c++20 协程本质
背景：
最近因项目关系，web端，js异步调用，发现跟本门的C++20 还是有些不一样的，本文主要从另外一个角度来看
什么是协程
协程是能暂停执行以在之后恢复的函数。协程是无栈的：它们通过返回到调用方暂停执行，并且恢复执行所需的数据与栈分离存储。这样就可以编写异步执行的顺序代码（例如不使用显式的回调来处理非阻塞输入/输出），还支持作用于惰性计算的无限序列上的算法及其他用途。
腾讯用c语言实现了一个有栈携程，libco，有兴趣的同学可以看下，跟本文讲的协程不太一样。
当一个函数中出现 co_yeild, co_wait, co_return，它就是一个协程
了解一些概念
承诺（promise）对象，从协程内部操纵。协程通过此对象提交其结果或异常。
协程句柄 (coroutine handle)，从协程外部操纵。这是用于恢复协程执行或销毁协程帧的非拥有柄
co_yeild, co_wait, co_return ,可以参照https://zh.cppreference.com/w/cpp/language/coroutines里边自行看下，
我们主要分析协程在编译后会变成什么样子
示例代码
| C++
#include <coroutine>
#include <exception>
#include <iostream>
#include <thread>
struct Generator {
class ExhaustedException : std::exception {};
struct promise_type {
int value;
bool is_ready = false;
std::suspend_always initial_suspend() { return {}; };
std::suspend_always final_suspend() noexcept { return {}; }
std::suspend_always yield_value(int value) {
this->value = value;
is_ready = true;
return {};
}
void unhandled_exception() {
}
Generator get_return_object() {
return Generator{std::coroutine_handle<promise_type>::from_promise(*this)};
}
void return_void() {}
};
std::coroutine_handle<promise_type> handle;
bool has_next() {
if (handle.done()) {
return false;
}
if (!handle.promise().is_ready) {
handle.resume();
}
if (handle.done()) {
return false;
} else {
return true;
}
}
int next() {
if (has_next()) {
handle.promise().is_ready = false;
return handle.promise().value;
}
}
explicit Generator(std::coroutine_handle<promise_type> handle) noexcept
: handle(handle) {}
~Generator() {
if (handle) handle.destroy();
}
};
Generator fibonacci() {
co_yield 0;
co_yield 1;
int a = 0;
int b = 1;
while (true) {
co_yield a + b;
b = a + b;
a = b - a;
}
}
int main() {
auto generator = fibonacci();
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
if (generator.has_next()) {
std::cout << generator.next() << " " << std::endl;
} else {
break;
}
}
return 0;
} |
原示例很简单，斐波那契数列，考虑以下问题：
上文中的fibonacci方法中，int a; int b 存在哪里，是栈空间还是堆空间
为什么fibonacci方法返回的Generator里边会定义struct promise_type 内部结构体
协程的帧到底长什么样子的
协程挂起与恢复的本质是什么
带着上边疑问，接下来就开始分析下，编译器把这块代码转成什么样子的
| C++
struct __fibonacciFrame
{
void (*resume_fn)(__fibonacciFrame *);
void (*destroy_fn)(__fibonacciFrame *);
std::__coroutine_traits_impl<Generator>::promise_type __promise;
int __suspend_index;
bool __initial_await_suspend_called;
int a;
int b;
std::suspend_always __suspend_71_11;
std::suspend_always __suspend_72_3;
std::suspend_always __suspend_73_3;
std::suspend_always __suspend_78_5;
std::suspend_always __suspend_71_11_1;
};
Generator fibonacci()
{
/* Allocate the frame including the promise */
__fibonacciFrame * __f = reinterpret_cast<__fibonacciFrame *>(operator new(__builtin_coro_size()));
__f->__suspend_index = 0;
__f->__initial_await_suspend_called = false;
/* Construct the promise. */
new (&__f->__promise)std::__coroutine_traits_impl<Generator>::promise_type{};
/* Forward declare the resume and destroy function. */
void __fibonacciResume(__fibonacciFrame * __f);
void __fibonacciDestroy(__fibonacciFrame * __f);
/* Assign the resume and destroy function pointers. */
__f->resume_fn = &__fibonacciResume;
__f->destroy_fn = &__fibonacciDestroy;
/* Call the made up function with the coroutine body for initial suspend.
This function will be called subsequently by coroutine_handle<>::resume()
which calls __builtin_coro_resume(__handle_) */
__fibonacciResume(__f);
return __promise.get_return_object();
}
/* This function invoked by coroutine_handle<>::destroy() */
void __fibonacciDestroy(__fibonacciFrame * __f)
{
/* destroy all variables with dtors */
__f->~__fibonacciFrame();
/* Deallocating the coroutine frame */
operator delete(__builtin_coro_free(static_cast<void *>(__f)));
}
|
方便分析，上边代码已经删除了一部分，首先我们先回答第一个问题，这两个变量存放位置，
struct __fibonacciFrame 里边有int a; int b;两个成员，在fibonacci()，可以看到使用了new 关键字分配对象，也就是说int a；int b；被编译器放到堆里边了，
第二个问题：
为什么要定义struct promise_type，通过上边的代码也可以看出来， new (&__f->__promise) std::__coroutine_traits_impl<Generator>::promise_type{}; 萃取机已经明确要求，里边要含有promise_type, 并且这个里边要有明确的几个协程必备的方法定义。另外通过__promise.get_return_object()可以构建Generator 对象，
第三个问题：
协程帧的样子就是struct __fibonacciFrame这个里边定义的，包含协程恢复与销毁的方法
第四个问题：
协程挂起与恢复，本质上讲就是函数调用，可以看下下边代码，协程恢复本质上就是标记一个值，每次调用的时候根据这个值，goto 到指定的代码位置，协程里边局部成员都保存在堆里边了，可以直接使用，
| C++
/* This function invoked by coroutine_handle<>::resume() */
void __fibonacciResume(__fibonacciFrame * __f)
{
try
{
/* Create a switch to get to the correct resume point */
switch(__f->__suspend_index) {
case 0: break;
case 1: goto __resume_fibonacci_1;
case 2: goto __resume_fibonacci_2;
case 3: goto __resume_fibonacci_3;
case 4: goto __resume_fibonacci_4;
}
/* co_await insights.cpp:71 */
__f->__suspend_71_11 = __f->__promise.initial_suspend();
if(!__f->__suspend_71_11.await_ready()) {
__f->__suspend_71_11.await_suspend(std::coroutine_handle<Generator::promise_type>::from_address(static_cast<void *>(__f)).operator coroutine_handle());
__f->__suspend_index = 1;
__f->__initial_await_suspend_called = true;
return;
}
__resume_fibonacci_1:
__f->__suspend_71_11.await_resume();
/* co_yield insights.cpp:72 */
__f->__suspend_72_3 = __f->__promise.yield_value(0);
if(!__f->__suspend_72_3.await_ready()) {
__f->__suspend_72_3.await_suspend(std::coroutine_handle<Generator::promise_type>::from_address(static_cast<void *>(__f)).operator coroutine_handle());
__f->__suspend_index = 2;
return;
}
__resume_fibonacci_2:
__f->__suspend_72_3.await_resume();
/* co_yield insights.cpp:73 */
__f->__suspend_73_3 = __f->__promise.yield_value(1);
if(!__f->__suspend_73_3.await_ready()) {
__f->__suspend_73_3.await_suspend(std::coroutine_handle<Generator::promise_type>::from_address(static_cast<void *>(__f)).operator coroutine_handle());
__f->__suspend_index = 3;
return;
}
__resume_fibonacci_3:
__f->__suspend_73_3.await_resume();
__f->a = 0;
__f->b = 1;
while(true) {
/* co_yield insights.cpp:78 */
__f->__suspend_78_5 = __f->__promise.yield_value(__f->a + __f->b);
if(!__f->__suspend_78_5.await_ready()) {
__f->__suspend_78_5.await_suspend(std::coroutine_handle<Generator::promise_type>::from_address(static_cast<void *>(__f)).operator coroutine_handle());
__f->__suspend_index = 4;
return;
}
__resume_fibonacci_4:
__f->__suspend_78_5.await_resume();
__f->b = (__f->a + __f->b);
__f->a = (__f->b - __f->a);
}
goto __final_suspend;
} catch(...) {
if(!__f->__initial_await_suspend_called) {
throw ;
}
__f->__promise.unhandled_exception();
}
__final_suspend:
/* co_await insights.cpp:71 */
__f->__suspend_71_11_1 = __f->__promise.final_suspend();
if(!__f->__suspend_71_11_1.await_ready()) {
__f->__suspend_71_11_1.await_suspend(std::coroutine_handle<Generator::promise_type>::from_address(static_cast<void *>(__f)).operator coroutine_handle());
}
;
} |
协程恢复就更好理解了，
| C++
if(!__f->__suspend_73_3.await_ready()) {
__f->__suspend_73_3.await_suspend(std::coroutine_handle<Generator::promise_type>::from_address(static_cast<void *>(__f)).operator coroutine_handle());
__f->__suspend_index = 3;
return;
} |
await_ready return false，就直接进入里边，然后就return了，很好理解
总结：
通过上边的理解，我们可以看到协程本质上还是函数调用，利用goto语句来实现协程挂起与恢复
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