一、什么是协程？

首先回忆一下线程的概念：
线程是操作系统能够进行运算调度的最小单位。被包含在进程之中，是进程的实际运作单位。一条线程指的是进程中一个单一顺序的控制流，一个进程可以并发执行多个线程，每个线程会执行不同的任务。

简介

• 协程可以理解为一种用户态的轻量级线程，切换由用户定义，各任务之间可以控制执行、暂停、恢复函数，来达到多任务协作的目的；
• 协程上下文切换速度快, 且不会陷入内核态；
• 协程拥有独立的寄存器上下文和栈，协程调度切换时，将寄存器上下文和栈，在来回切换时，恢复先前保存的寄存器上下文和栈。
• 一个线程中可以有多个协程，协程是运行在线程之中的逻辑处理单元。协程在线程里的运行是串行的。
• 协程之间的调度通过调度器或者自己主动放开对CPU的占有，让给其他协程。

优点

• 协程具有极高的执行效率，由于子程序切换不是线程切换，是由程序自身控制，故协程没有线程切换的开销；
• 多线程的线程数越多，协程的性能越显著；
• 访问共享资源不需要使用多线程的锁机制和变量冲突，由于只有一个线程，故在协程只需要判断状态即可，降低了编码难度；
• 以同步代码的方式写异步逻辑；

二、为什么使用协程？

为什么使用协程，我们先从server框架的实现说起，对于client-server的架构，server最简单的实现如下。即串行地接收连接、读取请求、处理、应答。该实现弊端显而易见，server同一时间只能为一个客户端服务。

while(1) {accept();recv();do();send();}

为充分利用好多核cpu进行任务处理，我们有了多进程/多线程的server框架，这也是server最常用的实现方式：
accept进程 - n个epoll进程 - n个worker进程

• accpet进程处理到来的连接，并将fd交给各个epoll进程
• epoll进程对各fd设置监控事件，当事件触发时通过共享内存等方式，将请求传给各个worker进程
• worker进程负责具体的业务逻辑处理并回包应答

以上框架以事件监听、进程池的方式，解决了多任务处理问题，但我们还可以对其作进一步的优化。

进程/线程是Linux内核最小的调度单位，一个进程在进行io操作时 (常见于分布式系统中RPC远程调用)，其所在的cpu也处于iowait状态。直到后端svr返回，或者该进程的时间片用完、进程被切换到就绪态。是否可以把原本用于iowait的cpu时间片利用起来，发生io操作时让cpu处理新的请求，以提高单核cpu的使用率？

协程在用户态下完成切换，由程序员/调度器完成调度，结合对socket类/io操作类函数挂钩子、添加事件监听，为以上问题提供了解决方法。

三、协程的种类

协程目前分两种，一种是go语言采用的对称协程；一种是libco采用的非对称协程。
yield： 协程执行到⼀半就退出，暂时让出CPU执行权。
resume： 协程重新恢复运行。

1、对称协程

这里借用知乎博主tx征服者的图来向大家说明：

对称协程其实就是由协程调度器来负责，协程不允许调度其他协程。 调度器resume协程A，那么协程A会yeild回调度器，再由调度器去执行其他的协程。如果我们把resume的虚线都放在左边，yeild的实线都放在右边。以调度器为中心，那么他是不是就是一个对称的图形呢？

2、非对称协程

我们再来看一下非对称协程：

非对称调度由调度器来调度协程A，然后协程A再调动协程B。 那么Byeild让出CPU使用权就不是让给调度器了，而是协程A。简而言之就是从哪儿来，回哪儿去。同样，将此展开也不是一个对称的图形了。

四、协程栈

1、静态栈

固定大小的栈，容易造成溢出等现象。

2、分段栈

插入栈内存检测代码，若栈不够用，则申请新内存扩展；但该方法难以在第三方库中进行使用。

3、共享栈

申请一块大内存作为共享栈，在运行前，先把协程栈的内存copy到共享栈中，运行结束后再计算协程栈真正使用的内存，copy出来保存起来，这样每次只需保存真正使用到的栈内存量即可。

优点：该方案极大程度上避免了内存的浪费，做到了用多少占多少，同等内存条件下，可以启动的协程数量更多。

缺点：但该方案在copy上花费了时间，降低速度，导致协程切换慢。

4、虚拟内存栈

机制：进程申请的内存并不会立即被映射成物理内存，而是仅管理于虚拟内存中，真正对其读写时会触发缺页中断，此时才会映射为物理内存；
可以做到用多少占多少，冗余不超过一个内存页大小。

五、协程调度

1、栈式调度

协程队列是一个栈式结构，创建的协程都置于栈顶，并且会立即暂停当前协程并切换至子协程中运行，子协程运行结束后，继续切换回来执行父协程；越是栈底部的协程，被调度到的机会将越少，甚至出现只有栈顶的协程在互相切换。

2、星切调度

调度线程 -> 协程A -> 调度线程 -> 协程B -> 调度线程 -> …
将当前可调度的协程组织成队列，按顺序从头部取出协程调度；新协程则从尾部入队，调度后再将协程从尾部入队。

3、环切调度

调度线程 -> 协程A -> 协程B -> 协程C -> 协程D -> 调度线程 -> …
从调度顺序上可知，环切的切换次数仅为星切的一半，可以提高整体切换速度；但在多线程调度、WorkSteal方面会带来一定的挑战。

六、常见协程库

boost.context
提供了上下文的抽象，并给了两种方式，fiber和call/cc的方式保留和执行上下文切换;
性能佳，推荐使用，切换性能可达到1.25亿次/秒。

boost.coroutine
提供的协程只能单向传递数据，数据只能单向的从一个代码块流向另一个代码块。流入流出分别对应着push_type和pull_type类型，由这两个类型组成协程间跳转的通道，同时也是数据传递的通道。

ucontext
该库是在unix下提供的，使用是最安全可靠，但性能较差，大概200万次/秒。

fiber
该库是在window下提供的，与ucontext类似。

libco
腾讯开源的c++协程库。

libgo
libgo为了有更广阔的适用性，支持了多线程调度、HookSyscall、Worksteal等，同时突破了传统协程库仅用来处理网络io密集型业务的局限，也能适用于cpu密集型业务，充当并行编程库来使用。

参考文献

协程 及 libco 介绍
ucontext-人人都可以实现的简单协程库
协程学习（对称和非对称）
Linux【协程】 | 常见协程库简介