一文让你深入了解云风协程库的coroutine源码分析【建议收藏】

前言：现在C++的开发开始流行使用coroutine，也就是协程。我看腾讯的几个开源项目里面都有协程的实现。使用协程可以用同步的写法，达到异步的性能。它的基本原理其实就是在IO等待的时候切换出去，在适当的时刻再切换回来。云风用200行代码实现了一个最简单的协程，我们先看这个代码了解一下协程的原理，然后再看微信的libco实现。

一、协程简介

协程是用同步的写法达到异步的性能。其基本原理是在IO等待时切换出去，在适当的时刻切换回来，最大程度利用CPU。协程可以理解为一个用户级的线程，一个线程里跑多个协程。并且，不管协程数量多少，都是串行运行的，就是说不存在同一时刻属于一个线程的不同协程同时运行。因此避免了多线程编程可能导致的同步问题。

协程的行为有点像函数调用，但也有不同，对于函数调用来说，假如函数A调用函数B，则必须等待函数B执行完毕后才能重新返回A，但对于协程来说，如果再协程A中切换到协程B，协程B可以选择在某个点重新回到A的执行流，同时允许在某个时刻重新从A回到B之前运行到的那个点。这在函数中是不可能实现的，因为函数只能一路走到底。

二、ucontext实现协程切换

既然允许协程中途中切换以及后期从新从切换点进入继续执行，说明必须有数据结构保存每个协程的上下文信息。云风携程库运用Linux中的ucontext实现协程见切换，而Linux包含以下几个系统函数对ucontext_t进行初始化、设置，以及基于ucontext_t切换协程：

getcontext()  : 获取当前context
setcontext()  : 切换到指定context
makecontext() : 设置函数指针和堆栈到对应context保存的sp和pc寄存器中,调用之前要先调用 getcontext()
swapcontext() : 保存当前context，并且切换到指定context

三、主要数据结构

源码设计的数据结构有如下两个，coroutine协程保存自身的上下文信息、主体函数和栈信息等。每个协程需要自己主动让出CPU，至于交给谁处理，由schedule调度器决定，调度器管理协程，包括保存和切换协程。

struct schedule {
     
    char stack[STACK_SIZE];  //栈空间
    ucontext_t main;         //当前上下文
    int nco;                 //协程数
    int cap;                 //协程容量
    int running;             //是否正在运行
    struct coroutine **co;   //协程数组
};

struct coroutine {
     
    coroutine_func func;     //协程运行主体函数
    void *ud;                //func的参数
    ucontext_t ctx;          //该协程的上下文信息
    struct schedule *sch;    //对应的调度器
    ptrdiff_t cap;           //协程大小
    ptrdiff_t size;          //协程实际大小
    int status;              //运行状态
    char *stack;             //栈
};

四、保存现场

协程从运行状态COROUTINE_RUNNING到暂停状态COROUTINE_SUSPEND时需要保存运行栈，即调用coroutine_yield 之后挂起协程让出CPU的过程。下面是保存栈方法：

static void
_save_stack(struct coroutine *C, char *top) {
     
    //获取当前栈底，top 是栈顶，top-dummy 即该协程的私有栈空间
    char dummy = 0;
    assert(top - &dummy <= STACK_SIZE);
    //如果协程私有栈空间大小不够放下运行时的栈空间，则要重新扩容
    if (C->cap < top - &dummy) {
     
        free(C->stack);
        C->cap = top-&dummy;
        C->stack = malloc(C->cap);  //每一个协程都会开辟这块栈空间
    }
    C->size = top - &dummy;
    memcpy(C->stack, &dummy, C->size);
}

top 代表当前协程运行栈的栈顶，从 coroutine_yield 我们知道 top = S->stack + STACK_SIZE，原因是协程初始化时设置如下：

getcontext(&C->ctx);
C->ctx.uc_stack.ss_sp = S->stack;
C->ctx.uc_stack.ss_size = STACK_SIZE;
C->ctx.uc_link = &S->main;
makecontext(&C->ctx, (void (*)(void)) mainfunc, 2, (uint32_t)ptr, (uint32_t)(ptr>>32));

即表示协程栈的栈顶设置为S->stack，mainfunc的运行使用S->stack作为栈顶，大小为STACK_SIZE，由此可见，schedule 的 stack[STACK_SIZE] 是子协程运行的公共栈空间，但是每个协程的栈不一样，所以需要单独建立一个私有栈空间来保存执行现场。

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