C++20协程从入门到放弃之实践指南

C++20协程从入门到放弃之实践指南

什么是C++20协程

C++20协程是一种无栈协程的实现，它允许函数在执行过程中 suspend（挂起）并在之后 resume（恢复）执行。与传统函数不同，协程可以在不阻塞线程的情况下暂停和恢复，特别适用于异步编程、生成器模式等场景。C++20标准为协程提供了语言层面的关键字（如 co_await, co_yield, co_return）和一套底层接口，使得开发者能够构建高效的异步操作。

协程的核心概念

要理解C++20协程，首先需要掌握几个核心概念：协程帧（coroutine frame）、承诺类型（promise type）、协程句柄（coroutine handle）以及挂起/恢复机制。协程帧用于存储协程的局部状态；承诺类型定义了协程的行为，例如如何产生值或处理异常；协程句柄则用于控制协程的生命周期。当协程遇到co_await或co_yield时，它会挂起并返回控制权，之后可以通过句柄恢复执行。

编写第一个简单的协程

下面是一个最简单的C++20协程示例，它使用co_yield创建一个生成器。首先，需要定义一个承诺类型，该类型必须包含特定的方法，如 initial_suspend、final_suspend、yield_value 等。然后，通过协程句柄来控制协程的挂起和恢复。以下代码展示了一个生成整数的生成器协程：

#include <coroutine>#include <iostream>struct Generator {    struct promise_type {        int current_value;        auto get_return_object() { return Generator{this}; }        auto initial_suspend() { return std::suspend_always{}; }        auto final_suspend() noexcept { return std::suspend_always{}; }        void unhandled_exception() { std::terminate(); }        auto yield_value(int value) {            current_value = value;            return std::suspend_always{};        }        void return_void() {}    };    using Handle = std::coroutine_handle<promise_type>;    Handle coro_handle;    explicit Generator(promise_type p) : coro_handle(Handle::from_promise(p)) {}    ~Generator() { if (coro_handle) coro_handle.destroy(); }    int value() { return coro_handle.promise().current_value; }    bool move_next() {        if (!coro_handle.done()) {            coro_handle.resume();            return !coro_handle.done();        }        return false;    }};Generator generate_numbers() {    for (int i = 0; i < 5; ++i) {        co_yield i; // 挂起并产生值    }}int main() {    auto gen = generate_numbers();    while (gen.move_next()) {        std::cout << gen.value() <<  ;    }    return 0;}

此代码会输出：0 1 2 3 4。generate_numbers 是一个协程，每次调用 co_yield 时会挂起并返回一个值。主函数通过 move_next 恢复协程并获取值。

co_await 与异步操作

co_await 是协程中用于等待异步操作完成的关键字。它可以挂起协程，直到某个条件满足（如异步I/O完成）。要使用 co_await，被等待的表达式必须满足 Awaitable 概念。通常，这会涉及定义一个 await_ready、await_suspend 和 await_resume 方法。以下是一个简单的自定义 Awaitable 示例，模拟异步延迟：

#include <chrono>#include <future>#include <iostream>#include <coroutine>struct AsyncTask {    struct promise_type {        std::future result;        auto get_return_object() {            return AsyncTask{this};        }        auto initial_suspend() { return std::suspend_never{}; }        auto final_suspend() noexcept { return std::suspend_always{}; }        void unhandled_exception() { std::terminate(); }        void return_value(int value) {            result.set_value(value);        }    };    using Handle = std::coroutine_handle<promise_type>;    Handle coro_handle;    explicit AsyncTask(promise_type p) : coro_handle(Handle::from_promise(p)) {}    ~AsyncTask() { if (coro_handle) coro_handle.destroy(); }    struct Awaiter {        std::future& fut;        bool await_ready() { return fut.wait_for(std::chrono::seconds(0)) == std::future_status::ready; }        void await_suspend(std::coroutine_handle<> h) {            std::thread([this, h]() {                fut.wait();                h.resume();            }).detach();        }        int await_resume() { return fut.get(); }    };    auto operator co_await() {        return Awaiter{coro_handle.promise().result};    }};AsyncTask simulate_async() {    std::cout << Starting async task...
;    co_await std::chrono::seconds(1); // 模拟异步等待    co_return 42;}AsyncTask run_async() {    int result = co_await simulate_async();    std::cout << Async result:  << result << 
;}int main() {    auto task = run_async();    // 由于协程是异步的，主线程需要等待（简化示例中可能直接退出）    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));    return 0;}

这个例子展示了如何使用 co_await 处理异步任务。simulate_async 协程会等待1秒后返回结果，run_async 协程使用 co_await 获取该结果。

常见陷阱与放弃的原因

尽管C++20协程功能强大，但实践过程中常遇到一些挑战，导致开发者可能“放弃”。首先，协程的底层机制复杂，需要深入理解承诺类型、句柄管理等概念，上手门槛较高。其次，错误处理较为繁琐，协程中的异常传播需要仔细设计。此外，协程的生命周期管理容易出错，例如句柄的销毁时机不当可能导致内存泄漏或未定义行为。最后，当前C++20协程的编译器支持和库生态仍在发展中，某些场景下可能缺乏成熟的工具。

实用建议与总结

对于初学者，建议从简单的生成器模式开始，逐步过渡到异步协程。使用现有的库（如cppcoro）可以简化开发。注意协程帧的内存分配，考虑使用自定义分配器优化性能。始终确保协程句柄被正确销毁，避免资源泄漏。虽然C++20协程有一定的学习曲线，但掌握后能显著提升异步代码的效率和可读性。通过本指南的实践，希望读者能克服初期的困难，有效利用协程解决实际问题。