程切换，可以理解为函数运行时上下文切换。
文章来源：[libco] 协程切换理解思路
1. 协程切换
正常情况下，函数代码从头到尾串行执行，直到函数生命期结束。而协程切换却能将当前运行的函数，切换到另外一个函数运行，这是协程的神奇之处。
2. 划重点
- 理解协程切换原理，首先需要理解函数的运行原理。（《x86-64 下函数调用及栈帧原理》）
- 协程是啥？它本质上就是一个函数体，与普通函数相比，它只是特殊一点而已。
- 协程函数上下文：寄存器数据 + 内存数据。
- 协程切换（yield/resume）本质是函数运行时上下文切换。
- 系统默认为函数运行时分配堆栈内存，而 libco 为协程函数分配堆空间（独立栈/共享栈）使其工作。
- libco 协程切换核心源码在
co_routine.cpp/co_swap()/coctx_swap()，coctx_swap通过汇编实现。 - 汇编源码的理解，关键对
call/ret这两个汇编指令理解：call 调用函数，ret 返回函数运行地址；当执行这两个指令时寄存器和程序是如何在内存上压栈出栈的。 - 用 lldb / gdb 走一下
coctx_swap这段汇编源码逻辑，观察寄存器与内存数据的变化。
3. 协程上下文
协程上下文：寄存器数据 + 内存数据。
3.1. 协程拓扑结构
struct stCoRoutine_t {
...
coctx_t ctx; /* 协程上下文。 */
...
stStackMem_t *stack_mem; /* 函数在这个内存块上工作。 */
...
};
3.2. 内存分配
- 协程函数运行的内存空间。
struct stStackMem_t {
stCoRoutine_t *occupy_co; /* 使用该内存块的协程。 */
int stack_size; /* 栈大小。 */
char *stack_bp; /* 栈底指针。 */
char *stack_buffer; /* 栈顶指针。 */
};
- 协程上下文。
struct coctx_t {
void *regs[14]; /* 寄存器数组。 */
size_t ss_size; /* 内存大小。 */
char *ss_sp; /* 内存块起始地址。 */
};
- 协程函数运行时内存空间。
- 协程运行时内存布局。
4. 协程切换汇编实现功能
co_routine.cpp/co_swap()/coctx_swap() 汇编工作流程。
; 将当前协程寄存器数据保存到 curr->ctx->regs
leaq (%rsp),%rax
movq %rax, 104(%rdi) ; rsp --> regs[13]
movq %rbx, 96(%rdi) ; rbx --> regs[12]
movq %rcx, 88(%rdi) ; rcx --> regs[11]
movq %rdx, 80(%rdi) ; rdx --> regs[10]
movq 0(%rax), %rax ; rax 寄存器指向函数返回地址。
movq %rax, 72(%rdi) ; rax --> regs[9]
movq %rsi, 64(%rdi) ; rsi --> regs[8]
movq %rdi, 56(%rdi) ; rdi --> regs[7]
movq %rbp, 48(%rdi) ; rbp --> regs[6]
movq %r8, 40(%rdi) ; r8 --> regs[5]
movq %r9, 32(%rdi) ; r9 --> regs[4]
movq %r12, 24(%rdi) ; r12 --> regs[3]
movq %r13, 16(%rdi) ; r13 --> regs[2]
movq %r14, 8(%rdi) ; r14 --> regs[1]
movq %r15, (%rdi) ; r15 --> regs[0]
xorq %rax, %rax ; rax = 0x0000000000000000
; 将 pending_co->ctx->regs 数据，写入对应寄存器。
movq 48(%rsi), %rbp ; regs[6] --> rbp
movq 104(%rsi), %rsp ; regs[13] --> rsp
movq (%rsi), %r15 ; regs[0] --> r15
movq 8(%rsi), %r14 ; regs[1] --> r14
movq 16(%rsi), %r13 ; regs[2] --> r13
movq 24(%rsi), %r12 ; regs[3] --> r12
movq 32(%rsi), %r9 ; regs[4] --> r9
movq 40(%rsi), %r8 ; regs[5] --> r8
movq 56(%rsi), %rdi ; regs[7] --> rdi
movq 80(%rsi), %rdx ; regs[10] --> rdx
movq 88(%rsi), %rcx ; regs[11] --> rcx
movq 96(%rsi), %rbx ; regs[12] --> rbx
leaq 8(%rsp), %rsp ; rsp 上移 8 个字节。
pushq 72(%rsi) ; 将 regs[9] 返回地址压栈。
movq 64(%rsi), %rsi ; regs[8] --> rsi
ret
5. lldb 调试
调试测试程序（github），观察协程切换寄存器数据和内存数据的变化。
[root:.../other/coroutine/test_libco]# lldb test_libco -- 1 1 (main✱)
Current executable set to 'test_libco' (x86_64).
(lldb) b co_routine.cpp : 664
Breakpoint 1: where = test_libco`co_swap(stCoRoutine_t*, stCoRoutine_t*) + 182 at co_routine.cpp:664, address = 0x0000000000402eb4
(lldb) r
Process 30842 launched: '/home/other/coroutine/test_libco/test_libco' (x86_64)
Process 30842 stopped
* thread #1: tid = 30842, 0x0000000000402eb4 test_libco`co_swap(curr=0x00000000020de590, pending_co=0x00000000020e0730) + 182 at co_routine.cpp:664, name = 'test_libco', stop reason = breakpoint 1.1
frame #0: 0x0000000000402eb4 test_libco`co_swap(curr=0x00000000020de590, pending_co=0x00000000020e0730) + 182 at co_routine.cpp:664
661 }
662
663 //swap context
-> 664 coctx_swap(&(curr->ctx),&(pending_co->ctx) );
665
666 //stack buffer may be overwrite, so get again;
667 stCoRoutineEnv_t* curr_env = co_get_curr_thread_env();
di -l
test_libco`co_swap(stCoRoutine_t*, stCoRoutine_t*) + 182 at co_routine.cpp:664
663 //swap context
-> 664 coctx_swap(&(curr->ctx),&(pending_co->ctx) );
665
-> 0x402eb4: movq -0x40(%rbp), %rax
0x402eb8: leaq 0x18(%rax), %rdx
0x402ebc: movq -0x38(%rbp), %rax
0x402ec0: addq $0x18, %rax
0x402ec4: movq %rdx, %rsi
0x402ec7: movq %rax, %rdi
0x402eca: callq 0x407fca ; coctx_swap
...
# 设置调试打印数据，每执行一步，打印当前汇编编码和寄存器数据。
(lldb) target stop-hook add
Enter your stop hook command(s). Type 'DONE' to end.
> di -p
> re r rbp rsp rax rsi rdi
> DONE
Stop hook #1 added.
(lldb) si
...
test_libco`co_swap(stCoRoutine_t*, stCoRoutine_t*) + 204 at co_routine.cpp:664:
-> 0x402eca: callq 0x407fca ; coctx_swap
0x402ecf: callq 0x403133 ; co_get_curr_thread_env() at co_routine.cpp:762
0x402ed4: movq %rax, -0x18(%rbp)
0x402ed8: movq -0x18(%rbp), %rax
rbp = 0x00007ffdcfc18050
rsp = 0x00007ffdcfc18010
rax = 0x00000000020de5a8
rsi = 0x00000000020e0748
rdi = 0x00000000020de5a8
...
(lldb) si
Process 30842 stopped
* thread #1: tid = 30842, 0x0000000000407fca test_libco`coctx_swap, name = 'test_libco', stop reason = instruction step into
frame #0: 0x0000000000407fca test_libco`coctx_swap
# 进入 coctx_swap 函数。
test_libco`coctx_swap:
-> 0x407fca: leaq (%rsp), %rax
0x407fce: movq %rax, 0x68(%rdi)
0x407fd2: movq %rbx, 0x60(%rdi)
0x407fd6: movq %rcx, 0x58(%rdi)
test_libco`coctx_swap:
-> 0x407fca: leaq (%rsp), %rax
0x407fce: movq %rax, 0x68(%rdi)
0x407fd2: movq %rbx, 0x60(%rdi)
0x407fd6: movq %rcx, 0x58(%rdi)
rbp = 0x00007ffdcfc18050
rsp = 0x00007ffdcfc18008
rax = 0x00000000020de5a8
rsi = 0x00000000020e0748
rdi = 0x00000000020de5a8
# 查看 rsp 内存内容。
(lldb) me read -fx -s8 -c1 0x00007ffdcfc18008
0x7ffdcfc18008: 0x0000000000402ecf
# 查看该地址的汇编内容，刚好是紧接 coctx_swap 函数下面的代码。
(lldb) di -s 0x0000000000402ecf
test_libco`co_swap(stCoRoutine_t*, stCoRoutine_t*) + 209 at co_routine.cpp:667:
0x402ecf: callq 0x403133 ; co_get_curr_thread_env() at co_routine.cpp:762
0x402ed4: movq %rax, -0x18(%rbp)
0x402ed8: movq -0x18(%rbp), %rax
0x402edc: movq 0x418(%rax), %rax
0x402ee3: movq %rax, -0x20(%rbp)
0x402ee7: movq -0x18(%rbp), %rax
(lldb) bt
* thread #1: tid = 30842, 0x0000000000407fca test_libco`coctx_swap, name = 'test_libco', stop reason = instruction step into
* frame #0: 0x0000000000407fca test_libco`coctx_swap
frame #1: 0x0000000000402ecf test_libco`co_swap(curr=0x00000000020de590, pending_co=0x00000000020e0730) + 209 at co_routine.cpp:664
frame #2: 0x0000000000402bf5 test_libco`co_resume(co=0x00000000020e0730) + 165 at co_routine.cpp:568
frame #3: 0x00000000004022de test_libco`main(argc=3, argv=0x00007ffdcfc181e8) + 458 at test_libco.cpp:145
frame #4: 0x00007fc67f4ee505 libc.so.6`__libc_start_main + 245
(lldb) f 1
frame #1: 0x0000000000402ecf test_libco`co_swap(curr=0x00000000020de590, pending_co=0x00000000020e0730) + 209 at co_routine.cpp:664
661 }
662
663 //swap context
-> 664 coctx_swap(&(curr->ctx),&(pending_co->ctx) );
665
666 //stack buffer may be overwrite, so get again;
# 0x0000000000402ecf 代码。
667 stCoRoutineEnv_t* curr_env = co_get_curr_thread_env();
(lldb)
6. 小结
- 通过 libco 的源码学习，感觉终于比较深入理解协程是啥玩意了。
- 协程这东西实在太抽象了，不是三言两语能描述清楚，只看源码和资料也是不够的，还是动手画图，写测试例子，上调试器观察寄存器和内存数据。
- 这里只整理了我自己看源码时的思路，很多细节没有补充进来，也可能有些地方没理解正确。
- 虽然写了多年代码，但是汇编知识早已还给了老师，都是边看边查，边写日志。
7. 参考
- 《x86_64 函数运行时栈帧内存布局》
- 《x86-64 下函数调用及栈帧原理》
- 最近都流行实现 Coroutine 么？
- libco协程库上下文切换原理详解
- 微信开源C++协程库Libco—原理与应用
- 漫谈微信libco协程设计及实现（万字长文）