一种协程的 C/C++ 实现

介绍

在前几天接触到了协程的概念，觉得很有趣。因为我可以使用一个线程来实现一个类似多线程的程序，如果使用协程来替代线程，就可以省去很多原子操作和内存栅栏的麻烦，大大减少与线程同步相关的系统调用。因为我只有一个线程，而且协程之间的切换是可以由函数自己决定的。

我有见过几种协程的实现，因为没有 C/C++ 的原生支持，所以多数的库使用了汇编代码，还有些库利用了 C 语言的 setjmp 和 longjmp 但是要求函数里面使用 static local 的变量来保存协程内部的数据。我讨厌写汇编和使用 static local 变量，所以想出了一种稍微优雅一点又有点奇技淫巧的实现方法。 这篇文章将向你展示这种方法基本原理和实现。

基本原理

用 C/C++ 实现的最大困难就是创建，保存和恢复程序的上下文。因为这涉及到了程序栈的管理，以及 CPU 寄存器的访问，但是这两项内容在 C/C++ 标准里面都没有严格的定义，所以我们是不可能有一个完全跨平台的 C/C++ 实现的。但是利用操作系统提供的 API，我们仍然可以避免使用汇编代码，接下来会向你展示使用 POSIX 的 pthread 实现的一种简单的协程框架。什么！？？Pthread？那你的程序岂不是多线程了？那还叫协程吗！没错，确实是多线程的，不过仅仅是在协程被创建之前的短暂瞬间。

要创建子程序的上下文，我们可以调用 pthread_create 函数来创建一个真正的线程，这样操作系统就会帮我们创建上下文（这里包括初始化 CPU 寄存器和程序栈）。然后在线程启动时，使用 C 语言的 setjmp 把这些寄存器备份到外部的 buffer 里面。创建完后，这个线程便失去了它的存在价值，所以可以果断干掉它了。不过还需要注意一点，就是在创建线程之前，需要调用 pthread_attr_setstack 函数来显式地声明使用的程序栈，这样线程退出的时候，系统就不会自动销毁这个程序栈。至于上下文的恢复，显然就是使用 longjmp 函数了。

创建上下文

下面是 RoutineInfo 的定义。为了简单起见，所有错误处理代码都被省略了，原版本的代码在 coroutine.cpp文件中，省略版的代码在 coroutine_demonstration.cpp 文件中。

typedef void * (*RoutineHandler)(void*);struct RoutineInfo{    void * param;    RoutineHandler handler;    void * ret;    bool stopped;    jmp_buf buf;        void *stackbase;    size_t stacksize;        pthread_attr_t attr;        // size: the stack size    RoutineInfo(size_t size){        param = NULL;        handler = NULL;        ret = NULL;        stopped = false;        stackbase = malloc(size);        stacksize = size;        pthread_attr_init(&attr);        if(stacksize)            pthread_attr_setstack(&attr,stackbase,stacksize);    }        ~RoutineInfo(){        pthread_attr_destroy(&attr);        free(stackbase);    }};

然后，我们需要一下全局的列表来保存这些 RoutineInfo 对象。

std::list<RoutineInfo*> InitRoutines(){    std::list<RoutineInfo*> list;    RoutineInfo *main = new RoutineInfo(0);    list.push_back(main);    return list;}std::list<RoutineInfo*> routines = InitRoutines();

接下来是协程的创建，注意当协程的时候，程序栈有可能已经被损坏了，所以需要一个 stackBack 作为程序栈的备份，用来做后面的恢复。

void *stackBackup = NULL;void *CoroutineStart(void *pRoutineInfo);int CreateCoroutine(RoutineHandler handler,void* param ){    RoutineInfo* info = new RoutineInfo(PTHREAD_STACK_MIN+ 0x4000);    info->param = param;    info->handler = handler;    pthread_t thread;    int ret = pthread_create( &thread, &(info->attr), CoroutineStart, info);    void* status;    pthread_join(thread,&status);    memcpy(info->stackbase,stackBackup,info->stacksize);    // restore the stack    routines.push_back(info);   // add the routine to the end of the list        return 0;}

然后是 CoroutinneStart 函数。当线程进入这个函数的时候，使用 setjmp 保存上下文，然后备份它自己的程序栈，然后直接退出线程。

void Switch();void *CoroutineStart(void *pRoutineInfo){    RoutineInfo& info = *(RoutineInfo*)pRoutineInfo;    if( !setjmp(info.buf)){         // back up the stack, and then exit        stackBackup = realloc(stackBackup,info.stacksize);        memcpy(stackBackup,info.stackbase, info.stacksize);        pthread_exit(NULL);        return (void*)0;    }    info.ret = info.handler(info.param);        info.stopped = true;    Switch(); // never return        return (void*)0; // suppress compiler warning}

上下文切换

一个协程主动调用 Switch() 函数，才切换到另一个协程。

std::list<RoutineInfo*> stoppedRoutines = std::list<RoutineInfo*>();void Switch(){    RoutineInfo* current = routines.front();    routines.pop_front();        if(current->stopped){        // The stack is stored in the RoutineInfo object,         // delete the object later, now know        stoppedRoutines.push_back(current);        longjmp( (*routines.begin())->buf ,1);    }        routines.push_back(current);        // adjust the routines to the end of list        if( !setjmp(current->buf) ){        longjmp( (*routines.begin())->buf ,1);    }        if(stoppedRoutines.size()){        delete stoppedRoutines.front();        stoppedRoutines.pop_front();    }}

演示

用户的代码很简单，就像使用一个线程库一样，一个协程主动调用 Switch() 函数主动让出 CPU 时间给另一个协程。

#include <iostream>using namespace std;#include <sys/wait.h>void* foo(void*){    for(int i=0; i<2; ++i){        cout<<"foo: "<<i<<endl;        sleep(1);        Switch();    }}int main(){    CreateCoroutine(foo,NULL);    for(int i=0; i<6; ++i){        cout<<"main: "<<i<<endl;        sleep(1);        Switch();    }}

记得在链接的时候加上 -lpthread 链接选项。程序的执行结果如下所示：

[roxma@VM_6_207_centos coroutine]$ g++ coroutime_demonstration.cpp -lpthread -o a.out[roxma@VM_6_207_centos coroutine]$ lsa.out  coroutime.cpp  coroutime_demonstration.cpp  README.md[roxma@VM_6_207_centos coroutine]$ ./a.outmain: 0foo: 0main: 1foo: 1main: 2main: 3main: 4main: 5

原文及代码下载

https://github.com/roxma/cpp_learn/tree/master/cpp/linux_programming/coroutine

转自啊自：http://www.cnblogs.com/Pony279/p/3903048.html