笔记

深浅模式

初探协程 ​

详细了解及使用C++20协程：现代异步编程的革命

协程的核心概念 ​

协程（Coroutine）是一种比线程更轻量级的协作式多任务处理机制。与线程和进程的抢占式调度不同，协程通过函数的主动让出控制权实现任务切换。 C++20的协程提案（P0057）将这一概念正式引入标准库，为异步编程带来了范式级的变革。

每个协程拥有独立的调用栈，但共享所属线程的资源。这种特性使得协程非常适合处理高并发的IO密集型任务，同时避免了线程上下文切换的开销。

为什么需要协程？ ​

传统异步编程存在以下痛点：

  1. 回调地狱（Callback Hell）：多层嵌套的回调函数导致代码可读性差
  2. 状态管理复杂：需要手动维护异步操作的中间状态
  3. 性能损耗：线程池调度存在较大的上下文切换开销

协程通过结构化的挂起机制，将异步操作转化为类似同步代码的书写方式。例如：

cpp
co_await async_operation(); // 协程在此处挂起

这种语法糖让开发者可以用顺序代码的思维编写异步逻辑，同时保持高效的资源利用。

协程与线程/进程的对比 ​

特性进程线程协程
调度方式内核抢占内核抢占用户态协作
资源占用独立内存空间共享内存空间共享线程栈
切换开销高（MB级）中（KB级）极低（字节级）
并发数量数百级数千级百万级
适用场景独立应用并行计算高并发IO

典型应用场景：

  • 网络服务器：百万级连接的异步处理
  • 游戏开发：多任务事件循环
  • 实时系统：高精度任务调度

C++20协程的使用指南 ​

基本语法 ​

协程函数必须满足：

  • 返回类型为std::coroutine_handle或自定义类型
  • 包含co_await、co_yield或co_return语句

示例：

cpp
#include <coroutine>
#include <iostream>

struct MyCoroutine {
    struct promise_type {
        MyCoroutine get_return_object() { return MyCoroutine{}; }
        std::suspend_always initial_suspend() { return {}; }
        std::suspend_always final_suspend() noexcept { return {}; }
        void return_void() {}
        void unhandled_exception() {}
    };
};

MyCoroutine async_task() {
    std::cout << "Start task\n";
    co_await std::suspend_always{};
    std::cout << "Resume task\n";
}

int main() {
    auto handle = async_task().handle;
    handle.resume(); // 输出"Start task"
    handle.resume(); // 输出"Resume task"
    handle.destroy();
}

关键组件 ​

  • co_await：挂起协程并等待异步操作完成
  • co_yield：生成值并挂起（用于生产者-消费者模式）
  • co_return：结束协程并返回结果

自定义awaitable ​

通过实现以下接口可自定义等待对象：

cpp
struct MyAwaitable {
    bool await_ready() const;
    void await_suspend(std::coroutine_handle<> h);
    void await_resume();
};

示例：

cpp
struct DelayAwaitable {
    bool await_ready() const { return false; }
    void await_suspend(std::coroutine_handle<> h) {
        std::thread([h] {
            std::this_thread::sleep_for(1s);
            h.resume();
        }).detach();
    }
    void await_resume() {}
};

co_await DelayAwaitable(); // 协程挂起1秒

高级应用技巧 ​

  1. 协程池管理：通过线程池复用协程资源
  2. 错误处理：使用try/catch捕获协程异常
  3. 性能优化：避免不必要的挂起操作
  4. 内存管理：使用智能指针管理协程资源

实践注意事项 ​

  1. 避免在协程中执行阻塞操作
  2. 注意栈溢出风险（可配置栈大小）
  3. 理解协程的生命周期管理
  4. 合理选择调度策略

总结 ​

C++20协程为异步编程带来了革命性的改变，在保持C++高性能特性的同时，显著提升了代码的可读性和可维护性。随着C++20的普及，协程将成为高并发场景下的首选方案。未来，结合编译器优化和标准库演进，协程的应用场景将更加广泛。

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