C++中的yield和fork

各位看官，您没有看错，C++是可以有yield和fork的，这个主题小麦很早以前就打算写，只是一直没有一个契机给我这个动力。前段日子，小麦帮朋友处理一个用单线程模拟多线程的活儿的时候，再次想到了这个事情，决定写一下，也算是自己的一个回顾。本文其实也可以叫做boost::asio::coroutine原理解析。。。

当然，C++本身是没有yield这个关键字的，这个关键字的意义可以参考C#对其的定义，就是跳出当前的执行过程，下次调用这个过程的时候，直接从yield处开始执行。例如

int foo(){    yield return 1;    yield return 2;    yield return 3;}

连续调用foo函数3次，分别得到了1，2，3这三个数，这就是yield的基本语义，而fork的意思是保存当前上下文，跳转到目标函数，在目标函数执行完成之后，回到当前位置，例如

std::cout<<"line 1"<<std::endl;fork foo()

从上面的例子可以看出，yield和fork的作用就相当于用单线程模拟了多线程的语义。这个语义正是常说的coroutine，即协程。通常来说，协程的实现是保存当前上下文，然后在线程内不断切换上下文，这种情况也叫做stackfull coroutine.本文要描述的是不保存上下文的情况，即stackless coroutine。

怎么用

如果各位看过C#中关于 yield的实现的话，可能会有一些印象，C#把yield语句翻译成了一个状态机，利用状态机记录每次进入函数时应该从何处开始执行。然而在C++中，失去了编译器的支持，想实现这个语义还是颇为困难的。下面的实现是boost asio的作者给出的实现，其逆天程度之高，以致于这个实现最开始并没有出现在boost asio的官方文档中，而是在boost asio的example中静静的躺着，直到最近的boost 1.54，这个技术才正式成为boost asio的一部分，

简而言之，这个实现是用宏实现的，请各位忘记C++的程序跳转，记住C#的yield，我们来看个例子

#include <boost/asio/yield.hpp>#include <boost/asio/coroutine.hpp>#include <iostream>boost::asio::coroutine c;void foo(int i){    reenter(c)    {        yield std::cout<<"foo1 "<<i<<std::endl;        fork foo(100);        yield std::cout<<"foo2 "<< i+1<<std::endl;    }}int main(){    foo(1);    foo(2);    foo(3);    return 0;}

这个程序的输出是。。。

foo1 1foo2 101foo2 3

这个咋看之下有点难以理解，我们先忽略具体的细节，解释一下这是怎么回事。

首先，我们需要声明一个corountine，然后将需要重复进入的代码用reenter包括起来。第一次调用foo的时候，代码执行到第一个yield，此时，foo直接返回。

第二次调用的时候，程序直接执行上一次yield之后的代码，即fork，此时，程序调用foo，需要注意的是，被调用的fork不再执行第一个yield，而是直接从当前语句开始执行，于是得到输出foo2101，返回之后，程序调用fork之后的yield，得到输出foo23。

第三次调用的时候，由于不再有任何未执行的yield，因此不再产生任何输出。

很自然的，我们会想像C#中的yield一样使用，类似这样

int nums(){    reenter(c)    {        for(int i = 0; i < 10; i++)        {            yield return i;        }    }}

很遗憾，这是不行的，这会有一个编译错误，Switchcase isin protected scope，这显然让人觉得不可思议，联想到我们写的程序本身就不太像正常的C++代码，我们有必要详细了解一下到底发生了什么。

内部实现

首先，我们先从能看见的类开始，coroutine。

class coroutine{public:    /// Constructs a coroutine in its initial state.    coroutine() : value_(0) {}    /// Returns true if the coroutine is the child of a fork.    bool is_child() const { return value_ < 0; }    /// Returns true if the coroutine is the parent of a fork.    bool is_parent() const { return !is_child(); }    /// Returns true if the coroutine has reached its terminal state.    bool is_complete() const { return value_ == -1; }private:    friend class detail::coroutine_ref;    int value_;};namespace detail {class coroutine_ref{public:    coroutine_ref(coroutine& c) : value_(c.value_), modified_(false) {}    coroutine_ref(coroutine* c) : value_(c->value_), modified_(false) {}    ~coroutine_ref() { if (!modified_) value_ = -1; }    operator int() const { return value_; }    int& operator=(int v) { modified_ = true; return value_ = v; }private:    void operator=(const coroutine_ref&);    int& value_;    bool modified_;};} // namespace detail

上面这两个类，都很简单，从类名就可以看出来这是啥意思，略过不提。重要的是如何用宏实现reenter、yield、fork。

reenter的定义是一个宏，名字有重定义，如下

#define BOOST_ASIO_CORO_REENTER(c) \    switch (::boost::asio::detail::coroutine_ref _coro_value = c) \    case -1: if (_coro_value) \    { \        goto terminate_coroutine; \    terminate_coroutine: \        _coro_value = -1; \        goto bail_out_of_coroutine; \    bail_out_of_coroutine: \        break; \    } \    else case 0:

回想一下，reenter的用法是

reenter(coroutine){ your_code...;}

因此your_code实际被放在case0:中，回想一下_coro_value最初的初始化值是0，因此，第一次确实执行了your_code。

yield的定义同样是个宏，定义如下

#define BOOST_ASIO_CORO_YIELD_IMPL(n) \    for (_coro_value = (n);;) \        if (_coro_value == 0) \        { \            case (n): ; \            break; \        } \        else \            switch (_coro_value ? 0 : 1) \                for (;;) \                    case -1: if (_coro_value) \                        goto terminate_coroutine; \                        else for (;;) \                            case 1: if (_coro_value) \                            goto bail_out_of_coroutine; \                                else case 0:

其中n的定义为__COUNTER___。

看到这个宏，估计看官和我最初反应差不多，深切的怀疑这个代码的合法性，因为有这样一种混乱的用法

switch(n){    for(...)        case 1: if(...) }

这个事实上就是将case 1看作普通的类似goto使用的代码标签，也就是说可以通过switch到达，也可以通过for到达！

这里用户的代码仍然在case0中出现，当执行这段代码是，_coro_value的值首先被设置成一个程序标识用的整数n， 在最内层的swithc-case中，_coro_value的值为n，因此，程序跳转到case0，首先执行用户的代码，用户代码执行完后，返回执行for循环，此时执行对应的if语句，即goto bail_out_of_coroutine，这个定义在之前的reenter的宏中，此时将直接break，返回整个reenter的最外层。

再次调用函数时，由于_coro_value的值仍然为n，则直接调用case0，直接执行后续的语句。

fork的实现如下，这个小麦就不再具体解释，各位看官请自行理解，比较简单。

#define BOOST_ASIO_CORO_FORK_IMPL(n) \    for (_coro_value = -(n);; _coro_value = (n)) \        if (_coro_value == (n)) \        { \            case -(n): ; \            break; \        } \        else

至此，我们就理解了前面的程序为什么会出现一个编译错误，因为大量的使用了switch-case，因此程序的层次很重要，不能在reenter中随意修改 yield和fork的层次，否则会导致switch－case不匹配，从而出现编译错误！！

总结

上述的用法并不是唯一的用法，各位还可以继承boost::asio::coroutine，而不是定义变量，更多用法可以参考boost::asio的example。当然也可以和小麦探讨哦～