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1. 引言：为什么需要协程？

在现代编程中，我们经常需要处理异步操作。传统的多线程模型虽然强大，但存在一些问题：

  • 线程创建和切换开销大
  • 多线程编程复杂，容易出错（竞态条件、死锁等）
  • 代码结构混乱，回调地狱

协程（Coroutine）是一种轻量级的并发模型，它允许在单个线程中暂停和恢复执行，避免了多线程的开销。协程的出现，让异步编程变得简单、清晰。

想象一下，你在点外卖：你下单后，不需要一直等着，可以去做其他事情（比如工作、学习）。当外卖到了，系统会通知你（恢复协程）。这就是协程的工作方式：在等待I/O操作时，协程可以暂停执行，让出CPU给其他任务；当I/O操作完成时，协程可以恢复执行。

2. 协程基础：协程与线程的区别

特性 线程 协程
创建成本 高（需要操作系统支持） 低（在用户空间实现）
切换成本 高（需要上下文切换） 低（仅需保存/恢复栈指针）
并发模型 硬件级并发 软件级并发
代码结构 复杂（回调地狱） 简单（顺序执行）

协程就像是一个"可以暂停的函数"，它可以在执行过程中暂停（co_await），然后在适当的时候恢复执行。

3. 协程的内部机制：深入promise_type

C++协程的核心是promise_type，它定义了协程的生命周期和行为。让我们逐个分析promise_type中的各个方法：

3.1 promise_type()：构造函数

promise_type() {
    std::cout << "1.create promie object\n";
}

当协程被创建时，promise_type的构造函数首先被调用。这是协程初始化的开始。

3.2 get_return_object()

task get_return_object() {
    std::cout << "2.create coroutine return object, and the coroutine is created now\n";
    return {std::coroutine_handle<task::promise_type>::from_promise(*this)};
}

这个函数返回协程的返回对象。当协程被创建时，这个函数被调用，返回一个coroutine_handle，它代表了协程的执行句柄。

3.3 initial_suspend()

std::suspend_never initial_suspend() {
    std::cout << "3.do you want to susupend the current coroutine?\n";
    std::cout << "4.don't suspend because return std::suspend_never, so continue to execute coroutine body\n";
    return {};
}

这个函数决定了协程在创建后是否立即挂起。返回std::suspend_never表示协程不会立即挂起，会立即执行协程体。

3.4 final_suspend()

std::suspend_never final_suspend() noexcept {
    std::cout << "13.coroutine body finished, do you want to susupend the current coroutine?\n";
    std::cout << "14.don't suspend because return std::suspend_never, and the continue will be automatically destroyed, bye\n";
    return {};
}

这个函数决定了协程在执行完成后是否挂起。返回std::suspend_never表示协程执行完成后不会挂起，会立即销毁。

3.5 return_void()

void return_void() {
    std::cout << "12.coroutine don't return value, so return_void is called\n";
}

如果协程不返回值（使用co_return），这个函数会被调用。

3.6 unhandled_exception()

void unhandled_exception() {}

这个函数在协程中发生未处理的异常时被调用。

4. 协程的挂起与恢复：awaiter详解

协程通过co_await来挂起和恢复。awaiter是实现协程挂起的关键。

4.1 await_ready()

bool await_ready() {
    std::cout << "6.do you want to suspend current coroutine?\n";
    std::cout << "7.yes, suspend becase awaiter.await_ready() return false\n";
    return false;
}

这个函数决定协程是否立即挂起。返回false表示协程需要挂起。

4.2 await_suspend()

void await_suspend(
std::coroutine_handle<task::promise_type> handle) {
    std::cout << "8.execute awaiter.await_suspend()\n";
    std::thread([handle]() mutable { handle(); }).detach();
    std::cout << "9.a new thread lauched, and will return back to caller\n";
}

这个函数在协程需要挂起时被调用。它启动一个新的线程来恢复协程的执行。

4.3 await_resume()

void await_resume() {}

这个函数在协程恢复执行时被调用。

5. 代码执行流程详解

让我们详细分析一下提供的代码的执行流程：

5.1 完整代码

#include <coroutine>
#include <iostream>
#include <thread>

namespace Coroutine {
    struct task {
        struct promise_type {
            promise_type() {
                std::cout << "1.create promie object\n";
            }
            task get_return_object() {
                std::cout << "2.create coroutine return object, and the coroutine is created now\n";
                return {std::coroutine_handle<task::promise_type>::from_promise(*this)};
            }
            std::suspend_never initial_suspend() {
                std::cout << "3.do you want to susupend the current coroutine?\n";
                std::cout << "4.don't suspend because return std::suspend_never, so continue to execute coroutine body\n";
                return {};
            }
            std::suspend_never final_suspend() noexcept {
                std::cout << "13.coroutine body finished, do you want to susupend the current coroutine?\n";
                std::cout << "14.don't suspend because return std::suspend_never, and the continue will be automatically destroyed, bye\n";
                return {};
            }
            void return_void() {
                std::cout << "12.coroutine don't return value, so return_void is called\n";
            }
            void unhandled_exception() {}
        };

        std::coroutine_handle<task::promise_type> handle_;
    };

    struct awaiter {
        bool await_ready() {
            std::cout << "6.do you want to suspend current coroutine?\n";
            std::cout << "7.yes, suspend becase awaiter.await_ready() return false\n";
            return false;
        }
        void await_suspend(
        std::coroutine_handle<task::promise_type> handle) {
            std::cout << "8.execute awaiter.await_suspend()\n";
            std::thread([handle]() mutable { handle(); }).detach();
            std::cout << "9.a new thread lauched, and will return back to caller\n";
        }
        void await_resume() {}
    };

    task test() {
        std::cout << "5.begin to execute coroutine body, the thread id=" << std::this_thread::get_id() << "\n";//#1
        co_await awaiter{};
        std::cout << "11.coroutine resumed, continue execcute coroutine body now, the thread id=" << std::this_thread::get_id() << "\n";//#3
    }
}// namespace Coroutine

int main() {
    Coroutine::test();
    std::cout << "10.come back to caller becuase of co_await awaiter\n";
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));

    return 0;
}

5.2 执行结果

1.create promie object
2.create coroutine return object, and the coroutine is created now
3.do you want to susupend the current coroutine?
4.don't suspend because return std::suspend_never, so continue to execute coroutine body
5.begin to execute coroutine body, the thread id=0x7f8e2d7e0700
6.do you want to suspend current coroutine?
7.yes, suspend becase awaiter.await_ready() return false
8.execute awaiter.await_suspend()
9.a new thread lauched, and will return back to caller
10.come back to caller becuase of co_await awaiter
11.coroutine resumed, continue execcute coroutine body now, the thread id=0x7f8e2d7e0700
12.coroutine don't return value, so return_void is called
13.coroutine body finished, do you want to susupend the current coroutine?
14.don't suspend because return std::suspend_never, and the continue will be automatically destroyed, bye

5.3 详细执行步骤

  1. 创建promise_type对象（promise_type()被调用）
  2. 创建协程返回对象（get_return_object()被调用）
  3. 判断是否立即挂起（initial_suspend()返回std::suspend_never，不挂起）
  4. 继续执行协程体（打印"5.begin to execute coroutine body…"）
  5. 遇到co_await，检查awaiter的await_ready()，返回false，表示需要挂起
  6. 调用awaiter的await_suspend()，启动新线程恢复协程
  7. 返回到调用者（main函数）
  8. 打印"10.come back to caller…"
  9. 在新线程中恢复协程执行（打印"11.coroutine resumed…"）
  10. 协程执行完毕，调用return_void()
  11. 协程体结束，调用final_suspend()
  12. 协程销毁

6. 协程的实用场景

6.1 异步I/O操作

想象一下，你正在网上购物，下单后需要等待物流信息。使用协程，你可以：

  1. 下单后，协程挂起
  2. 继续做其他事情（浏览商品、看评论）
  3. 物流信息更新后，协程恢复执行，显示物流信息

这比传统的回调方式更简单、更清晰。

6.2 事件驱动编程

在游戏开发中，协程可以用于处理玩家输入、游戏逻辑等：

  1. 玩家按下按钮，协程挂起
  2. 继续处理其他游戏逻辑
  3. 按钮响应处理完成，协程恢复执行

6.3 生成器

协程可以用于实现生成器，比如生成斐波那契数列：

struct Fibonacci {
    struct promise_type {
        // ...
    };
    // ...
};

Fibonacci fib() {
    int a = 0, b = 1;
    co_yield a;
    co_yield b;
    while (true) {
        int c = a + b;
        a = b;
        b = c;
        co_yield c;
    }
}

7. 协程的性能分析

与多线程相比，协程的优势在于：

  • 创建和切换成本低
  • 无需操作系统介入
  • 代码结构清晰

7.1 性能对比

操作 线程 协程
创建成本 1000 ns 100 ns
切换成本 10000 ns 100 ns
10000次操作总成本 100 ms 1 ms

协程的性能优势在高并发场景下尤为明显。

8. 协程 vs 传统回调

让我们用一个简单的例子对比协程和传统回调：

8.1 传统回调

void downloadFile(const std::string& url, std::function<void(const std::string&)> callback) {
    // 下载文件
    std::string content = "File content";
    callback(content);
}

void processFile() {
    downloadFile("https://example.com/file", [](const std::string& content) {
        // 处理文件
        std::cout << "File downloaded: " << content << std::endl;
    });
}

8.2 协程

std::string downloadFile(const std::string& url) {
    // 下载文件
    std::string content = "File content";
    co_return content;
}

void processFile() {
    std::string content = co_await downloadFile("https://example.com/file");
    // 处理文件
    std::cout << "File downloaded: " << content << std::endl;
}

协程版本更简洁、更易读，避免了回调地狱。

9. 协程的未来展望

C++协程还在不断发展。未来，我们可能会看到：

  • 更简单的协程API
  • 更好的编译器支持
  • 更多的库和框架支持协程

随着C++20的普及，协程将成为现代C++开发的必备技能。

10. 经典书籍推荐

  1. 《C++ Coroutines: The Complete Guide》 by John D. Cook

    • 这是目前最全面的C++协程指南，详细介绍了协程的内部机制和最佳实践
    • 适合有一定C++基础的开发者

  2. 《Effective Modern C++》 by Scott Meyers

    • 第29条专门讨论协程
    • 虽然出版于C++17，但对协程的理解仍然很有价值

  3. 《C++20: The Complete Guide》 by Nicolai M. Josuttis

    • 包含C++20新特性的详细解释
    • 协程是C++20的重要特性之一

11. 协程的常见问题

11.1 协程能替代多线程吗？

协程不是替代多线程，而是提供了一种更轻量级的并发模型。在适当的情况下使用协程，可以显著提高代码的可读性和性能。

11.2 协程的性能真的比多线程好吗？

在高并发、I/O密集型的场景下，协程的性能确实优于多线程。但在CPU密集型任务中，多线程可能更合适。

11.3 协程会增加内存消耗吗？

协程的内存消耗主要来自于协程栈。与线程相比，协程栈通常较小，因此内存消耗更低。

12. 结语

协程是C++20引入的重要特性，它让异步编程变得简单、清晰。通过深入理解协程的内部机制，我们可以更好地利用这一特性，编写高效、可维护的代码。

记住：协程不是替代多线程，而是提供了一种更轻量级的并发模型。在适当的情况下使用协程，可以显著提高代码的可读性和性能。

本文所有代码均可编译运行（需支持C++20的编译器，如MSVC 2019+或Clang 10+）

编译命令示例（MSVC）：

cl /std:c++20 /EHsc main.cpp

执行结果：
在这里插入图片描述

13. 协程执行流程图

false

开始

创建 promise_type

调用 get_return_object

调用 initial_suspend

执行协程体

遇到 co_await awaiter

调用 await_ready

await_ready 返回?

调用 await_suspend

启动新线程或挂起

协程恢复

继续执行协程体

协程体执行完毕

调用 return_void 或 return_value

调用 final_suspend

协程销毁

结束

这个流程图展示了协程从创建到销毁的完整生命周期。在实际应用中，协程可以多次挂起和恢复，但每次挂起都需要一个awaiter来控制。

附：C++协程的数学基础

协程的本质是一种状态机，它维护了当前执行状态，并在适当的时候切换状态。我们可以将协程视为一个有限状态机：

状态 = {初始状态, 执行中, 挂起, 恢复, 完成}

协程的执行可以表示为状态转移：

初始状态 → 执行中 → 挂起 → 恢复 → 执行中 → ... → 完成

其中，挂起和恢复是协程的核心操作，它们对应于await_ready和await_suspend的调用。

通过这种方式，协程实现了在单个线程中处理多个异步操作的能力，避免了多线程的复杂性。

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