C++20 协程的核心原理：无栈协程的魔法

C++20 协程是**“性能与抽象”**的完美结合。虽然它的底层 API 设计得非常“底层”（甚至有些晦涩），但这正是为了给库作者提供极致的灵活性。对于普通开发者，建议在实际生产中使用如cppcoroasio(C++20 支持版) 或libunifex等成熟的库。您是打算在现有的异步项目中引入协程，还是对某个具体的底层组件（比如Awaiter的生命周期）感兴趣？我们可以继续深入讨论。🤝。

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664人浏览 · 2026-01-22 22:37:35

2501_94030456 · 2026-01-22 22:37:35 发布

🛠️ 一、 C++20 协程的核心原理：无栈协程的魔法

C++20 引入的是无栈协程（Stackless Coroutines）。与传统的线程（Thread）或有栈协程（Fiber）不同，C++ 协程不需要独立的函数栈帧，而是由编译器将协程函数转换成一个特殊的状态机。

1.1 从普通函数到协程的蜕变

普通函数遵循“调用 -> 执行 -> 返回”的线性模式，一旦返回，栈帧即销毁。而协程引入了**“挂起（Suspend）”和“恢复（Resume）”**的能力：

挂起：保存当前的寄存器状态和局部变量到堆上的“协程帧（Coroutine Frame）”中，并将控制权交还给调用者。
恢复：从协程帧中读取状态，跳回到上次挂起的位置继续执行。

1.2 编译器的幕后工作

当你使用 co_await 或 co_yield 时，编译器会生成大量的样板代码，主要包括：

分配协程帧：通常在堆上分配，存储参数、局部变量和状态。
创建 Promise 对象：用于协程内外的数据交换。
生成状态机：利用 switch-case 或跳转表实现不同挂起点之间的切换。

🧩 二、核心组件：支撑协程运行的“三剑客”

C++20 并没有直接提供现成的 Task 或 Generator 类，而是提供了一套底层框架。开发者需要实现以下三个核心组件来驱动协程：

组件名称	职责描述	关键点
Promise Object	内部控制枢纽。定义协程的起始行为、返回方式以及如何处理异常。	必须包含 `get_return_object`, `initial_suspend`, `final_suspend` 等。
Coroutine Handle	外部操控手柄。持有协程帧的地址，用于在协程外部执行 `resume()` 或 `destroy()`。	类型为 `std::coroutine_handle<P>`，是不透明的指针包装。
Awaitable / Awaiter	挂起策略器。定义 `co_await` 表达式的行为，决定是否需要挂起以及挂起后做什么。	实现 `await_ready`, `await_suspend`, `await_resume` 三个方法。

💻 三、代码实战：实现一个简单的迭代器（Generator）

协程最直观的应用就是生成器。以下代码展示了如何利用协程实现一个延迟计算的斐波那契数列。

#include <iostream>
#include <coroutine>

// 1. 定义协程的返回类型
struct Generator {
    struct promise_type {
        int current_value;
        auto get_return_object() { return Generator{std::coroutine_handle<promise_type>::from_promise(*this)}; }
        auto initial_suspend() { return std::suspend_always{}; } // 初始挂起
        auto final_suspend() noexcept { return std::suspend_always{}; }
        void unhandled_exception() { std::terminate(); }
        // co_yield 调用的钩子
        auto yield_value(int value) {
            current_value = value;
            return std::suspend_always{};
        }
        void return_void() {}
    };

    std::coroutine_handle<promise_type> h;
    bool next() {
        h.resume();
        return !h.done();
    }
    int value() { return h.promise().current_value; }
    ~Generator() { h.destroy(); }
};

// 2. 编写协程函数
Generator fibonacci(int n) {
    int a = 0, b = 1;
    for (int i = 0; i < n; ++i) {
        co_yield a; // 挂起并返回当前值
        int next = a + b;
        a = b;
        b = next;
    }
}

int main() {
    auto gen = fibonacci(10);
    while (gen.next()) {
        std::cout << gen.value() << " ";
    }
    return 0;
}