协程实现的基础

最新推荐文章于 2025-06-20 22:27:11 发布

原创最新推荐文章于 2025-06-20 22:27:11 发布 · 586 阅读

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本文深入探讨了协程的工作原理及其实现方法，通过具体的汇编代码示例展示了如何保存和恢复协程的上下文，进而实现任务间的切换。

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协程可以认为是一种用户态的线程，与系统提供的线程不同点是，它需要主动让出CPU时间，而不是由系统进行调度，即控制权在程序员手上。

既然看成是用户态线程，那必然要求程序员自己进行各个协程的调度，这样就必须提供一种机制供编写协程的人将当前协程挂起，即保存协程运行场景的一些数据，调度器在其他协程挂起时再将此协程运行场景的数据恢复，以便继续运行。这里我们将协程运行场景的数据称为上下文。

在linux里，有getcontext和swapcontext等接口来获取当前的上下文数据和切换上下文。那如果没有提供相应的接口，又该如何来实现呢？

其实说到底，保存下上文数据，不外乎就是保存下当前运行的栈空间的数据，还有cpu各个寄存器相应的值。只要我们能够将其保存下来，在特定的时刻恢复回去就可以了。

有人用c提供的接口setjmp和longjmp来实现协程的切换和恢复，但这里要介绍另外一种方式，即用汇编来保存/恢复cpu寄存器的值。

用汇编的方式依赖于特定的平台，这里举例的是i386 32位的*nix平台。

在开始贴代码前，要先说一个概念–栈帧。

ia32程序用程序栈来支持过程调用。机器用栈来传递过程参数、存储返回信息、保存寄存器用于以后恢复，以及本地存储。为单个过程分配的那部分栈称为栈帧。下图描绘了linux下栈帧的通用结构。栈帧的最顶端以两个指针界定，寄存器%ebp为帧指针，而寄存器%esp为栈指针。当程序执行时，栈指针可以移动，因此大多数信息的访问都是相对于帧指针的。

栈帧结构

这里我们可以看到，在调用一个函数前，都会先将各个参数、调用者在被调用函数返回时执行的下一条指令的地址–返回地址压栈，被调用函数在开始前会将%ebp的值保存，然后将当前%esp的值赋予%ebp。弄明白帧指针和栈指针的作用，以及返回地址等如何通过%ebp来获取的话，对下面保存当前上下文的汇编代码理解比较有帮助。

struct mcontext {

* The first 20 fields must match the definition of

* sigcontext. So that we can support sigcontext

* and ucontext_t at the same time.

int mc_onstack ; /* XXX - sigcontext compat. */

int mc_gs ;

int mc_fs ;

int mc_es ;

int mc_ds ;

int mc_edi ;

int mc_esi ;

int mc_ebp ;

int mc_isp ;

int mc_ebx ;

int mc_edx ;

int mc_ecx ;

int mc_eax ;

int mc_trapno ;

int mc_err ;

int mc_eip ;

int mc_cs ;

int mc_eflags ;

int mc_esp ; /* machine state */

int mc_ss ;

int mc_fpregs [ 28 ] ; /* env87 + fpacc87 + u_long */

int __spare__ [ 17 ] ;

} ;

struct ucontext {

* Keep the order of the first two fields. Also,

* keep them the first two fields in the structure.

* This way we can have a union with struct

* sigcontext and ucontext_t. This allows us to

* support them both at the same time.

* note: the union is not defined, though.

sigset_t uc_sigmask ;

mcontext_t uc_mcontext ;

struct __ucontext * uc_link ;

stack_t uc_stack ;

int __spare__ [ 8 ] ;

} ;

ucontext结构体主要关心的为uc_mcontext和uc_stack这两个成员，其中uc_stack指向一段内存，这段内存做为协程的运行栈；而uc_context为mcontext类型，各个成员保存着CPU同名的寄存器值。

1	int getmcontext ( mcontext_t * ) ; /保存当前上下文的声明/

/ *保存当前上下文的汇编实现 * /

. globl GET

GET :

movl 4 ( %esp ) , %eax

movl %fs , 8 ( %eax )

movl %es , 12 ( %eax )

movl %ds , 16 ( %eax )

movl %ss , 76 ( %eax )

movl %edi , 20 ( %eax )

movl %esi , 24 ( %eax )

movl %ebp , 28 ( %eax )

movl %ebx , 36 ( %eax )

movl %edx , 40 ( %eax )

movl %ecx , 44 ( %eax )

movl $1 , 48 ( %eax ) / * %eax * /

movl ( %esp ) , %ecx / * %eip * /

movl %ecx , 60 ( %eax )

leal 4 ( %esp ) , %ecx / * %esp * /

movl %ecx , 72 ( %eax )

movl 44 ( %eax ) , %ecx / * restore %ecx * /

movl $0 , %eax

ret

上述分别是保存上下文的C接口声明和汇编实现。根据第4行汇编代码可以看出，GET函数所需要的参数值被保存到%eax，之所以根据4(%esp)来寻址，是因为这时候栈指针指向的是保存返回地址的内存地址。接着将各个寄存器的值保存到参数值指向的mcontext结构体，结合下struct mcontext以及代码里的移位看就可以了，这里就不多说了。唯一比较难理解的可能就是%eip寄存器值的获取了。由于这时候要保存的是调用GET函数的过程的上下文，这时候%eip寄存器保存的并不是调用GET函数过程的下一条指令的值，GET函数栈帧的返回地址才是调用GET函数过程返回后应该往下执行的下一条指令，因此可以看到上面汇编代码18行是将栈指针指向内存保存的值做为%eip的值保存起来。

. globl SET

SET :

movl 4 ( %esp ) , %eax

movl 8 ( %eax ) , %fs

movl 12 ( %eax ) , %es

movl 16 ( %eax ) , %ds

movl 76 ( %eax ) , %ss

movl 20 ( %eax ) , %edi

movl 24 ( %eax ) , %esi

movl 28 ( %eax ) , %ebp

movl 36 ( %eax ) , %ebx

movl 40 ( %eax ) , %edx

movl 44 ( %eax ) , %ecx

movl 72 ( %eax ) , %esp

pushl 60 ( %eax ) / * new %eip * /

movl 48 ( %eax ) , %eax

ret

至于恢复上下文的SET函数，要说的就是它是如何来改变%eip寄存器的值。根据上面第17行的汇编代码，它只是将新的%eip的值压栈而已，并不是直接赋予ip寄存器。我们这里再看一下当执行到ret后会怎么样。ret可以等效于这句指令–pop %eip。当SET函数返回后即将刚刚压栈的新的%eip的值恢复到ip寄存器当中去了。

使用汇编实现的GET和SET函数，实际上就可以进行上下文的保存和恢复了。但是要实现协程这还不够，协程跟线程一样，都是提供一个函数做为入口，那我们还需要为协程构建好调用其函数入口的准备，即参数压栈，栈指针的指向，还有返回地址的保存等。