C++20协程：异步编程的新范式

C++20协程：异步编程的新范式

【免费下载链接】cppbestpractices Collaborative Collection of C++ Best Practices. This online resource is part of Jason Turner's collection of C++ Best Practices resources. See README.md for more information. 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/cp/cppbestpractices

你是否还在为C++异步代码中的回调地狱而烦恼？是否觉得基于状态机的异步逻辑难以维护？C++20引入的协程（Coroutine）机制彻底改变了这一现状。本文将带你一文掌握协程核心概念、使用场景及最佳实践，让你轻松编写像同步代码一样直观的异步程序。

协程基础：什么是C++20协程

协程是一种特殊的函数，可以在执行过程中暂停并稍后恢复，同时保留其局部状态。与传统函数不同，协程通过co_await、co_yield和co_return关键字实现非阻塞的顺序化编程。

// 简单协程示例
#include <coroutine>
#include <iostream>

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() {}
    };
};

task hello_coroutine() {
    std::cout << "Hello ";
    co_await std::suspend_always{}; // 暂停执行
    std::cout << "Coroutine!";
}

int main() {
    auto h = hello_coroutine();
    std::cout << "World ";
    // 恢复协程执行
    return 0;
}

核心组件：协程的三驾马车

1. Promise对象

协程与调用者之间的通信媒介，负责管理协程状态和结果传递。每个协程必须关联一个Promise对象，其类型由返回值决定。

2. Awaitable对象

实现await_ready()、await_suspend()和await_resume()方法的对象，定义了co_await表达式的行为。标准库提供了std::suspend_always和std::suspend_never两种基础类型。

3. Coroutine Handle

用于从外部控制协程生命周期的句柄，通过std::coroutine_handle<>访问，支持resume()和destroy()操作。

异步I/O实践：网络服务器示例

以下是使用协程实现的简单TCP回显服务器，展示了如何通过co_await简化异步操作流程：

#include <coroutine>
#include <iostream>
#include <asio.hpp>

using asio::ip::tcp;

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

tcp_echo_server session(tcp::socket socket) {
    char data[1024];
    while (true) {
        std::size_t n = co_await socket.async_read_some(asio::buffer(data),
            asio::use_awaitable);
        
        co_await asio::async_write(socket, asio::buffer(data, n),
            asio::use_awaitable);
    }
}

tcp_echo_server listener(tcp::acceptor acceptor) {
    while (true) {
        co_await session(co_await acceptor.async_accept(asio::use_awaitable));
    }
}

int main() {
    try {
        asio::io_context io_context(1);
        tcp::acceptor acceptor(io_context, tcp::endpoint(tcp::v4(), 8080));
        listener(std::move(acceptor));
        io_context.run();
    } catch (std::exception& e) {
        std::cerr << "Exception: " << e.what() << std::endl;
    }
    return 0;
}

最佳实践与注意事项

1. 避免悬垂引用：确保协程参数的生命周期长于协程本身
2. 内存管理：协程状态默认动态分配，可通过Promise定制内存分配
3. 异常处理：在Promise的unhandled_exception()中捕获异常
4. 调试技巧：使用std::coroutine_handle::address()跟踪协程状态

总结与展望

C++20协程为异步编程带来了革命性变化，通过将复杂的回调逻辑转换为线性代码流，显著提升了代码可读性和可维护性。随着C++23标准中std::generator和std::task的完善，协程将成为并发编程的主流范式。

要深入学习协程，建议参考：

• [C++最佳实践项目][README.md]
• [C++标准库文档][03-Style.md]
• 异步编程指南[08-Considering_Performance.md]

掌握协程，让你的C++异步代码如丝般顺滑！

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