在抽象层面上,协程将拥有执行状态的想法与拥有执行线程的想法分开。
SIMD(单指令多数据)有多个“执行线程”但只有一种执行状态(它只适用于多数据)。可以说并行算法有点像这样,因为你有一个“程序”在不同的数据上运行。
线程有多个“执行线程”和多个执行状态。你有不止一个程序和不止一个执行线程。
协程有多个执行状态,但不拥有执行线程。你有一个程序,这个程序有状态,但它没有执行线程。
协程最简单的例子是其他语言的生成器或枚举。
在伪代码中:
function Generator() {
for (i = 0 to 100)
produce i
}
调用Generator,第一次调用它返回0。它的状态被记住(有多少状态随协同程序的实现而变化),下次调用它时,它会从中断的地方继续。所以它下次返回 1。然后 2.
最后到达循环的末尾,从函数的末尾掉下来;协程完成。 (此处发生的情况因我们所讨论的语言而异;在 python 中,它会引发异常)。
协程为 C++ 带来了这种能力。
有两种协程;堆叠式和无堆叠式。
无堆栈协程仅在其状态和执行位置中存储局部变量。
堆栈式协程存储整个堆栈(如线程)。
无堆栈协程的重量非常轻。我读到的最后一个建议基本上是把你的函数重写成有点像 lambda 的东西。所有局部变量都进入对象的状态,标签用于跳转到协程“产生”中间结果的位置。
产生一个值的过程称为“yield”,因为协程有点像协作多线程;您正在将执行点交还给调用者。
Boost 有一个堆栈协程的实现;它可以让你调用一个函数来为你让步。堆栈式协程更强大,但也更昂贵。
协程不仅仅是一个简单的生成器。您可以在协程中等待协程,这可以让您以有用的方式组合协程。
协程,如 if、循环和函数调用,是另一种“结构化 goto”,可让您以更自然的方式表达某些有用的模式(如状态机)。
C++中Coroutines的具体实现有点意思。
在最基本的层面上,它为 C++ 添加了一些关键字:co_returnco_awaitco_yield,以及一些与它们一起使用的库类型。
一个函数通过在其主体中包含其中一个而成为协程。所以从它们的声明来看,它们与函数没有区别。
当在函数体中使用这三个关键字之一时,会发生一些标准强制检查返回类型和参数,并且函数会转换为协程。这种检查告诉编译器在函数挂起时将函数状态存储在哪里。
最简单的协程是生成器:
generator<int> get_integers( int start=0, int step=1 ) {
for (int current=start; true; current+= step)
co_yield current;
}
co_yield 暂停函数执行,将该状态存储在generator<int> 中,然后通过generator<int> 返回current 的值。
您可以遍历返回的整数。
co_await 同时让您可以将一个协程拼接到另一个协程上。如果您在一个协程中,并且在继续之前需要等待的事情(通常是协程)的结果,您co_await 就可以了。如果他们准备好了,您立即进行;如果没有,则暂停,直到您等待的可等待对象准备好。
std::future<std::expected<std::string>> load_data( std::string resource )
{
auto handle = co_await open_resouce(resource);
while( auto line = co_await read_line(handle)) {
if (std::optional<std::string> r = parse_data_from_line( line ))
co_return *r;
}
co_return std::unexpected( resource_lacks_data(resource) );
}
load_data 是一个协程,当命名资源被打开并且我们设法解析到我们找到请求的数据时,它会生成一个std::future。
open_resource 和 read_lines 可能是异步协程,它们打开文件并从中读取行。 co_await 将 load_data 的挂起和就绪状态与其进度联系起来。
C++ 协程比这更灵活,因为它们是作为用户空间类型之上的最小语言特性集实现的。用户空间类型有效地定义了 co_return co_await 和 co_yield mean - 我见过人们使用它来实现单子可选表达式,例如 co_await 在一个空的可选自动将空状态传播到外部可选:
modified_optional<int> add( modified_optional<int> a, modified_optional<int> b ) {
co_return (co_await a) + (co_await b);
}
而不是
std::optional<int> add( std::optional<int> a, std::optional<int> b ) {
if (!a) return std::nullopt;
if (!b) return std::nullopt;
return *a + *b;
}