漫谈C++20协程

1、协程是什么

协程可以理解为特数的函数，即可挂起与恢复的函数，而我们的普通函数只能一直执行到底，有没有感觉比普通的函数更厉害一些？协程一般都可以被划分为两大类，一类是有栈(tickful) 协程，例如goroutine，libco等；另一类是无栈(stackless)协程，例如C++、C#等。

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这里说明一点，所谓的有栈、无栈并不是说这个协程运行的时候有没有栈，而是说协程之间是否存在调用栈，C++20协程是属于后者，协程之间调用就是通过在堆上分配协程帧空间实现的。

2、C++20协程

C++ 20标准引入了协程(coroutine)从此C++进入了协程时代，不过C++20协程只是包含了编译器需要的底层功能，开发者使用相对复杂一些，进行封装后才可以进一步使用。

2.1 C++20协程整体流程

下面我们看一下C++20协程的整体执行流程：

图1

针对上图1中的每个模块释义如下：

0、开始执行协程；

1、首先在堆上分配协程帧，大小包括实参大小，局部变量大小（包括寄存器），promise_type对象大小，协程状态等；

2、把协程的实参拷贝到协程帧中；

3、构造promise_type对象，promise_type构造函数如果与协程的构造函数完全一致，那么调用这个构造函数，否则调用默认构造函数；

4、通过promise_type对象来构造协程的返回类型Corouting_obj对象；

5、执行表达式co_awaitpromise_type.inintial_suspend()，可以挂起，此处为定制点，可以自定义协程行为；

6、如果协程在initial_suspend处挂起了，则需要等待回复进行执行；

7、协程函数体代码执行；

8、通过co_return语句返回时，将转换成对promise_type类型的return_void或return_value接口进行调用，二者选其中之一。具体看co_return后面跟着的表达式，如果没有表达式或者是void，转换为return_void，否则转换为return_value。co_return语句表示这个协程即将结束其生命期；

9、协程体内发生了异常，由unhandled_exception接口对异常进行处理；

10、final_suspend允许协程结束前挂起，当协程体内抛出异常或者通过co_return返回时都将到达这个挂起点，可以自定义行为，但不能抛出异常，所以实现时需要被修饰为noexcept；

11、堆内存申请失败，处理异常函数

promise_type::get_return_object_on_allocation_failure()；

2.2 C++20协程特点

2.1节介绍了C++协程的整个执行过程，那么c++20为开发者实现协程又提供了哪些新的关键词、以及什么样的函数看作是协程而不是普通函数呢？下面我们简单介绍一下C++20协程一些特点：

1、如果函数中包含了co_return, co_await, co_yield中的任意一个，这个函数就会被当作协程来处理；

2、协程被挂起后那么其局部变量或状态等需要被保存下来，通过操作协程句柄（corouting_handle)来管理写协程。协程句柄是一个对象，包含了分配在堆上协程帧指针和一些操作协程成员函数；

3、协程中promise_type类型能够让我们定制的有initial_suspend、final_suspend、yield_value、return_value或return_void、unhandled_exception等行为，这些行为在协程被调用时生效；

4、co_await表达式涉及了awaitable对象、awaiter对象相关概念，可以通过定义await_transform函数得到awaitable对象，可以通过重载operator co_await操作符得到awaiter对象；

2.3 C++20协程使用示例代码

下面我们通过协程实现一个简单的生成器（Generator)，具体代码示例如下，代码亲测可跑，只要支持C++20特性的C++编译器即可：

#include 
#include 
template
struct Generator{
public:
    struct ValueAwaiter{
        constexpr bool await_ready(){
            return false;
        }
        template
        void await_suspend(std::coroutine_handle h){
            h.promise().value_ = value_;
        }
        void await_resume(){}
        T value_;
    };
    struct promise_type{
        std::suspend_always initial_suspend() noexcept{
            return {};
        }
        std::suspend_always final_suspend() noexcept{
            return {};
        }
        Generator get_return_object(){
            return Generator{std::coroutine_handle::from_promise(*this)};
        }
        void unhandled_exception(){
            throw std::current_exception();
        }
        void return_void(){
        }
        auto await_transform(T v){
            return ValueAwaiter{v};
        }
        std::suspend_always yield_value(T v){
            value_ =v;
            return {};
        }
    public:
        T value_;
    };
    T next(){
        handle_.resume();
        return handle_.promise().value_;
    }
public:
    std::coroutine_handle handle_;
};
Generator get_number(){
    int i{0};
    while (true){
        co_yield i++;
    }
}
int main(){
    auto g = get_number();
    for(int j = 0; j < 10; ++j){
        std::cout << g.next() << std::endl;
    }
}

上面代码中Gernerator就是一个协程object，函数get_number满足C++20协程特性使用了co_yield，因此是一个协程，而不是普通函数。执行结果如下：

3、总结

C++20只是提供了简单的协程特性，开发人员如果要用到生产环境，就需要自己开发相关库，相对难度较大一些，在未来我们可以期待有更多更好的协程库进入后续的C++标准(C++23, C++26), 这样开发人员更好的使用协程了。

文章名称：漫谈C++20协程
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