能得到了很大的提升，不会像线程切换那样消耗资源。

子程序，或者称为函数，在所有语言中都是层级调用，比如 A 调用 B，B 在执行过程中又调用了 C，C 执行完毕返回，B 执行完毕返回，最后是 A 执行完毕。所以子程序调用是通过栈实现的，一个线程就是执行一个子程序。子程序调用总是一个入口，一次返回，调用顺序是明确的。而协程的调用和子程序不同。

协程在子程序内部是可中断的，然后转而执行别的子程序，在适当的时候再返回来接着执行。

def A():print '1'print '2'print '3'def B():print 'x'print 'y'print 'z'

假设由协程执行，在执行A的过程中，可以随时中断，去执行B，B也可能在执行过程中中断再去执行A，结果可能是：1 2 x y 3 z。

协程的特点在于是一个线程执行，那和多线程比，协程有何优势？

  • 极高的执行效率：因为子程序切换不是线程切换，而是由程序自身控制，因此，没有线程切换的开销，和多线程比，线程数量越多，协程的性能优势就越明显；

  • 不需要多线程的锁机制：因为只有一个线程，也不存在同时写变量冲突，在协程中控制共享资源不加锁，只需要判断状态就好了，所以执行效率比多线程高很多。

3. C++20 协程原理和应用

3.1 有栈协程和无栈协程

所谓的有栈，无栈并不是说这个协程运行的时候有没有栈，而是说协程之间是否存在调用栈（callbackStack）。

协程可分为两种：

  • 无栈协程：即可挂起/恢复的函数，无栈协程切换的成本相当于函数调用的成本。
  • 有栈协程：即相当于用户态线程，有栈协程切换的成本是用户态线程切换的成本。

无栈协程和线程的区别：

  • 无栈协程只能被线程调用，本身并不抢占内核调度，而线程则可抢占内核调度。

C++20 协程中采纳的是微软提出并主导（源于C#）的无栈协程。

C++世界演化的主旋律：异步化和并行化，而 C++20 协程能够以同步原语写异步代码的特性，使其成为编写异步代码的好工具。

具体可以看这篇文章：https://blog.csdn.net/weixin_43705457/article/details/106924435

3.2 C++20 为什么选择无栈协程？

有栈（stackful）协程通常的实现手段是在堆上提前分配一块较大的内存空间（比如 64K），也就是协程所谓的“栈”，参数、return address 等都可以存放在这个“栈”空间上。如果需要协程切换，那么通过 swapcontext 一类的形式来让系统认为这个堆上空间就是普通的栈，这就实现了上下文的切换。

有栈协程最大的优势就是侵入性小，使用起来非常简便，已有的业务代码几乎不需要做什么修改，但是 C++20 最终还是选择了使用无栈协程，主要出于下面这几个方面的考虑。

  • 栈空间的限制：

    有栈协程的“栈”空间普遍是比较小的，在使用中有栈溢出的风险；而如果让“栈”空间变得很大，对内存空间又是很大的浪费。无栈协程则没有这些限制，既没有溢出的风险，也无需担心内存利用率的问题。

  • 性能：

    有栈协程在切换时确实比系统线程要轻量，但是和无栈协程相比仍然是偏重的，这一点虽然在我们目前的实际使用中影响没有那么大（异步系统的使用通常伴随了 IO，相比于切换开销多了几个数量级），但也决定了无栈协程可以用在一些更有意思的场景上。

3.3 无栈协程是普通函数的泛化

无栈协程是一个可以暂停和恢复的函数，是函数调用的泛化。

一个函数的函数体(function body)是顺序执行的，执行完之后将结果返回给调用者，我们没办法挂起它并稍后恢复它，只能等待它结束。而无栈协程则允许我们把函数挂起，然后在任意需要的时刻去恢复并执行函数体，相比普通函数，协程的函数体可以挂起并在任意时刻恢复执行。

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所以，从这个角度来说，无栈协程是普通函数的泛化。

3.4 C++20 协程的三个关键字

C++20 提供了三个新关键字(co_await、co_yield 和 co_return)，如果一个函数中存在这三个关键字之一，那么它就是一个协程。

协程相关的对象

协程帧(coroutine frame)

当 caller 调用一个协程的时候会先创建一个协程帧，协程帧会构建 promise 对象，再通过 promise 对象产生 return object。

协程帧中主要有这些内容：

  • 协程参数

  • 局部变量

  • promise 对象

promise_type

promise_type 是 promise 对象的类型。promise_type 用于定义一类协程的行为，包括协程创建方式、协程初始化完成和结束时的行为、发生异常时的行为、如何生成 awaiter 的行为以及 co_return 的行为等等。promise 对象可以用于记录/存储一个协程实例的状态。每个协程桢与每个 promise 对象以及每个协程实例是一一对应的。

coroutine return object

它是 promise.get_return_object() 方法创建的，一种常见的实现手法会将 coroutine_handle 存储到 coroutine object 内，使得该 return object 获得访问协程的能力。

std::coroutine_handle

协程帧的句柄，主要用于访问底层的协程帧、恢复协程和释放协程帧。
程序员可通过调用 std::coroutine_handle::resume() 唤醒协程。

co_await、awaiter、awaitable

  • co_await：一元操作符；

  • awaitable：支持 co_await 操作符的类型；

  • awaiter：定义了 await_ready、await_suspend 和 await_resume 方法的类型。

co_await expr 通常用于表示等待一个任务(可能是 lazy 的，也可能不是)完成。co_await expr 时，expr 的类型需要是一个 awaitable，而该 co_await 表达式的具体语义取决于根据该 awaitable 生成的 awaiter。

看起来和协程相关的对象还不少，这正是协程复杂又灵活的地方，可以借助这些对象来实现对协程的完全控制，实现任何想法。但是，需要先要了解这些对象是如何协作的，把这个搞清楚了，协程的原理就掌握了，写协程应用也会游刃有余了。

4. 如何实现协程

https://hkrb7870j3.feishu.cn/docx/RUMldRX8koIgxIxvAmccy4PYnCc

利用操作系统提供的接口来实现协程：

  1. Linux 的 ucontext（下文示例都是用这个）
  2. Windows 的 Fiber

4.1 ucontext 结构体

typedef struct ucontext {struct ucontext     *uc_link;sigset_t             uc_sigmask;stack_t              uc_stack;mcontext_t           uc_mcontext;unsigned long int    uc_flags;
} ucontext_t;
  • uc_link：当前上下文(如使用 makecontext 创建的上下文）运行终止时系统会恢复 uc_link 指向的上下文
  • uc_sigmask：上下文中的阻塞信号集合
  • uc_stack：上下文中使用的栈
  • uc_mcontext：保存的上下文的寄存器信息

4.2 ucontext 相关函数

  • getcontext：保存上下文，将当前运行到的寄存器的信息保存到 ucontext_t 结构体中。
  • setcontext：恢复上下文，将 ucontext_t 结构体变量中的上下文信息重新恢复到 CPU 中并执行。
  • makecontext：修改上下文，给 ucontext_t 上下文指定一个程序入口函数，让程序从该入口函数开始执行。
  • swapcontext：切换上下文，保存当前上下文，并将下一个要执行的上下文恢复到 CPU 中。

具体 ucontext 函数族可以看这篇文章：

https://blog.csdn.net/qq_44443986/article/details/117739157

示例一：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <ucontext.h>int main() {int i = 0;ucontext_t ctx;             //定义上下文结构体变量getcontext(&ctx);           //获取当前上下文printf("i = %d\n", i++);sleep(1);setcontext(&ctx);           //恢复上下文return 0;
}

示例二：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <ucontext.h>void foo() {printf("this is child context\n");
}int main() {char stack[1024 * 64] = {0};ucontext_t child, main;// 获取当前上下文getcontext(&child);// 分配栈空间, uc_stack.ss_sp 指向栈顶child.uc_stack.ss_sp = stack;child.uc_stack.ss_size = sizeof(stack);child.uc_stack.ss_flags = 0;// 指定后续的上下文child.uc_link = &main;//切换到child上下文，保存当前上下文到mainmakecontext(&child, (void (*)(void))foo, 0);// 如果设置了后继上下文，foo函数执行结束会返回此处 如果设置为NULL，就不会执行这一步swapcontext(&main, &child);printf("this is main context\n");return 0;
}

4.3 协程框架设计与实现

4.3.1 协程的状态

  1. RT_READY：就绪态
  2. RT_RUNNING：运行态
  3. RT_SUSPEND：挂起态

4.3.2 协程类 Routine

协程的方法：

  1. run：纯虚函数，需要子类来实现协程的具体业务逻辑。
  2. resume：唤醒协程来执行。
  3. yield：当前协程 “放弃” 执行，让调度器调度另一个协程继续执行。
class Routine {friend class Schedule;
public:enum Status {RT_READY = 0,RT_RUNNING,RT_SUSPEND};Routine();virtual ~Routine();virtual void run() = 0;void resume();void yield();int status();protected:static void func(void * ptr);private:ucontext_t m_ctx;int m_status;char * m_stack;int m_stack_size;Schedule * m_s;
};

4.3.4 栈增长方向

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4.3.5 调度器 Schedule

调度器的方法：

  1. create：初始化协程调度器
  2. append：添加一个新协程到队列
  3. resume：唤醒队列里某个协程来执行
class Schedule {friend class Routine;
public:Schedule();~Schedule();void create(int stack_size = 1024 * 1024);void append(Routine * c);bool empty() const;int size() const;void resume();private:ucontext_t m_main;char * m_stack;int m_stack_size;std::list<Routine *> m_queue;
};

4.4 协程框架应用

定义一个 A 线程：a_routine.h

#pragma once
#include <iostream>
#include <routine/routine.h>
using namespace yazi::routine;class ARoutine : public Routine {
public:ARoutine(int * num) : Routine(), m_num(num) {}~ARoutine() {if (m_num != nullptr) {delete m_num;m_num = nullptr;}}virtual void run() {for (int i = 0; i < *m_num; i++) {std::cout << "a run: num=" << i << std::endl;yield();}}
private:int * m_num;
};

main.cpp

#include <iostream>
#include <routine/schedule.h>
#include <test/a_routine.h>
#include <test/b_routine.h>
using namespace yazi::routine;int main() {Schedule s;s.create(1024 * 16);Routine * a = new ARoutine(5);s.append(a);Routine * b = new BRoutine(10);s.append(b);s.run();return 0;
}

视频讲解：【c++20协程太难用了，我还是自己设计一个吧】 https://www.bilibili.com/video/BV1SR4y1Y7tb/?share_source=copy_web

文章参考：

https://blog.csdn.net/sanmi8276/article/details/111375619

https://blog.csdn.net/weixin_43705457/article/details/106924435

https://hkrb7870j3.feishu.cn/docx/RUMldRX8koIgxIxvAmccy4PYnCc

https://blog.csdn.net/qq_44443986/article/details/117739157

https://blog.csdn.net/tennysonsky/article/details/46046317

https://www.liaoxuefeng.com/wiki/001374738125095c955c1e6d8bb493182103fac9270762a000/0013868328689835ecd883d910145dfa8227b539725e5ed000

https://www.cnblogs.com/work115/p/5620272.html

https://blog.csdn.net/liu251890347/article/details/38509943

https://www.cnblogs.com/fah936861121/articles/8043187.html

http://blog.chinaunix.net/uid-25601623-id-5095687.html

http://t.csdnimg.cn/RolRj

http://t.csdnimg.cn/s6wn0

https://blog.csdn.net/tennysonsky/article/details/46046317

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