Boost库学习笔记（3）—— Fiber

最新推荐文章于 2025-10-25 17:09:39 发布

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本文介绍Boost.Fiber库的原理及使用方法，详细解释了纤程（微线程）的概念、特性及其与线程的区别。同时涵盖了如何启动、管理纤程，自定义调度器，以及同步机制等内容。

一、概述

Boost.Fiber是一种微线程（用户层），也可以叫作纤程（协程），与一般的协程相比，其内部提供了调度管理器。每个fiber都有自己的栈，它可以保存当前的执行状态，包括所有寄存器的CPU标志、指令指针和堆栈指针，然后可以从此状态恢复。其目的是在单个线程上通过协作调度运行多个可执行序列（即函数）。正在运行的fiber可以明确的决定什么时候yield，从而允许另外一个fiber运行（上下文切换）。
要使用Fiber库，只需要代码中包含头文件：#include <boost/fiber/all.hpp>

二、Fiber和线程

        在x86上，线程之间的上下文切换通常要花费数千个CPU周期，而fiber之间的切换只有不到100个周期。fiber在任意时间点都是运行在单一的线程上。
        在指定线程上启动的所有fiber，控制指令在它们之间协作传递。在指定的线程上，任意时刻，最多只有一个fiber在运行。
        尽管可以更有效的使用内核，但是在线程上创建fiber，并不会把程序分布到更多的硬件内核上。
        另一方面，fiber可以安全的访问父线程独占的任何资源，不需要显示的对该资源进行保护，防止同一线程上的其他fiber并发访问该资源。我们可以得到保证该线程上没有其他的fiber并发的接触该资源。要在历史遗留代码中引发并发性，这一方面很重要。通过使用异步I/O交替执行，我们可以安全创建用于运行旧代码的fiber。
        实际上，fiber提供了一种基于异步I/O来组织并发代码的方式。在fiber运行的代码可以使其看起来像调用一个普通的阻塞函数，这种调用可以很方便的挂起调用的fiber，从而允许同一个线程上的其他fiber运行。当操作完成时，挂起的fiber将恢复运行，而不必显示的保持或恢复其状态，它的本地堆栈变量在整个调用中中时持久存在的。
        fiber可以从一个线程迁移到另一个线程，默认情况下库不会这样处理。但是我们可以自定义在线程之间迁移fiber的调度器，可以自定义fiber属性，以协助调度器决定运行迁移哪些fiber。
        在fiber上调用阻塞I/O接口将会阻塞它所在的线程，我们建议在fiber上使用异步I/O接口。Boost.Asio和其他异步I/O操作可以直接适用于Boost.Fiber。

三、boost::fibers::fiber

每个boost::fibers::fiber对象表示一个微线程，调度器将会启动和管理该fiber对象。

boost::fibers::fiber f1; // not-a-fiber

void f() {
   
   
    boost::fibers::fiber f2( some_fn);
    f1 = std::move( f2); // f2 moved to f1
}

1、启动

可以通过向构造函数传入一个可调用类型的对象（比如lambda）来启动一个新的fiber。如果对象不可拷贝或者不可move，那么可以使用std::ref对该对象进行引用，这种情况下，必须保证被应用的该对象生命周期比新创建的fiber长。

struct callable {
   
   
    void operator()();
};

boost::fibers::fiber copies_are_safe() {
   
   
    callable x;
    return boost::fibers::fiber(x);
} // 函数执行后 x 对象被销毁，但是新创建的fiber对 x 有了一份拷贝，所以这样是可以的

boost::fibers::fiber oops() {
   
   
    callable x;
    return boost::fibers::fiber(std::ref(x));
} // 函数执行后 x 对象被销毁，但是新创建的fiber仍然对 x 进行了引用，这将导致未定义行为

新创建的fiber不会立即开始执行，它会在准备运行的fiber列表中排队，当调度器找到它时，它才会开始运行。

2、异常

传入fiber构造函数的可调用对象或者函数，如果其内部产生了异常，则构造函数将调用std::terminate()。如果需要知道抛了某种异常，可以使用future<>或者packaged_task<>。

3、detach

fiber可以通过显示调用成员函数detach()来进行分离。当调用了detach()后，该fiber变为not-a-fiber，然后它可以被安全的销毁。

void some_fn() {
   
   
    ...
}
boost::fibers::fiber(some_fn).detach();

Boost.Fiber提供了许多用于等待fiber完成的方法。我们甚至可以使用mutex、condition_variable或者任意其他库提供的同步对象来和已被分离的fiber对象进行协调。如果当线程的主fiber终止时，已分离的fiber仍在运行，则该线程不会被关闭。

4、join

为了等待fiber结束，可以使用成员函数join()，它将阻塞至fiber对象完成。如果fiber已经完成，那么join将立即返回，该fiber对象变为not-a-fiber。

void some_fn() {
   
   
    ...
}
boost::fibers::fiber f(some_fn);
...
f.join();

5、析构

当fiber对象还有有效可执行的上下文（即fiber是joinable()）时，如果它被销毁，程序将会终止。如果希望fiber比启动它的对象存活更久，那么请使用detach()方法。

void some_fn() {
   
   
    ...
}

{
   
   
    boost::fibers::fiber f(some_fn);
} // std::terminate() 将被调用

{
   
   
    boost::fibers::fiber f(some_fn);
    f.detach();
} // 没问题，程序继续执行

6、ID

类fiber::id的对象可以用来标识fiber。每一个运行的fiber都有一个唯一的fiber::id，通过调用get_id()成员函数，可以获取对应fiber的id。类fiber::id的对象是可以拷贝的，可以作为关联容器中的键值（它提供了所有的比较运算符），也可以使用流插入操作符将它们写入输出流（输出格式未指定）。
每个fiber::id的实例要么指向fiber对象，要么指向not-a-fiber，指向not-a-fiber的实例彼此相等，但指向实际fiber对象的实例则不相等。

7、枚举类型 - launch

指定控制是否立即传递到新启动的fiber。

enum class launch {
   
   
    dispatch,
    post // 默认值
};

dispatch：立即运行，换句话说，启动一个新fiber将挂起调用者（之前运行的fiber），被挂起的fiber将等待调度器稍后寻找机会唤醒它。
post：被传给调度器并设置为就绪状态（但还未运行），调用者继续运行（之前运行的fiber），新fiber将等待调度器稍后寻找机会唤醒它时才运行。

四、调度

线程中的fiber是由fiber管理器协调的。fiber的控制是合作性的，而不是先发制人：每当一个fiber挂起（或yield）时，fiber管理器会向调度器咨询下一个将运行那个fiber。
Boost.Fiber提供了fiber管理器，但是调度器是可以

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