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漫談c++20協程

來源: 責編: 時間:2023-11-04 23:04:06 306觀看
導讀Part 01、 協程是什么 協程可以理解為特數的函數,即可掛起與恢復的函數,而我們的普通函數只能一直執行到底,有沒有感覺比普通的函數更厲害一些?協程一般都可以被劃分為兩大類,一類是有棧(tickful) 協程,例如goroutine,libc

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Part 01、  協程是什么  

協程可以理解為特數的函數,即可掛起與恢復的函數,而我們的普通函數只能一直執行到底,有沒有感覺比普通的函數更厲害一些?協程一般都可以被劃分為兩大類,一類是有棧(tickful) 協程,例如goroutine,libco等;另一類是無棧(stackless)協程,例如C++、C#等。QKO28資訊網——每日最新資訊28at.com

這里說明一點,所謂的有棧、無棧并不是說這個協程運行的時候有沒有棧,而是說協程之間是否存在調用棧,C++20協程是屬于后者,協程之間調用就是通過在堆上分配協程幀空間實現的。QKO28資訊網——每日最新資訊28at.com

Part 02、  C++20協程 

C++ 20標準引入了協程(coroutine)從此C++進入了協程時代,不過C++20協程只是包含了編譯器需要的底層功能,開發者使用相對復雜一些,進行封裝后才可以進一步使用。QKO28資訊網——每日最新資訊28at.com

2.1 C++20協程整體流程

下面我們看一下C++20協程的整體執行流程:QKO28資訊網——每日最新資訊28at.com

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圖1QKO28資訊網——每日最新資訊28at.com

針對上圖1中的每個模塊釋義如下:QKO28資訊網——每日最新資訊28at.com

0、開始執行協程;QKO28資訊網——每日最新資訊28at.com

1、首先在堆上分配協程幀,大小包括實參大小,局部變量大小(包括寄存器),promise_type對象大小,協程狀態等;QKO28資訊網——每日最新資訊28at.com

2、把協程的實參拷貝到協程幀中;QKO28資訊網——每日最新資訊28at.com

3、構造promise_type對象,promise_type構造函數如果與協程的構造函數完全一致,那么調用這個構造函數,否則調用默認構造函數;QKO28資訊網——每日最新資訊28at.com

4、通過promise_type對象來構造協程的返回類型Corouting_obj對象;QKO28資訊網——每日最新資訊28at.com

5、執行表達式co_awaitpromise_type.inintial_suspend(),可以掛起,此處為定制點,可以自定義協程行為;QKO28資訊網——每日最新資訊28at.com

6、如果協程在initial_suspend處掛起了,則需要等待回復進行執行;QKO28資訊網——每日最新資訊28at.com

7、協程函數體代碼執行;QKO28資訊網——每日最新資訊28at.com

8、通過co_return語句返回時,將轉換成對promise_type類型的return_void或return_value接口進行調用,二者選其中之一。具體看co_return后面跟著的表達式,如果沒有表達式或者是void,轉換為return_void,否則轉換為return_value。co_return語句表示這個協程即將結束其生命期;QKO28資訊網——每日最新資訊28at.com

9、協程體內發生了異常,由unhandled_exception接口對異常進行處理;QKO28資訊網——每日最新資訊28at.com

10、final_suspend允許協程結束前掛起,當協程體內拋出異常或者通過co_return返回時都將到達這個掛起點,可以自定義行為,但不能拋出異常,所以實現時需要被修飾為noexcept;QKO28資訊網——每日最新資訊28at.com

11、堆內存申請失敗,處理異常函數QKO28資訊網——每日最新資訊28at.com

promise_type::get_return_object_on_allocation_failure();

2.2 C++20協程特點

2.1節介紹了C++協程的整個執行過程,那么c++20為開發者實現協程又提供了哪些新的關鍵詞、 以及什么樣的函數看作是協程而不是普通函數呢?下面我們簡單介紹一下C++20協程一些特點:QKO28資訊網——每日最新資訊28at.com

1、如果函數中包含了co_return, co_await, co_yield中的任意一個,這個函數就會被當作協程來處理;QKO28資訊網——每日最新資訊28at.com

2、協程被掛起后那么其局部變量或狀態等需要被保存下來,通過操作協程句柄(corouting_handle)來管理寫協程。協程句柄是一個對象,包含了分配在堆上協程幀指針和一些操作協程成員函數;QKO28資訊網——每日最新資訊28at.com

3、協程中promise_type類型能夠讓我們定制的有initial_suspend、final_suspend、yield_value、return_value或return_void、unhandled_exception等行為,這些行為在協程被調用時生效;QKO28資訊網——每日最新資訊28at.com

4、co_await表達式涉及了awaitable對象、awaiter對象相關概念,可以通過定義await_transform函數得到awaitable對象,可以通過重載operator co_await操作符得到awaiter對象;QKO28資訊網——每日最新資訊28at.com

2.3 C++20協程使用示例代碼

下面我們通過協程實現一個簡單的生成器(Generator),具體代碼示例如下,代碼親測可跑,只要支持C++20特性的C++編譯器即可:QKO28資訊網——每日最新資訊28at.com

#include <iostream>#include <coroutine>template<typename T>struct Generator{public:    struct ValueAwaiter{        constexpr bool await_ready(){            return false;        }        template<typename promise_type>        void await_suspend(std::coroutine_handle<promise_type> h){            h.promise().value_ = value_;        }        void await_resume(){}        T value_;    };    struct promise_type{        std::suspend_always initial_suspend() noexcept{            return {};        }        std::suspend_always final_suspend() noexcept{            return {};        }        Generator get_return_object(){            return Generator{std::coroutine_handle<promise_type>::from_promise(*this)};        }        void unhandled_exception(){            throw std::current_exception();        }        void return_void(){        }        auto await_transform(T v){            return ValueAwaiter{v};        }        std::suspend_always yield_value(T v){            value_ =v;            return {};        }    public:        T value_;    };    T next(){        handle_.resume();        return handle_.promise().value_;    }public:    std::coroutine_handle<promise_type> handle_;};Generator<int> get_number(){    int i{0};    while (true){        co_yield i++;    }}int main(){    auto g = get_number();    for(int j = 0; j < 10; ++j){        std::cout << g.next() << std::endl;    }}

上面代碼中Gernerator就是一個協程object,函數get_number滿足C++20協程特性使用了co_yield,因此是一個協程,而不是普通函數。執行結果如下:QKO28資訊網——每日最新資訊28at.com

圖片QKO28資訊網——每日最新資訊28at.com

Part 03、 總結 

C++20只是提供了簡單的協程特性,開發人員如果要用到生產環境,就需要自己開發相關庫,相對難度較大一些,在未來我們可以期待有更多更好的協程庫 進入后續的C++標準(C++23, C++26), 這樣開發人員更好的使用協程了。QKO28資訊網——每日最新資訊28at.com

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