【C++】什么是协程？深入理解协程的实现原理与应用

技术要求

为了运行代码示例，你必须准备以下内容：

• 一个能够编译和执行C++20的基于Linux的系统（例如，Linux Mint 21）

• GCC12.2编译器 - https://gcc.gnu.org/git/gcc.git gcc-source:使用-fcoroutines、-std=c++2a、-lpthread和-lrt标志

• 对于某些示例，你也可以选择使用https://godbolt.org/。

介绍协程

一个进程就是一个程序的运行实例。它有自己的地址空间，除了通过共享内存，不与其他进程共享。线程存在于进程中，它们不能脱离进程存在，尽管在Linux中，进程和线程都被视为任务。它们以相同的方式被调度，并且在内核级别有相同的控制结构。尽管如此，线程被认为是轻量级的，因为程序的初始负载的较大开销由父进程承担。

但这并不是完整的情况。还有纤程和协程。如果说进程和线程是真正的并发并且在共享资源上并行工作，纤程就像线程，但不符合并发。虽然线程通常依赖于任务调度器的抢占式时间分片，纤程使用协作式多任务处理。也就是说，它们在执行过程中自己让出控制权，以运行另一个纤程。它们也被称为有栈协程。与此同时，C++中的协程被称为无栈协程，不由操作系统管理。换句话说，有栈协程可以在嵌套的栈帧中被挂起，而无栈协程只能通过顶级例程嵌套。

协程技术相当古老。C++最近才引入它，它对于网络编程、I/O操作、事件管理等非常有用。协程也被认为是具有暂停能力的执行。尽管如此，它们以协作方式提供多任务处理，并不并行工作。这意味着任务不能同时执行。同时，它们是实时友好的，允许在协程之间快速切换上下文，不需要系统调用。事实上，它们对硬实时操作系统友好，因为执行顺序和调度由系统程序员控制，正如你稍后将在本章中看到的。C++中的协程非常适用于实现任务图和状态机等。

你们可能想知道协程和标准单线程函数式编程之间的区别。嗯，后者被认为是同步方法，而前者是具有同步可读性的异步方法。但协程真正关注的是减少不必要的等待，并在准备所需资源或调用时做一些有用的事情。以下简图虽然简单，但提醒我们同步和异步执行之间的相应区别。

图1同步与异步应用程序执行

普通的单线程执行在某些方面也是有限的。首先，程序内部无法追踪调用、挂起或恢复函数，或者至少不能通过引用追踪。换句话说，控制流在后台发生且是隐式的。此外，控制流有一个严格的方向 - 函数要么返回到其调用者，要么继续向内调用另一个函数。每个函数调用在栈上创建一个新记录，并立即发生，一旦调用，方法不能被延迟。一旦该函数返回，其在栈上的部分就被清除，无法恢复。换言之，激活是无法追踪的。

另一方面，协程拥有自己的生命周期。协程是一个对象，可以明确地被引用。如果协程应该比其调用者存活更久，或者应该被转移给另一个对象，则可以将其存储在堆中。同时，控制权可以在协程之间双向传递 -向上或向下。协程增加了函数调用和函数类型的含义。int func(int arg)原型意味着一个名为func的函数，接收一个整数类型的参数arg，返回一个整数。类似的协程可能永远不会返回到其调用者，而调用者期望的值可能由另一个协程产生。让我们看看C++中是如何发生的。

C++中的协程设施

最初，你可以将它们视为智能指针。你已经知道它们是指针的包装器，并为内存管理提供额外的控制。协程以类似的方式工作，但围绕它们的代码更复杂。这次，我们需要一个函数原型的包装器。这个包装器将处理数据流和调度控制。包装器本身就是协程。我们定义了一个Task exCoroutine()任务（任务与Linux定义的任务不同） - 如果它使用以下三个操作符之一：co_await、co_yield或co_return，则被解释为协程。这里是一个例子：

#include <coroutine>
...
Task exCoroutine() {
    co_return;
}
int main() { Task async_task = exCoroutine(); } 

包装器类型当前是Task。它在调用者级别上是已知的。通过co_return操作符，协程对象被识别为exCoroutine()函数。创建Task类是系统程序员的工作。它不是标准库的一部分。那么Task类是什么？

struct Task {
    struct promise_type {
        Task get_return_object()
            { return {}; }
        std::suspend_never initial_suspend()
            { return {}; }
        std::suspend_never final_suspend() noexcept
            { return {}; }
        void return_void() {}
        void unhandled_exception() {}
    };
};

重要提示

这是一个非常通用的模式，几乎在每个协程示例中都会使用。参考：https://en.cppreference.com/w/cpp/language/coroutines

我们称执行给定例程但不返回值的协程为任务。此外，协程与promise对象相关联 。promise对象在协程级别上被操纵。协程通过这个对象返回操作结果或引发异常。这个设施还需要协程帧（或协程状态），这是一个在堆上的内部对象，包含promise。它还由传递的参数组成 - 通过值复制，当前调用引用的表示；暂停点，以便协程相应地恢复；以及该点范围之外的局部变量。那么，我们的代码做了什么？嗯，从用户的角度来看，它什么也没做，但在后台发生了很多事情。让我们观察以下图表：

图2