协程和异步

摘要: 本文介绍协程的基本概念，以及协程在异步IO编程模式里起的作用——大大简化异步回调的实现与逻辑处理。

什么协程

协程这个概念在计算机科学里算是一个老概念了，随着现代计算机语言与多核心处理器的普及，似乎也有普及之势。协程是与例程相对而言的。

熟悉C/C++语言的人都知道，一个例程也就是一个函数。当我们调用一个函数时，执行流程进入函数；当函数执行完成后，执行流程返回给上层函数或例程。期间，每个函数执行共享一个线程栈；函数返回后栈顶的内容自动回收。这就是例程的特点，也是现代操作系统都支持这种例程方式。

协程与例程相对，从抽象的角度来说，例程只能进入一次并返回一次，而协程可能进入多次并返回多次。比如说，我们有下面一段程序:

void fun(int val)
{
    int a=0; //1

    int b=0; //2

    int c=a+b; //3
}

如果上面的代码是一个例程，那么它只能把 1、2、3 依次执行后，才返回。如果是协程，它可能在 1 处暂停，然后在某个时刻从 2 处继续执行；接着在 2 处执行完之后暂停，然后在另外一个时刻从 3 处继续执行。

从抽象角度，协程就这么简单。

异步IO的特点与分析

在了解协程的特点(可以多次进入同一个函数，并接着上次运行处继续执行)后，我们再来考虑一下，这一特点如何应用到异步IO程序中。在异步IO程序中，有很大一块代码是处理异步回调的，也就是数据读取或写入由系统执行，当任务完成后，系统会执行用户的回调。如果只是很少使用这种回调，那么程序并不会因为异步而复杂多少，但要是程序中异步回调大量存在，那么此时我们会发现，原本简单的程序可能因为回调而变得支离破碎，原本一个简单的循环，现在需要写入多个函数，并在多个函数里来回调用。下面示例一下:

//下面代码片断是同步代码，它从IO读一段数据，并把这段数据写回
void start()
{
   for(;;)
   {
       Buffer buf;
       read (buf);//把书读到buf
       write(buf);//把buf的数据写回
    }

    //注意到没有，同步代码很简单直接，一个循环，几行代码完成全部事务
}

//把上面的同步代码映射为异步，代码量可能要增加很多，并且程序逻辑也变得不清晰
//示例如下

//读回调，在回调里我们发起写操作
void readHandle(buf)
{
    writeAsync(buf, writeHandle);
}

//写回调，在回调里我们发起读操作
void writeHandle(buf)
{
    readAsync(buf, readHandle);
}

//开始循环
void start()
{
    static Buffer buf; //buf变量不能在栈上，为了简单这里写成静态变量
    readAsync(buf, readHandle);
}

从上面的代码比较中，我们可以看出异步IO会把代码分隔成许多碎片，同时原本清晰的处理逻辑也因为被放入多个函数里，而变得很不清晰。上面的同步代码，一个了解程序的初级程序员也可以读懂写出，但相同功能的异步代码，一个初级程序员可能就搞不定了，甚至很难搞明白为什么要这么做。

读到这里，对异步不是太了解的人可能会问，既然异步把问题搞复杂了，那我们为什么还要用异步呢？答案简单有力，为了“性能”。只有这一个原因，当程序需要处理大量IO时，异步的效率将高出同步代码许多倍。如何一个程序的性能不其关心部分，那真不应该使用异步IO。

对比我们的异步IO代码与其功能相同的同步代码，我们发现每个异步调用都是要把代码分隔一个小函数——比原本要小的函数，当异步调用返回后，我们又接着下面处理。这一点跟协程很像，在一个协程里，当发起异步IO时，我让它返回，当异步IO完成后，我让这个协程接着执行，处理余下的逻辑。

协程与异步结合——性能与简单的结合

结合上面的分析，如果我们可以写下面功能的代码，将很完美:

void start()
{
    for(;;)
    {
        Buffer buf;

        yeild readAsync(buf,start);
    //------ 分隔线，协程在这里返回，等待readAsync完成，当readAsync完成后，它再调用start
    //此时start将从这里接着运行

        yeild writeAsync(buf, start);
    //------ 分隔线，协程在这里返回，等待writeAsync完成，当writeAsync完成后，它再调用start
    //此时start将从这里接着运行
    }
}

上面的代码也很一清晰明了。如果真的能写这样的代码，那将是所有程序员之福。这样在一些语言里确实可以直接写出来，比如Python、Lua、 golang，这些语言有原生的协程支持——编译器或解释器为我们处理了这些执行流的跳转。那么在C/C++里怎么实现呢？可能肯定的是，C/C++里不能直接写出这样简洁的代码，但却可以写类似的代码，尤其是C++——它提供了更强大的封装能力。