C++20新特性解析：深入探讨协程库的实现原理与应用

一、C++20的协程库简介

C++20引入了对协程的支持，这是一项重要的编程语言特性，可以简化异步编程的实现而且提高代码的可读性和可维护性。协程可以在执行过程中暂停和恢复，能够更直观地表达异步操作的流程，让编程更加简洁和高效。

C++20的协程库提供了一组新的关键字、库函数和概念，能轻松地实现异步操作、事件驱动的编程模型和无阻塞式IO等。这些特性对于网络编程、并发编程和响应式编程都有很大的帮助。在C++20之前，一般都是使用第三方库或者自己实现协程功能，现在C++20的协程库为协程的使用提供了官方标准的支持，为C++编程带来了全新的可能性。

协程在异步编程中的重要性：

1. 传统的异步编程方式（如回调、Promise等）会使代码结构复杂、难以理解和维护。而协程可以让异步代码看起来更像是同步代码，通过暂停和恢复来表达异步操作的逻辑。

2. 协程可以大大简化异步代码的写法，避免回调地狱（callback hell）和层层嵌套的问题。

3. 相较于传统的基于回调的异步编程方式，协程可以更高效地利用系统资源，减少上下文切换和线程调度的开销，提高程序的性能。

4. 协程中的暂停和恢复让状态管理非常便利，更轻松地处理异步操作中的状态和上下文切换。

二、C++20协程基础知识

2.1、协程的基本概念和使用方法

协程是一种轻量级线程，它可以在不同的执行上下文中暂停和恢复。在协程中，程序可以通过显式的暂停和恢复操作来控制执行流程，能够更灵活地管理并发任务。

协程的基本概念：

1. 暂停和恢复：协程可以在执行过程中暂停自己，并在之后的某个时间点恢复执行。这种暂停和恢复是由程序员显式地控制的，可以在任何地方发生。

2. 轻量级线程：与传统的操作系统线程相比，协程更加轻量级，可以在同一个线程中并发执行多个协程，从而减少线程切换的开销。

3. 异步编程：协程通常用于异步编程，可以在 I/O 操作和其他耗时的任务中进行暂停和恢复，提高程序的并发性能。

在C++20中，协程使用co_await和co_yield等关键字来实现暂停和恢复操作。通过使用co_await可以将执行权交还给调用者，同时将当前状态保存起来。而co_yield用于向调用者返回一个值，同时也会暂停当前协程的执行。协程也需要一个可调用的函数作为入口点，称为协程函数。

示例：

#include <iostream>
#include <coroutine>
/*******************************************************************
* `promise_type`结构定义协程的状态和控制逻辑，
* `initial_suspend`和`final_suspend`用于定义协程的初始化和结束时的暂停行为。
* `get_return_object`方法返回一个`Generator`对象，
* `return_void`用于处理协程返回的结果，
* `yield_value`用于返回一个值并暂停协程的执行。
********************************************************************/
struct Generator {
  struct promise_type {
    int current_value;
    std::exception_ptr exception; // 用来存储异常指针

    // 初始挂起不做任何事情
    auto initial_suspend() { return std::suspend_always{}; }
    // 最终挂起销毁coroutine
    auto final_suspend() noexcept { return std::suspend_always{}; }
    Generator get_return_object() {
      return Generator{std::coroutine_handle<promise_type>::from_promise(*this)};
    }
    // 返回时不做任何事情
    void return_void() {}
    // 挂起并记下当前value
    auto yield_value(int value) {
      current_value = value;
      return std::suspend_always{};
    }
    // 存储异常
    void unhandled_exception() { exception = std::current_exception(); }
  };

  std::coroutine_handle<promise_type> coro;

  explicit Generator(std::coroutine_handle<promise_type> h) : coro(h) {}

  ~Generator() {
    // 解构时销毁coroutine
    if (coro)
      coro.destroy();
  }

  int getValue() {
    // 无异常时返回当前值，否则重新抛出异常
    if (coro.promise().exception)
      std::rethrow_exception(coro.promise().exception);
    return coro.promise().current_value;
  }

  bool next() { 
    if (!coro.done()) {
      coro.resume();
      return !coro.done();
    }
    return false;
  }
};

Generator counter() {
  for (int i = 0; i < 5; ++i)
    co_yield i;
}

int main() {
  Generator gen = counter();
  while (gen.next()) {
    std::cout << gen.getValue() << std::endl;
  }
  return 0;
}

编译时一定要加上-std=c++20选项。

在counter函数中使用co_yield将值返回给调用者，同时暂停协程的执行。在main函数通过Generator对象的next方法来依次取出协程返回的值，并输出到控制台。

这就是一般情况下C++中协程的基本概念和使用方法。

2.2、C++20中的协程支持

C++20中引入了对协程的原生支持，可以直接利用协程来编写异步程序。协程支持是通过引入一组新的关键字和库来实现的，包括co_await、co_yield、co_return等关键字以及相关的标准库函数和类型。

关键字/库	描述
co_await	表示在异步操作完成前将控制权交给调用方
co_yield	在协程中产生一个值并暂停执行
co_return	表示协程执行结束并返回值
std::coroutine_handle	一个用于控制协程句柄的类
std::suspend_always	一个永远暂停的协程suspend点，通常用于展示示例以进行协程暂停和恢复的操作
std::suspend_never	一个从不暂停的协程suspend点，通常用于展示示例以进行协程的初始和最终操作

C++20使用协程进行异步编程：

1. 引入<coroutine>头文件，该头文件包括了与协程相关的标准库函数和类型；
2. 在函数声明或定义中使用co_await关键字，表示在异步操作完成之前将控制权交给调用方；
3. 使用co_yield关键字来在协程中产生一个值并暂停执行；
4. 在协程的返回值上使用co_return关键字，表示协程执行结束并返回值。

示例：

#include <iostream>
#include <coroutine>

// Define a struct named Task
struct Task {
  // Define a nested struct named promise_type for Task
  struct promise_type {
    // Return a default-constructed Task object
    Task get_return_object() {
      return {};
    }
    // Suspend the coroutine indefinitely during its initial execution
    std::suspend_never initial_suspend() {
      return {};
    }
    // Suspend the coroutine indefinitely at its final execution
    std::suspend_never final_suspend() noexcept{
      return {};
    }
    // Terminate the program for unhandled exceptions
    void unhandled_exception() {
      std::terminate();
    }
    // No action for coroutines returning void
    void return_void() {}
  };

  ~Task() { 
    std::cout << "Task destroyed" << std::endl;
  }

  // Suspend the coroutine associated with the provided coroutine handle
  void await_suspend(std::coroutine_handle<promise_type>) {}
};

// Create an asynchronous function named async
Task async() {
  std::cout << "Async start" << std::endl;
  // Suspend the coroutine until being resumed (in this case indefinitely)
  co_await std::suspend_always{};
  std::cout << "Async end" << std::endl;
}

int main() {
  // Call the async function and store the resulting task
  auto task = async();
  std::cout << "Main" << std::endl;
  return 0;
}

Task是一个协程类型，通过co_await来暂停执行，并在适当的时机恢复执行。async函数是一个协程函数，其中的co_await表示在异步操作完成前暂停执行。

输出：

Async start
Main
Task destroyed

2.3、协程与传统线程的对比

调度方式：

• 传统线程是由操作系统的调度器进行管理和调度的，它们可以并行执行在不同的物理核心上。线程的调度和切换需要内核的介入，会消耗一定的系统资源。
• 协程是由程序员显式地控制的，它们运行在单一线程内部，并且协程之间的切换必须经过协程函数的显式调用。协程的切换不需要内核介入，并且开销较小。

内存占用：

• 传统线程需要分配一定的内核资源来进行管理，包括线程堆栈以及线程控制块等。因此，创建大量的线程可能会占用大量的内存。
• 协程在不同协程之间的切换通常只需要保存少量的上下文信息，所以占用的内存较少。这也是协程在高并发的场景下具有优势。

编程模型：

• 传统线程编程通常需要使用同步原语（例如互斥锁、条件变量）来处理共享资源的并发访问，这增加了编程的复杂度。
• 协程可以使用异步方式编写，使用协程可以更自然地进行事件驱动的编程，避免了使用传统线程编程中的锁和条件变量。

并发粒度：

• 传统线程通常用于在多核处理器上并行执行代码，适合于CPU密集型的任务。
• 协程通常用于处理IO密集型的任务，如网络请求，文件读写等。它可以更高效地处理大量的并发IO操作。

三、C++20协程库的实现原理

协程运行流程图：

在底层实现中，编译器会将协程转换为状态机。每个协程包含了一组状态（比如挂起、运行、完成等），并且通过调度器进行相互切换。当协程暂停时，其状态会被保存下来，等待下一次被唤醒时恢复执行。这种状态机的设计是实现协程的核心。

编译器会生成一些额外的代码来管理协程的状态和上下文切换。协程需要进行频繁的挂起和恢复操作，因此涉及到堆栈和上下文的保存与恢复。编译器和标准库需要在底层处理这些操作，保证协程的状态能够正确地切换和保存。

协程调度器和协程对象的概念：

1. 协程对象代表一个具体的协程实例，它包含了协程的状态、执行过程中的数据等信息。在C++20中使用co_await、co_yield等关键字来定义协程函数，并创建对应的协程对象。

2. 协程调度器负责协程的调度和管理，它决定了哪个协程处于运行状态，哪个协程被挂起或恢复。

协程调度器和协程对象的关系：

• 协程对象依赖于协程调度器进行调度和管理。当一个协程对象需要暂停或者恢复执行时，它会通过协程调度器来进行相应的操作。

• 协程对象通过协程调度器来执行，并且协程调度器会负责协程的挂起、恢复、调度等操作。

四、C++20协程库的应用实例

在异步IO操作中使用协程简化异步操作的编写，提高代码的可读性、可维护性和性能。

• 协程将异步IO的回调地狱转换为顺序执行的代码，代码更易于理解和编写。
• 在异步IO场景下，协程的轻量级和低开销的优势非常明显，可以降低上下文切换的开销，提高异步IO操作的性能和响应速度。
• 自定义的协程调度器可以与异步IO操作结合，实现灵活的异步IO调度和管理。
• C++20协程可以与现有的异步IO框架（如Boost.Asio、libuv等）结合，利用协程改善异步IO编程。

示例：使用C++20协程库（搭配Boost.Asio）来进行异步网络通信。

#include <iostream>
#include <boost/asio.hpp>
#include <boost/asio/use_awaitable.hpp>
#include <coroutine>
#include <boost/asio/awaitable.hpp>

namespace net = boost::asio;
using tcp = boost::asio::ip::tcp;

class AsyncTCPClient {
public:
    AsyncTCPClient(net::io_context& io_context)
        : resolver_(io_context), socket_(io_context) {}

    // Asynchronous connection to the server
    net::awaitable<void> connect(const std::string& host, unsigned short port) {
        auto results = co_await resolver_.async_resolve(host, std::to_string(port), net::use_awaitable);
        co_await net::async_connect(socket_, results, net::use_awaitable);
    }

    // Asynchronous write operation
    net::awaitable<void> write(const std::string& data) {
        co_await net::async_write(socket_, net::buffer(data), net::use_awaitable);
    }

    // Asynchronous read operation
    net::awaitable<std::string> read(int max_length) {
        std::string data;
        data.resize(max_length);
        
        size_t read_length = co_await socket_.async_read_some(net::buffer(data), net::use_awaitable);
        co_return data.substr(0, read_length);
    }

private:
    tcp::resolver resolver_;
    tcp::socket socket_;
};

int main() {
    net::io_context io_context;

    AsyncTCPClient client(io_context);

    co_spawn(io_context, [&client]() -> net::awaitable<void> {
        try {
            co_await client.connect("www.baidu.com", 80);
            co_await client.write("GET / HTTP/1.1\r\nHost: www.baidu.com\r\nConnection: close\r\n\r\n");
            std::string response = co_await client.read(1024);
            std::cout << "Received: " << response << std::endl;
        } catch (std::exception& e) {
            std::cerr << "Exception: " << e.what() << std::endl;
        }
    }, net::detached);

    io_context.run();

    return 0;
}

要先安装boost库。

sudo apt-get install libboost-all-dev

编译：

g++ -std=c++20 -lboost_system -lboost_coroutine -lboost_context -pthread testp.cc -o testp

输出：

Received: HTTP/1.1 200 OK
Accept-Ranges: bytes
Cache-Control: no-cache
Content-Length: 9508
Content-Type: text/html
Date: Sun, 07 Jan 2024 06:15:56 GMT
P3p: CP=" OTI DSP COR IVA OUR IND COM "
P3p: CP=" OTI DSP COR IVA OUR IND COM "
Pragma: no-cache
Server: BWS/1.1
Set-Cookie: BAIDUID=84A68B6C381FF605A97D9FCB3889B2E7:FG=1; expires=Thu, 31-Dec-37 23:55:55 GMT; max-age=2147483647; path=/; domain=.baidu.com
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总结

未来的C++标准可能会继续完善和扩展协程库，包括新增更多的协程相关工具、函数和语法糖，来满足更广泛的并发编程需求。未来会有更好的编译器支持，包括优化协程性能、提供更丰富的调试信息等。

C++20协程库会推动标准化并发编程模式，包括并发任务调度、异步操作、协同执行等，未来会进一步整合协程库与其他标准库，比如网络库、文件系统库等，提供更完整的异步操作和并发编程支持。

除了简单的协程机制，未来也会有更丰富的并发编程模型，比如actor模型、数据流编程模型等。也会进一步优化协程的性能，包括降低协程的开销、提高协程的并发性能等，以提供更高效的并发编程支持。

参考文献：

• 【Google “战败”后，C++20 用微软的提案进入协程时代！】
• 【基于C++20协程库封装的开源框架】
• 【协程 (C++20)官方文档】