如何创建并行堆栈并在其上运行协程？

Question

我决定我应该尝试实现协程（我认为我应该这样称呼它们）以获得乐趣和利润。我希望必须使用汇编程序，如果我想让它对任何事情真正有用，可能还需要一些 C。

请记住，这是出于教育目的。使用已经构建好的协程库太容易了（而且真的没有乐趣）。

你们知道setjmp 和longjmp 吗？它们允许您将堆栈展开到预定义的位置，并从那里恢复执行。但是，它不能倒退到堆栈上的“稍后”。只能早点回来。

jmpbuf_t checkpoint;
int retval = setjmp(&checkpoint); // returns 0 the first time
/* lots of stuff, lots of calls, ... We're not even in the same frame anymore! */
longjmp(checkpoint, 0xcafebabe); // execution resumes where setjmp is, and now it returns 0xcafebabe instead of 0

我想要的是一种无需线程即可在不同堆栈上运行两个函数的方法。 （显然，一次只运行一个。没有线程，我说过。）这两个函数必须能够恢复另一个的执行（并停止它们自己的）。有点像他们对对方是longjmping。一旦它返回到另一个函数，它必须从它离开的地方恢复（也就是说，在将控制权交给另一个函数的调用期间或之后），有点像 longjmp 返回到 setjmp 的方式。

我是这样想的：

1. 函数A 创建并行堆栈并将其归零（分配内存等）。
2. 函数A 将其所有寄存器推入当前堆栈。
3. 函数A 将堆栈指针和基指针设置到该新位置，并压入一个神秘的数据结构，指示要跳转回的位置以及将指令指针设置回的位置。
4. 函数A 将其大部分寄存器归零，并将指令指针设置为函数B 的开头。

那是为了初始化。现在，以下情况将无限循环：

1. 函数B 在该堆栈上工作，做它需要做的任何工作。
2. 函数B 需要中断并再次给予A 控制权。
3. 函数B 将其所有寄存器推入堆栈，采用神秘的数据结构 A 一开始就给它，并将堆栈指针和指令指针设置为@ 987654337@告诉它。在此过程中，它交还 A 一个新的、修改后的数据结构，该结构告诉在哪里恢复 B。
4. 函数A 被唤醒，将其推入堆栈的所有寄存器弹回，并继续工作，直到它需要中断并再次给予B 控制权。

这一切对我来说都很好。但是，有很多事情我并不完全放心。

• 显然，在好的 ol' x86 上，有这条 pusha 指令会将所有寄存器发送到堆栈。然而，处理器架构不断发展，现在有了 x86_64，我们有了更多的通用寄存器，并且可能还有几个 SSE 寄存器。我找不到任何证据表明pusha 确实推动了他们。现代 x86 CPU 中大约有 40 个公共寄存器。我必须自己完成所有pushes 吗？此外，没有用于 SSE 寄存器的 push（尽管肯定会有一个等价物——我对整个“x86 汇编器”这件事很陌生）。
• 改变指令指针就这么简单吗？我可以像mov rip, rax（英特尔语法）那样做吗？此外，由于它不断变化，因此从中获取价值必须有些特殊。如果我喜欢mov rax, rip（又是英特尔语法），rip 会定位在mov 指令上，还是在它之后的指令上，或者介于两者之间？ 只是jmp foo。假人。
• 我曾多次提到神秘的数据结构。到目前为止，我假设它至少需要包含三件事：基指针、堆栈指针和指令指针。还有什么吗？
• 我是不是忘了什么？
• 虽然我真的很想了解事情是如何工作的，但我很确定有一些库可以做到这一点。你知道任何？是否有任何 POSIX 或 BSD 定义的标准方法，例如 pthread 用于线程？

感谢您阅读我的问题文字墙。

Answer 1

很好的学习参考：libcoroutine，尤其是他们的 setjmp/longjmp 实现。我知道使用现有的库并不好玩，但你至少可以大致了解你要去哪里。

Answer 2

Simon Tatham 有一个interesting implementation of coroutines in C，它不需要任何特定于架构的知识或堆栈摆弄。这并不完全是您所追求的，但我认为它可能至少具有学术兴趣。

Answer 3

你是对的，PUSHA 不会在 x64 上工作，它会引发异常 #UD，因为PUSHA 仅 推送 16 位或 32 位通用寄存器。请参阅Intel manuals 了解您想知道的所有信息。

设置RIP 很简单，jmp rax 会将RIP 设置为RAX。要检索 RIP，如果您已经知道所有协程退出来源，您可以在编译时获取它，或者您可以在运行时获取它，您可以在调用之后调用下一个地址。像这样：

a:
call b
b:
pop rax

RAX 现在将是 b。这是因为CALL 推送了下一条指令的地址。这种技术也适用于 IA32（尽管我认为在 x64 上有更好的方法，因为它支持 RIP 相对寻址，但我不知道有哪一种）。当然如果你做一个函数coroutine_yield，它就可以截取调用者地址:)

由于您不能在一条指令中将所有寄存器推入堆栈，因此我不建议将协程状态存储在堆栈中，因为无论如何这会使事情变得复杂。我认为最好的做法是为每个协程实例分配一个数据结构。

为什么要在函数A 中归零？这可能没有必要。

以下是我将如何处理整个事情，并尝试使其尽可能简单：

创建一个包含以下内容的结构coroutine_state：

• initarg
• arg
• registers（也包含标志）
• caller_registers

创建一个函数：

coroutine_state* coroutine_init(void (*coro_func)(coroutine_state*), void* initarg);

其中coro_func是一个指向协程函数体的指针。

此函数执行以下操作：

1. 分配一个coroutine_state结构cs
2. 将initarg 分配给cs.initarg，这些将是协程的初始参数
3. 将coro_func 分配给cs.registers.rip
4. 将当前标志复制到cs.registers（不是寄存器，只有标志，因为我们需要一些健全的标志来防止天启）
5. 为协程的堆栈分配一些大小合适的区域并将其分配给cs.registers.rsp
6. 返回指向分配的coroutine_state结构的指针

现在我们有了另一个函数：

void* coroutine_next(coroutine_state cs, void* arg)

其中cs 是从coroutine_init 返回的结构，表示协程实例，arg 将在协程恢复执行时被输入。

这个函数被协程调用者调用，向协程传递一些新参数并恢复它，这个函数的返回值是协程返回（产生）的任意数据结构。

1. 将所有当前标志/寄存器存储在cs.caller_registers 中，RSP 除外，请参见步骤 3。
2. 将arg 存储在cs.arg 中
3. 修复调用程序堆栈指针（cs.caller_registers.rsp），如果幸运的话，添加2*sizeof(void*) 将修复它，你必须查看它以确认它，你可能希望这个函数是 stdcall 所以没有寄存器在调用它之前被篡改
4. mov rax, [rsp]，将RAX分配给cs.caller_registers.rip；说明：除非您的编译器已破解，否则[RSP] 将保存指向调用此函数的调用指令后面的指令的指令指针（即：返回地址）
5. 从cs.registers加载标志和寄存器
6. jmp cs.registers.rip，有效恢复协程的执行

请注意，我们永远不会从这个函数返回，我们跳转到的协程为我们“返回”（参见coroutine_yield）。另请注意，在此函数中，您可能会遇到许多复杂情况，例如 C 编译器生成的函数序言和结尾，以及注册参数，您必须处理所有这些。就像我说的，stdcall 会为你省去很多麻烦，我认为 gcc 的 -fomit-frame_pointer 会删除结尾的东西。

最后一个函数声明为：

void coroutine_yield(void* ret);

这个函数在协程内部被调用来“暂停”协程的执行，并返回给coroutine_next的调用者。

1. 存储标志/寄存器in cs.registers
2. 修复协程栈指针（cs.registers.rsp），再次添加2*sizeof(void*)，并且你希望这个函数也是stdcall
3. mov rax, arg（让我们假设编译器中的所有函数都在 RAX 中返回它们的参数）
4. 从cs.caller_registers加载标志/寄存器
5. jmp cs.caller_registers.rip 这实质上是从协程调用程序的堆栈帧上的coroutine_next 调用返回的，并且由于返回值是在RAX 中传递的，所以我们返回了arg。假设arg是NULL，那么协程就终止了，否则就是任意数据结构。

回顾一下，您使用coroutine_init 初始化一个协程，然后您可以使用coroutine_next 重复调用实例化的协程。

协程的函数本身被声明： void my_coro(coroutine_state cs)

cs.initarg 保存初始函数参数（想想构造函数）。每次调用my_coro 时，cs.arg 都有一个由coroutine_next 指定的不同参数。这就是协程调用者与协程通信的方式。最后，每次协程想要暂停自己时，它都会调用coroutine_yield，并传递一个参数给它，这是协程调用者的返回值。

好的，您现在可能认为“这很容易！”，但我忽略了以正确顺序加载寄存器和标志的所有复杂性，同时仍保持未损坏的堆栈帧并以某种方式保持协程数据结构的地址（您只是以线程安全的方式覆盖了所有寄存器）。对于那部分，您将需要了解您的编译器在内部是如何工作的......祝你好运:)

Answer 4

boost.org 上的 boost.coroutine (boost.context) 为你做所有事情