swoole源码学习——协程的概念,yield协程和原生协程的实现（上）

协程的概念

协程( Coroutine)又名纤程，是一种用户态的轻量级线程。协程不受内核调度，协程的切换完全由程序自己掌控，操作系统对协程无感知。协程拥有自己的寄存器上下文和栈。协程调度切换时（通常是协程主动让出CPU执行权），将寄存器上下文和栈保存，在切换回来时，再恢复先前保存的寄存器上下文和栈。

php中基于yield关键字的协程

php从5.5版起增加了yield关键字。使用了yield关键字的函数又被成为生成器函数。与return关键字不同的是，yield关键字实际上返回的是一个 生成器对象（Generator class）而非一个值，zend引擎会为这个 生成器对象开辟一块独立的堆栈空间，从而使得每一个生成器对象可以保存自己的状态。

生成器对象每次在收到迭代的指令后，会从之前的中断处即（yield关键字标识的地方）重新执行，直到再次遇到yield关键字，这是便保存自己当前的状态并暂时中断。

下面的代码中，在loop函数里使用了yield关键字，每次调用这个生成器函数时，都会从之前的中断处执行。

function loop($start, $end, $step = 1) {

    for ($i = $start; $i <= $end; $i += $step) {

        yield $i;

    }

}

$loop = loop(1, 10);

var_dump($loop); // 返回的是一个生成器对象 object(Generator)

var_dump($loop->current()); //获取生成器对象当前的值,输出1

$loop->next();//使生成器对象运行到下一个yield处

var_dump($loop->current()); //输出2

foreach (loop(1, 5) as $num) { //也可以使用foreach进行迭代

    echo $num, "\n";

}

我们知道，cpu（单核）实际上在一个时刻只能执行一个任务，但为了能让计算机用户觉得任务好像是在同时运行的（比如一边编辑文档一边通过浏览器看新闻），cpu需要在多个任务（进程）之间切换。而cpu处理哪一个任务则由操作系统决定，操作系统可以剥夺进程的执行权，将cpu执行权分配给其他进程。

而基于协程实现的"并发执行"（不是真的并发执行）,则是多任务协作式的。当前正在运行的某个任务完成了它目前所能做的工作后，自动让出cpu资源，将控制权交还给调度器。

这两种方式（多任务抢占式和多任务协作式）不变的是，它能使进程具有“ 对称切换能力 ”，也就是进程a可以切换到进程b，进程b也可以再切换到进程a（区别于传统的父子函数式的调用）。

yield之所以能在php层面实现协程，就是因为yield关键字让函数可以具有多个“返回点”，使函数可以对称式地切换。

下面是一个简单的多任务协作的例子：

首先定义任务类

每个任务有自己的编号，和一个是生成器对象的成员变量，每次调用任务的run方法时就对生成器对象进行迭代。

class Task {

    protected $taskId;

    protected $coroutine;

    protected $sendValue = null;

    protected $beforeFirstYield = true;

    public function __construct($taskId, Generator $coroutine) {

        $this->taskId = $taskId;

        $this->coroutine = $coroutine;

    }

    public function getTaskId() {

        return $this->taskId;

    }

    public function setSendValue($sendValue) {

        $this->sendValue = $sendValue;

    }

    public function run() {

        if ($this->beforeFirstYield) {

            $this->beforeFirstYield = false;

            return $this->coroutine->current();

        } else {

            $retval = $this->coroutine->send($this->sendValue);

            $this->sendValue = null;

            return $retval;

        }

    }

    public function isFinished() {

        return !$this->coroutine->valid();

    }

}

然后是调度器类

调度器通过newTask方法创建新任务并将其入队，当调用run方法运行时，遍历任务队列并逐个执行，然后检测任务（协程）是否执行结束，如果任务（协程）还需要再次执行，那么将其重新入队，等待下一次执行。

class Scheduler {

    protected $maxTaskId = 0;

    protected $taskMap = []; // taskId => task

    protected $taskQueue;

    public function __construct() {

        $this->taskQueue = new SplQueue();

    }

    public function newTask(Generator $coroutine) {

        $tid = ++$this->maxTaskId;

        $task = new Task($tid, $coroutine);

        $this->taskMap[$tid] = $task;

        $this->schedule($task);

        return $tid;

    }

    public function schedule(Task $task) {

        $this->taskQueue->enqueue($task);

    }

    public function run() {

        while (!$this->taskQueue->isEmpty()) {

            $task = $this->taskQueue->dequeue();

            $task->run();

            if ($task->isFinished()) {

                unset($this->taskMap[$task->getTaskId()]);

            } else {

                $this->schedule($task);

            }

        }

    }

}

然后是task1和task2（虽然意义不大）

运行后可以看到两个任务是交替执行的。

function task1() {

    for ($i = 1; $i <= 10; ++$i) {

        echo "task 1 iteration $i.\n";

        yield;

    }

}

function task2() {

    for ($i = 1; $i <= 5; ++$i) {

        echo "task 2 iteration $i.\n";

        yield;

    }

}

$scheduler = new Scheduler;

$scheduler->newTask(task1());

$scheduler->newTask(task2());

$scheduler->run();

/*output:

task 1 iteration 1.

task 2 iteration 1.

task 1 iteration 2.

task 2 iteration 2.

task 1 iteration 3.

task 2 iteration 3.

task 2 iteration 4.

task 2 iteration 5.

*/

参考资料： http://www.laruence.com/2015/05/28/3038.html

由于篇幅原因swoole2原生协程的实现将放在下篇讲述