纤程，你听过吗？

在现代软件开发中，并发编程成为提升性能和响应速度的关键手段。除了大家熟知的线程、协程，还有一种相对小众但十分高效的工具——纤程（Fiber）。纤程作为轻量级的用户态线程，介于协程和线程之间，提供了独特的性能和灵活性优势。它可能是你未曾深入了解，却有潜力在某些场景中脱颖而出的并发编程方式。

本文将从多个角度全面解析纤程，介绍它的概念、特点、实现方式、与线程和协程的对比、适用场景，并通过实际案例展示纤程的魅力。

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什么是纤程？

纤程（Fiber）是一种运行在用户态的轻量级执行单元，可以理解为更轻量化的线程或协程。它允许开发者手动控制任务的切换，而非由操作系统内核调度。

核心特性

1. 用户态调度：纤程的调度完全在用户态完成，避免了线程上下文切换带来的性能开销。
2. 手动切换：纤程的切换由开发者手动控制，灵活性更高。
3. 共享线程上下文：多个纤程可以在同一个线程内运行，协作完成任务。

对比表：纤程 vs. 线程 vs. 协程

特性	纤程	线程	协程
调度方式	用户态调度，手动切换	内核调度，自动切换	用户态调度，自动切换
切换开销	极低（无需进入内核）	较高（内核态切换）	极低（无需进入内核）
并发模型	多个纤程共享一个线程	一个线程对应多个核心	单线程内部实现并发
灵活性	高，完全手动控制	较低，受内核调度限制	中等，需配合调度器

概念图

以下是纤程运行在线程中的示意图：

+-------------------+
| 线程              |
| +---------------+ |
| | 纤程 1        | |
| | 纤程 2        | |
| | 纤程 3        | |
| +---------------+ |
+-------------------+

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纤程的特点

1. 极致轻量

纤程的创建和切换成本极低，因为它运行在用户态，并由开发者手动管理上下文。相比线程，它避免了进入内核态的开销。

2. 手动切换

纤程切换由开发者显式控制，可以在代码中精确地指定任务切换的时机。这种特性使纤程特别适合复杂的逻辑流程管理。

3. 线程内多任务

多个纤程可以共享同一个线程的资源，避免了线程之间切换的锁开销，适合需要大量并发但并不需要多核支持的场景。

4. 高灵活性

由于纤程完全由用户态管理，开发者可以设计自己的调度策略，实现特定场景的优化。

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纤程切换实例详解

以下代码展示了如何通过纤程实现任务的手动切换：

示例代码

#include <stdio.h>
#include <ucontext.h>

ucontext_t ctx_main, ctx_fiber;

void fiber_function() {
    printf("纤程：任务开始\\n");
    swapcontext(&ctx_fiber, &ctx_main); // 切回主上下文
    printf("纤程：任务恢复并结束\\n");
}

int main() {
    char fiber_stack[1024 * 64];
    getcontext(&ctx_fiber);
    ctx_fiber.uc_stack.ss_sp = fiber_stack;
    ctx_fiber.uc_stack.ss_size = sizeof(fiber_stack);
    ctx_fiber.uc_link = &ctx_main;

    makecontext(&ctx_fiber, fiber_function, 0);

    printf("主程序：切换到纤程\\n");
    swapcontext(&ctx_main, &ctx_fiber); // 切换到纤程
    printf("主程序：纤程切换回主程序\\n");

    return 0;
}

说明

1. getcontext 获取当前上下文。
2. makecontext 初始化纤程的上下文。
3. swapcontext 在主程序和纤程之间切换上下文。

切换流程表

步骤	操作	输出
1	主程序切换到纤程	主程序：切换到纤程
2	纤程运行，切换回主程序	纤程：任务开始
3	主程序再次切换到纤程	主程序：纤程切换回主程序
4	纤程完成，回到主程序	纤程：任务恢复并结束

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纤程的作用

作用	描述	典型场景
高效并发	通过用户态调度，避免线程切换的开销，提升并发性能	大量小任务的高并发系统
逻辑流程控制	开发者可以显式地管理任务的暂停与恢复，适合复杂的逻辑流程	数据管道处理、任务队列
节约资源	多个纤程共享一个线程，减少线程资源占用	嵌入式设备、受限资源场景
实时性需求	通过手动调度实现更低的延迟，满足实时性要求	音视频处理、游戏逻辑

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纤程的使用场景

1. 高并发小任务处理

纤程在处理大量短时任务时表现优异，比如处理 HTTP 请求或小型任务队列。以下是典型流程：

+-------------------+       +-------------------+       +-------------------+
| 任务 A 开始       | ----> | 任务 A 暂停       | ----> | 任务 A 恢复并完成  |
+-------------------+       +-------------------+       +-------------------+
       |                        |                             |
+-------------------+       +-------------------+       +-------------------+
| 任务 B 开始       | ----> | 任务 B 完成       | ----> | 任务 C 开始         |
+-------------------+       +-------------------+       +-------------------+

2. 游戏开发

在游戏引擎中，纤程可以用来管理复杂的 AI 行为树、物理模拟和脚本逻辑。开发者可以通过手动切换实现实时性需求。

3. 嵌入式系统

由于嵌入式设备资源有限，纤程能够减少线程使用数量，优化资源分配，同时满足任务的调度需求。

4. 数据流处理

纤程在处理数据流任务时，可以暂停处理任务以等待新数据到达，再恢复处理，从而优化资源利用。

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常见纤程实现实例

Python 纤程库：Greenlet

from greenlet import greenlet

def task1():
    print("任务 1 开始")
    g2.switch()
    print("任务 1 恢复并完成")

def task2():
    print("任务 2 开始")
    g1.switch()
    print("任务 2 完成")

g1 = greenlet(task1)
g2 = greenlet(task2)

g1.switch()

JavaScript 中的 Generator 模拟

function* task() {
    console.log("任务开始");
    yield;
    console.log("任务恢复并完成");
}

const fiber = task();
fiber.next(); // 开始任务
fiber.next(); // 恢复任务

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纤程的未来发展

方向	描述
语言级支持增强	越来越多语言开始支持纤程，如 C++20 的协程，进一步扩展应用场景
与协程结合	纤程与协程结合，形成更灵活的用户态任务调度模型
调度算法优化	更智能的调度算法可进一步提升

纤程在复杂场景中的效率 |
| 生态系统扩展 | 增加更多库支持纤程，实现数据流处理、网络 I/O 等复杂任务的优化 |

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总结

纤程是一种轻量级、高效且灵活的用户态线程，在特定场景中展现出独特的优势。通过用户态调度和手动切换，纤程提供了线程和协程难以实现的灵活性。尽管纤程在主流开发中应用较少，但它在高并发系统、嵌入式设备、游戏开发等领域展现出强大的潜力。

希望本文让你对纤程有了全新的认识。如果你对纤程的实现或应用有任何疑问，欢迎在评论区交流！