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协程(coroutine)是在执行过程中可以被挂起，在后续可以被恢复执行的函数。在C++20中，当一个函数内部出现了co_await、co_yield、co_return中的任何一个时，这个函数就是一个协程。
C++20协程的一个简单的示例代码:
coro_ret number_generator(int begin, int count) {
std::cout << "number_generator invoked." << std::endl;
for (int i=begin; i number_generator内出现了co_yield和co_return所以这不是一个普通的函数，而是一个协程，每当程序执行到第4行co_yield i；时，协程就会挂起，程序的控制权会回到调用者那里，直到调用者调用resume方法，此时会恢复到上次协程yield的地方，继续开始执行。
Promise
number_generator的返回类型是coro_ret
//!coro_ret 协程函数的返回值，内部定义promise_type，承诺对象
template
struct coro_ret
{
struct promise_type;
using handle_type = std::coroutine_handle;
//! 协程句柄
handle_type coro_handle_;
//!promise_type就是承诺对象，承诺对象用于协程内外交流
struct promise_type
{
promise_type() {
std::cout << "promise constructor invoded." << std::endl;
}
~promise_type() = default;
//!生成协程返回值
auto get_return_object()
{
std::cout << "get_return_object invoked." << std::endl;
return coro_ret{handle_type::from_promise(*this)};
}
//! 注意这个函数,返回的就是awaiter
//! 如果返回std::suspend_never{}，就不挂起，
//! 返回std::suspend_always{} 挂起
//! 当然你也可以返回其他awaiter
auto initial_suspend()
{
//return std::suspend_never{};
std::cout << "initial_suspend invoked." << std::endl;
return std::suspend_always{};
}
//!co_return 后这个函数会被调用
/*
void return_value(const T& v)
{
return_data_ = v;
return;
}
*/
void return_void()
{
std::cout << "return void invoked." << std::endl;
}
//!
auto yield_value(const T& v)
{
std::cout << "yield_value invoked." << std::endl;
return_data_ = v;
return std::suspend_always{};
//return std::suspend_never{};
}
//! 在协程最后退出后调用的接口。
auto final_suspend() noexcept
{
std::cout << "final_suspend invoked." << std::endl;
return std::suspend_always{};
}
//
void unhandled_exception()
{
std::cout << "unhandled_exception invoked." << std::endl;
std::exit(1);
}
//返回值
T return_data_;
};
coro_ret(handle_type h)
: coro_handle_(h)
{
}
~coro_ret()
{
//!自行销毁
if (coro_handle_)
{
coro_handle_.destroy();
}
}
//!恢复协程，返回是否结束
bool resume()
{
if (!coro_handle_.done()) { //! 如果已经done了，再调用resume，会导致coredump
coro_handle_.resume();
}
return coro_handle_.done();
}
bool done() const
{
return coro_handle_.done();
}
//!通过promise获取数据，返回值
T get()
{
return coro_handle_.promise().return_data_;
}
};
coro_ret是个自定义的结构，为了能作为协程的返回值，需要定义一个promise_type。这个类型需要实现如下的接口:
- coro_ret
get_return_object() 这个接口要能用promise自己的实例构造出一个协程的返回值，会在协程正在运行前进行调用，这个接口的返回值会作为协程的返回值。
- awaiter initial_suspend() 这个接口会在协程被创建（也就是第一次调用），真正运行前，被调用，如果这个接口返回的是std::suspend_never{}，那么协程一创建出来，就会立刻执行；如果返回的是std::suspend_always{}，那么协程被创建出来时，会处于挂起状态，不会立刻执行，需要调用者主动resume才会触发第一次执行。这两个值其实都是awaiter类型，后面再解释这个类型。
- awaiter yield_value(T v) 这个接口会在 co_yield v 时被调用，把co_yield后面跟着的值v做为参数传入，这里一般就是把这个值保存下来，提供给协程的调用者，返回值也是awaiter，这里一般返回的是std::suspend_always{}。
- void return_value(T v) 这个接口会在 co_return v 时被调用，把co_return后面跟着的值v作为参数传入，这里一般就是把这个值保存下来，提供给协程调用者。
- void return_void() 如果 co_return 后面没有接任何值，那么就会调用这个接口。return_void和return_value只能选择一个实现，否则会报编译错误。
- awaiter final_suspend() 在协程最后退出后调用的接口，如果返回 std::suspend_always 则需要用户自行调用coroutine_handle的destroy接口来释放协程相关的资源；如果返回std::suspend_never则在协程结束后，协程对应的handle就已经为空，不能再调用destroy了(会coredump)
- void unhandled_exception()如果协程内的代码抛出了异常，那么这个接口会被调用。
协程相关对象
可以看出promise类的工作主要是两个:一是定义协程的执行流程，主要接口是initial_suspend，final_suspend，二是负责协程和调用者之间的数据传递，主要接口是yield_value和return_value。
std::coroutine_handle
coro_ret中其他几个接口resume，done和get_data不是必须的，只是为了方便使用而存在。
总结一下，一个协程与这几个对象关联在一起:
- promise
- coroutine handle
- coroutine state
这是个在堆上分配的内部对象，没有暴露给开发者，是用来保存协程内相关数据和状态的，具体来说就是:
- promise对象
- 传给协程的参数
- 当前挂起点的相关数据
- 生命周期跨越挂起点的临时变量和本地变量，也就是在resume后需要恢复出来的变量。
协程的创建
临时总结
要在c++20里实现一个协程，需要定义一个协程的返回类型T，这个T内需要定义一个promise_type的类型，这个类型要实现几个指定的接口，这样就足够了。这样，要开发一个包含异步操作的协程，代码的结构大致会是这样的:
coro_return logic() {
// 发起异步操作
some_async_oper();
co_yield xxx
// 恢复执行了，要先检查和获得异步操作的结果
auto result = get_async_oper_result()
do_some_thing(result)
co_return
}
int main() {
auto co_ret = logic();
// 循环检查异步操作是否结束
while(true) {
auto result = get_async_result();
if (result) {
// 异步操作结束了，恢复协程的运行，要把结果传过去
co_ret.resume()
break;
}
}
} 可以看到，在协程内部，发起异步操作和获取结果，被yield分割为了两步，和同步代码还是有着明显的区别。这时，co_await就可以发挥它的作用了，使用了co_await后的协程代码会是这样的
coro_return logic() {
auto result = co_await some_async_oper();
do_some_thing(result);
} 这样就和同步代码就基本没有区别了，除了这个co_await
co_await
co_await最常见的使用方式为auto ret=co_await expr，co_await后跟一个表达式，整个语句的执行过程有多种情况，是比较复杂的。这里描述的是简化版本，主要是简化了promise.await_transform的作用，以及awaitable对象，可以点击下面链接看完整的描述。这里假定协程的promise_type没有实现await_transform方法。
https://en.cppreference.com/w...
用代码表达，是这样：
if (!awaiter.await_ready())
{
using handle_t = std::experimental::coroutine_handle;
using await_suspend_result_t =
decltype(awaiter.await_suspend(handle_t::from_promise(p)));
if constexpr (std::is_void_v)
{
awaiter.await_suspend(handle_t::from_promise(p));
}
else
{
static_assert(
std::is_same_v,
"await_suspend() must return 'void' or 'bool'.");
if (awaiter.await_suspend(handle_t::from_promise(p)))
{
}
}
}
return awaiter.await_resume();
- 首先是expr求值
- expr表达式的返回值类型(awaiter)必须实现这几个接口: await_ready、await_suspend和await_resume。
- await_ready被调用，如果返回true，那么协程完全不会被挂起，直接会去调用await_resume()接口，把这个接口作为await的返回值，继续执行协程。
- 如果await_ready返回false，那么协程会被挂起，然后调用await_suspend接口，并将协程的句柄传给这个接口。注意，此时协程已经被挂起，但控制权还没有交给调用者。
- 如果await_suspend接口的返回类型是void，或者返回类型是bool，返回值是true，那么就将控制权交还给调用者。
- 如果await_suspend接口返回的是false，那么协程会被resume，并接着调用await_resume，把这个接口作为await的返回值，继续执行协程。
- 如果前面的步骤中，协程被挂起了，那么当协程被调用者resume的时候，会先调用await_resume接口，把这个接口作为await的返回值，继续执行协程。
co_await的例子
以封装一个socket的connect操作为例，我们希望能像这样在协程中去connect一个tcp地址:
coro_ret connect_addr_example(io_service& service, const char* ip, int16_t port)
{
coroutine_tcp_client client;
// 异步连接, service是对epoll的一个封装
auto connect_ret = co_await client.connect(ip, port, 3, service);
printf("client.connect return:%d\n", connect_ret);
if (connect_ret)
{
printf("connect failed, coroutine return\n");
co_return -1;
}
do_something_with_connect(client);
co_return 0;
} 那么需要做的事情是
- 第5行中的client.connect首先发起一个异步连接的请求(设置socket为noneblock，然后connect, 并把socket和自己的指针加入epoll)，返回的类型需要是一个awaiter，也就是要实现这三个接口:await_ready、await_suspend和await_resume
- 在await_ready中，判断连接是否已经建立了(某些情况下connect会立刻成功返回)，或者出错了(比如给connect传了非法的参数)，此时需要返回true，协程就完全不会挂起。其他情况需要返回false，让协程挂起
- 在await_suspend中，可以保存下传入的协程句柄，然后直接返回true。
- 在await_resume中，判断下连接的结果，成功返回0，其他情况返回错误码。
- 协程外的主循环里，使用epoll进行轮询，当对应的句柄有事件时(成功连接、超时、出错)，就取出对应的client指针，设置好连接的结果，并resume协程。
大致的代码如下:
struct connect_awaiter
{
coroutine_tcp_client& tcp_client_;
// co_await开始会调用，根据返回值决定是否挂起协程
bool await_ready()
{
auto status = tcp_client_.status();
switch(status)
{
case ERROR:
printf("await_ready: status error invalid, should not suspend!\n");
return true;
case CONNECTED:
printf("await_ready: already connected, should not suspend!\n");
return true;
default:
printf("await_ready: status:%d, return false.\n", status);
return false;
}
}
// 在协程挂起后会调用这个，如果返回true，会返回调用者，如果返回false，会立刻resume协程
bool await_suspend(std::coroutine_handle<> awaiting)
{
printf("await_suspend invoked.\n");
tcp_client_.handle_ = awaiting;
return true;
}
// 在协程resume的时候会调用这个，这个的返回值会作为await的返回值
int await_resume()
{
int ret = tcp_client_.status() == CONNECTED ? 0 : -1;
printf("awati_resume invoked, ret:%d\n", ret);
return ret;
}
};了解了co_await之后，可以回头看一下之前的内容，前面多次出现的std::suspend_never和std::suspend_always就是两个预定义好的awaiter，也有那三个接口的定义，有兴趣的同学可以看看对应的源代码。promise对象的initial_suspend、final_suspend、yield_value返回的都是awaiter，实际上系统执行的是 co_await promise.initial_suspend() ，co_yield实际上执行的是 co_await promise.yield_value() 。如果有需要，也可以返回自定义的awaiter。
总结
可以看出C++20给出了一个非常灵活、有很强大可定制性的协程机制，但缺少基本的库支持，连写一个最简单的协程都需要开发者付出不少理解和学习的成本，目前的状态只能说是打了一个的地基，在C++23中，为协程提供库的支持是重要的目标之一，可以拭目以待。
参考资料：
1.协程 （C++20）
2.C++ 协程：了解运算符co_await
3.C++20即将到来的coroutine能否与Golang的goroutine媲美？
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