协程的设计原理与汇编实现

协程原理详解：同步代码的异步力量

原创已于 2022-02-25 13:19:14 修改 · 978 阅读

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#服务器 #网络 #linux #后端

于 2022-02-25 11:20:50 首次发布

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主要通过以下10个方面来了解协程的原理：

为什么会有协程，协程解决什么问题？
协程的原语
协程的切换
协程的运行流程
协程的结构体定义
协程调度的策略
协程调度器如何定义
协程api的实现，hook
协程的多核模式
协程如何测试

本文主要介绍1-4，6-10会在《协程调度器实现与性能测试》中介绍。

为什么要有协程？协程解决了什么问题？

关于协程，我们经常看到这样的话：同步的编程方式，异步的性能。那么什么是同步，什么是异步呢？

同步与异步

同步和异步，是形容两者之间的关系。两者在一个流程内，就是同步；两者不在一个流程内，就是异步。

我们这里说的同步和异步，是指io同步操作和io异步操作。

还有一个容易与io异步操作混淆的概念，异步io，就是指有io数据的时候，直接callback，AIO, 比如boost的asio；

服务器io同步操作与io异步操作

对于服务器而言，io检测和io操作在一个流程内，就是同步；io检测和io操作不在一个流程内，就是异步。

服务器io同步操作代码如下：

func () {

    while (1) {

        epoll_wait();

        for(;;) {

            recv();

            send();

        }

    }

}

io操作(send, recv)与epoll_wait在同一个处理流程里面。这就是io同步操作。

优点：

fd管理方便；
代码逻辑清晰，实现简单。

缺点：

epoll_wait和io操作在同一流程，程序性能差。

异步代码如下：

thread_cb(void *arg) {

    poll() // 判断fd是否真的可读。
    recv();

    send();

}

func () {

    while (1) {

        epoll_wait();

        for (;;) {
            
            push_other_thread(); // 通过thread_cb处理io

        }

    }

}

使用其他线程处理io操作(recv, send)，使得io操作与epoll_wait解耦。这就叫io异步操作。

优点：

程序性能高。

缺点：

同一个fd可能被多个线程处理，fd的管理就会比较麻烦，避免在io操作的时候，fd出现关闭或者其他异常。

客户端io同步操作与io异步操作

对于客户端而言，send和recv在同一个流程，就是io同步操作；send和recv不在同一个流程里面，就是io异步操作。

mysql/redis的协议，都是request-reply的模式。客户端发送request后，当前线程挂起，等待response。这就是典型的io同步操作。我们在之前的文章《异步请求实现》中介绍过异步请求的实现，当前线程send数据后，在另一个线程中使用epoll_wait进行io检测，io就绪后，进行recv，这就是一个io异步操作。

客户端如果有大量连接，需要发送大量请求，使用io异步操作，也会提高程序性能。

无论是服务器，还是客户端的io异步操作，性能都比io同步操作要高很多，但是代码的逻辑比同步要复杂。

协程解决了什么问题？

有没有一种方式，有异步的性能，同步的代码逻辑，来方便程序员对io操作的组件呢？有，采用一种轻量级的协程来实现。协程解决了io操作程序复杂程度和性能之间的矛盾。写代码的方式是同步的，底层运行的逻辑是异步的。

以客户端代码为例，使用协程进行编程的时候，就可以将以下代码变成异步的。

{
    send();
    recv();
}

这个代码是怎么变成异步执行的呢？

在recv、send之前，先将fd加入到epoll，之后进行一个switch操作，让出CPU，切换到epoll检测，检测到有io就绪，再进行一次switch，切换到就绪io对应的协程继续执行。epoll_wait一定意义上就是协程调度器，io操作就可以做成协程的感觉。

协程的原语

协程的两个原语操作：yield, resume.

yield，协程将CPU控制权让给调度器；

resume，调度器调度协程继续运行。

协程的切换

yield、resume如何实现？

都是通过switch(A, B)实现协程的切换

协程中跳转实现方式：
1）setjmp/logjmp C标准方法，容易理解，但是维护的时候可读性差。在《手动实现try-catch组件》中使用了这种方式实现跳转。
2）ucontext，linux系统提供的
3）汇编，在协程中保存CPU寄存器，再将即将运行的协程的上下文寄存器mov到对应的寄存器上。

我们使用汇编的方法实现切换。

以线程为例，线程的切换方法如下：