c++20:协程（Coroutines）

科学的发展-只不过是读大自然写的代码

已于 2024-12-28 13:34:21 修改

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文章标签： c++20 服务器前端

于 2024-12-24 20:13:51 首次发布

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/xie__jin__cheng/article/details/144701889

1.概要

2.内容

C++20引入了协程（Coroutines），这是一种新的编程范式，允许开发者编写异步代码，同时保持代码的可读性和可维护性。以下是关于C++20协程的详细介绍：

一、协程的基本概念

定义：协程是一种特殊的函数，它可以在执行过程中暂停和恢复，而不像普通函数那样必须从头执行到尾。协程函数是一种特殊的函数，使用co_await、co_yield或co_return关键字。
类型：协程分为stackless和stackful两种。stackless协程在暂停时不需要堆栈，而stackful协程在暂停时需要堆栈。C++中的协程属于stackless协程。
优势：
- 非阻塞：协程可以在执行过程中暂停，允许其他协程运行，从而实现非阻塞的异步编程。
- 轻量级：协程的创建和切换开销较小，适合高并发场景。
- 可读性：使用协程可以使异步代码更易于理解和维护，避免了回调地狱（callback hell）。

二、协程的关键字

co_await：用于等待一个异步操作的完成。它通常用于等待异步任务的完成。
co_yield：用于从协程中产生一个值，并暂停协程的执行。它通常用于生成器（Generator）模式。
co_return：用于从协程中返回一个值，并结束协程的执行。它类似于普通函数的return语句。

三、协程的工作原理

promise_type：每个协程都有一个关联的Promise对象，用于控制协程的行为。Promise对象定义了协程的初始化、暂停和恢复行为。
coroutine_handle：协程句柄（coroutine handle），用于管理协程的生命周期。它允许你暂停、恢复和销毁协程。
生命周期：协程的生命周期包括创建、暂停/挂起、恢复执行和销毁等阶段。协程可以允许被调用的函数执行到某个位置之后暂时保留自己的临时信息并挂起，在后面的某个时间点可以再回到当时执行的位置和状态继续执行。

四、协程的示例

以下是一个使用C++20协程实现生成器的简单示例：

#include <iostream>
#include <coroutine>
#include <vector>

// 定义一个简单的生成器类
class Generator {
public:
    struct promise_type {
        int current_value;
        Generator get_return_object() {
            return Generator{std::coroutine_handle<promise_type>::from_promise(*this)};
        }
        std::suspend_always initial_suspend() {
            return {};
        }
        std::suspend_always final_suspend() noexcept {
            return {};
        }
        void unhandled_exception() {
            std::terminate();
        }
        std::suspend_always yield_value(int value) {
            current_value = value;
            return {};
        }
        void return_void() {}
    };

    std::coroutine_handle<promise_type> coro_handle;
    explicit Generator(std::coroutine_handle<promise_type> handle) : coro_handle(handle) {}
    ~Generator() {
        if (coro_handle) coro_handle.destroy();
    }
    Generator(const Generator&) = delete;
    Generator& operator=(const Generator&) = delete;
    Generator(Generator&& other) noexcept : coro_handle(other.coro_handle) {
        other.coro_handle = nullptr;
    }
    Generator& operator=(Generator&& other) noexcept {
        if (this != &other) {
            if (coro_handle) coro_handle.destroy();
            coro_handle = other.coro_handle;
            other.coro_handle = nullptr;
        }
        return *this;
    }
    bool move_next() {
        coro_handle.resume();
        return !coro_handle.done();
    }
    int current_value() const {
        return coro_handle.promise().current_value;
    }
};

// 协程函数，生成斐波那契数列
Generator fibonacci() {
    int a = 0, b = 1;
    while (true) {
        co_yield b;
        int next = a + b;
        a = b;
        b = next;
    }
}

int main() {
    auto gen = fibonacci();
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        gen.move_next();
        std::cout << gen.current_value() << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
    return 0;
}

五、协程的应用场景

协程通常用于处理异步编程、生成器和状态机等场景。它们使得C++在处理异步操作时更加灵活和高效。

六、协程的实现与编译器支持

编译器支持：由于C++20还未被所有编译器完全支持，因此需要确保你的编译器实现了协程特性。可以通过相关网站查看编译器支持情况。
编译指令：例如，使用GNU GCC编译C++20协程代码时，可以使用g++ -fcoroutines -std=c++20指令。

总之，C++20的协程为开发者提供了一种强大的工具，用于编写异步和生成器模式的代码。通过合理使用co_await、co_yield和co_return关键字以及Promise对象和协程句柄等机制，开发者可以编写出更加简洁、易读和高效的异步代码。

3.关联链接

c++模块（Modules）-优快云博客

c++20：概念（Concepts）-优快云博客

c++20:范围（Ranges）-优快云博客

c++20:协程（Coroutines）-优快云博客

c++协程（Coroutines）-无限的整数序列-优快云博客

三路比较运算符（Spaceship Operator）-优快云博客

std::format-优快云博客

c++20,位操作增强-优快云博客

c++20 空指针比较-优快云博客

4.关联知识

1.c++20有什么新功能

C++20 是 C++ 标准的一个重要更新，它引入了许多新特性和改进，显著提升了语言的功能性和易用性。以下是一些关键的新功能：

一、模块（Modules）

功能：改变了组织源码文件的方式，旨在替换传统的头文件 #include 模型，以减少编译时间和改善依赖管理。在项目中，不再需要区分 .cpp 和 .h 文件。
示例：

// my_module.module
export module my_module;
export void greet() {
    std::cout << "Hello from the module!" << std::endl;
}

// main.cpp
import my_module;
int main() {
    greet();
    return 0;
}

二、概念（Concepts）

功能：允许在编译时精确指定模板参数需满足的条件，增强编译时错误信息和泛型编程的清晰度。
示例：

#include <concepts>

template<typename T>
concept Integral = std::is_integral_v<T>;

template<Integral T>
T abs(T x) {
    return x >= 0 ? x : -x;
}

int main() {
    static_assert(abs(42) == 42);
    static_assert(abs(-42) == 42);
    // static_assert(abs(42.0) == 42.0); // 错误，double不满足Integral概念
}

三、范围（Ranges）

功能：扩展了标准库中的算法，支持更简洁、更灵活的序列操作。Ranges 库是对标准模板库（STL）的一个重要扩展，它重新定义了容器和算法的交互方式，使代码更具可读性和表达力。
示例：

#include <range/v3/all.hpp>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5, 6};
    auto even = vec | ranges::view::filter([](int x) { return x % 2 == 0; });
    for (int val : even) {
        std::cout << val << " ";
    }
    return 0;
}

四、协程（Coroutines）

功能：正式支持协程，使得编写异步代码更为直观。协程是一种特殊的函数，允许在执行过程中暂停并在稍后恢复。
示例（简化的生成器示例）：

#include <coroutine>
#include <iostream>

struct Generator {
    struct promise_type;
    using handle_t = std::coroutine_handle<promise_type>;

    Generator(handle_t h) : coro(h) {}

    ~Generator() {
        if (coro) coro.destroy();
    }

    int next() {
        coro.resume();
        return coro.promise().current_value;
    }

private:
    handle_t coro;
};

struct Generator::promise_type {
    int current_value{0};
    Generator get_return_object() {
        return Generator{handle_t::from_promise(*this)};
    }

    std::suspend_always initial_suspend() { return {}; }

    std::suspend_always final_suspend() noexcept { return {}; }

    void return_value(int value) {
        current_value = value;
    }

    void unhandled_exception() {
        std::terminate();
    }
};

Generator count_up_to(int limit) {
    for (int i = 1; i <= limit; ++i) {
        co_yield i;
    }
}

int main() {
    for (int val : count_up_to(5)) {
        std::cout << val << " ";
    }
    return 0;
}

五、三路比较运算符（Spaceship Operator）

功能：引入了<=>运算符，用于实现综合比较（小于、等于、大于）。
示例：

#include <compare>

struct Point {
    int x, y;
    auto operator<=>(const Point&) const = default;
};

int main() {
    Point p1{1, 2}, p2{1, 2};
    if (p1 == p2) std::cout << "Equal" << std::endl;
}

六、std::format

功能：C++20 引入的标准库函数，为字符串格式化提供了统一且强大的接口，类似于 Python 中的 str.format 或 C 的 printf 函数，但更加安全和灵活。
示例：

#include <format>
#include <iostream>

int main() {
    auto str = std::format("The answer is {}.", 42);
    std::cout << str << std::endl; // 输出: The answer is 42.
    return 0;
}

七、位操作增强

功能：C++20 对位操作进行了增强，引入了几个新函数来提高位操作的便利性和表达能力。
示例（使用 std::has_single_bit 和 std::countl_zero）：

#include <bit>
#include <iostream>

int main() {
    unsigned int num = 0b100000;
    std::cout << "Is power of 2?" << std::boolalpha << std::has_single_bit(num) << std::endl;
    std::cout << "Leading zeros: " << std::countl_zero(num) << std::endl;
}

八、空指针比较

功能：C++20 引入了新的空指针常量 nullptr 与整数类型的比较操作，明确禁止了这种比较，以防止潜在的逻辑错误。以前，比较 nullptr 和整数在某些实现下是允许的，但现在这样的比较会引发编译错误，确保了代码的清晰和安全。
示例（演示非法比较）：

void checkPointer(int* ptr) {
    // if (ptr == 0) // 在C++20中，这种比较会被认为是错误的。
    // std::cout << "ptr is null" << std::endl;
}

九、其他改进和新增特性

关键字和语法增强：引入了 co_await、co_return、co_yield 等关键字以支持协程，consteval 用于声明必须在编译时求值的常量表达式函数，constinit 用于声明必须在编译时初始化的变量，以及 inline 变量等。
constexpr 支持的扩展：C++20 扩展了 constexpr 的能力，使其可以用于更复杂的表达式和函数，包括虚函数、动态内存分配、try-catch 异常处理等。
std::span：一个轻量级的视图类型，表示一段连续内存的子集，它类似于指针和数组，但更安全、更易用。
类型安全和错误检查：通过引入概念（Concepts）和范围（Ranges），C++20 提供了更强的类型安全和更好的编译时错误检查。

总的来说，C++20 的这些新特性和改进使得 C++ 语言更加现代化、强大和易用。