WEBKT

C++20 协程深度剖析:原理、应用与异步并发的未来

94 0 0 0

1. 协程的本质:可暂停与恢复的函数

1.1 协程的关键概念

1.2 协程的工作流程

2. C++20 协程的语法与特性

2.1 co_return:返回值并结束协程

2.2 co_yield:生成值并暂停协程

2.3 co_await:等待异步操作完成

2.4 自定义 Promise 对象和 Awaitable 对象

3. 协程的应用场景

3.1 协程在异步 I/O 中的应用

3.2 协程在并发任务中的应用

4. 协程的优势与劣势

4.1 优势

4.2 劣势

5. 协程的未来发展

6. 总结

7. 实践建议

8. 常见问题

作为一名 C++ 开发者,你是否还在为异步编程的复杂性而苦恼?传统的回调地狱、多线程锁竞争,是否让你感觉力不从心?C++20 引入的协程(Coroutines)正是解决这些问题的利器。它以更轻量级、更易于理解的方式,实现了异步编程和并发编程,极大地提升了代码的可读性和可维护性。

本文将带你深入了解 C++20 协程的原理、应用场景,并分析其在异步并发编程中的优劣势。无论你是已经对协程有所了解,还是初次接触,相信都能从中获益。

1. 协程的本质:可暂停与恢复的函数

简单来说,协程是一种可以暂停执行,并在稍后恢复执行的函数。与传统函数不同,协程在暂停时不会导致线程阻塞,而是将执行权交给其他协程或调度器。这种特性使得协程能够在单个线程内实现并发,避免了多线程带来的锁竞争和上下文切换开销。

1.1 协程的关键概念

  • 协程函数(Coroutine Function): 包含 co_returnco_yieldco_await 关键字的函数。这些关键字标志着函数可以被挂起和恢复。
  • Promise 对象(Promise Object): 协程的“管家”,负责管理协程的状态、返回值和异常。它定义了协程的行为,例如如何挂起、恢复和完成。
  • Coroutine Handle: 一个轻量级的句柄,用于控制协程的生命周期,例如恢复协程的执行或销毁协程。
  • Awaitable 对象: 用于表示一个异步操作。当协程遇到 co_await 表达式时,它会挂起,直到 Awaitable 对象表示的异步操作完成。

1.2 协程的工作流程

  1. 调用协程函数: 当你调用一个协程函数时,编译器会生成一个 Promise 对象,并将其传递给协程函数。
  2. 协程开始执行: 协程函数开始执行,直到遇到 co_awaitco_yieldco_return 关键字。
  3. 协程挂起: 当协程遇到 co_await 表达式时,它会检查 Awaitable 对象是否已经准备好。如果未准备好,协程将挂起,并将执行权交给调度器。
  4. 异步操作完成: 当 Awaitable 对象表示的异步操作完成时,调度器会恢复协程的执行。
  5. 协程恢复执行: 协程从 co_await 表达式处恢复执行,并获取异步操作的结果。
  6. 协程完成: 当协程执行到 co_return 语句时,它将返回值存储在 Promise 对象中,并通知调度器协程已完成。

2. C++20 协程的语法与特性

2.1 co_return:返回值并结束协程

co_return 语句用于从协程函数返回值,并结束协程的执行。它的语法与 return 语句类似,但有一些关键的区别:

  • co_return 语句只能在协程函数中使用。
  • co_return 语句会将返回值存储在 Promise 对象中。
  • co_return 语句会通知调度器协程已完成。
pp
#include <iostream>
#include <coroutine>
struct ReturnObject {
struct promise_type {
ReturnObject get_return_object() { return {}; }
std::suspend_never initial_suspend() { return {}; }
std::suspend_never final_suspend() noexcept { return {}; }
void return_void() {}
void unhandled_exception() {}
};
};
ReturnObject MyCoroutine() {
std::cout << "Coroutine started\n";
co_return;
std::cout << "Coroutine finished\n"; // This line will not be executed
}
int main() {
MyCoroutine();
std::cout << "Main function finished\n";
return 0;
}

2.2 co_yield:生成值并暂停协程

co_yield 语句用于生成一个值,并将协程挂起。它的语法类似于 return 语句,但有一些关键的区别:

  • co_yield 语句只能在协程函数中使用。
  • co_yield 语句会将生成的值存储在 Promise 对象中。
  • co_yield 语句会暂停协程的执行,并将执行权交给调用者。
  • 调用者可以通过 resume() 方法恢复协程的执行,并获取下一个生成的值。
#include <iostream>
#include <coroutine>
struct Generator {
struct promise_type {
int value_;
std::exception_ptr exception_;
Generator get_return_object() {
return Generator{std::coroutine_handle<promise_type>::from_promise(*this)};
}
std::suspend_never initial_suspend() { return {}; }
std::suspend_always final_suspend() noexcept { return {}; }
void unhandled_exception() { exception_ = std::current_exception(); }
void return_void() {}
std::suspend_always yield_value(int value) {
value_ = value;
return {};
}
};
std::coroutine_handle<promise_type> coroutine_;
Generator(std::coroutine_handle<promise_type> coroutine) : coroutine_(coroutine) {}
~Generator() {
if (coroutine_) {
coroutine_.destroy();
}
}
struct iterator {
std::coroutine_handle<promise_type> coroutine_;
iterator(std::coroutine_handle<promise_type> coroutine) : coroutine_(coroutine) {}
iterator& operator++() {
coroutine_.resume();
return *this;
}
bool operator!=(const iterator& other) {
return !coroutine_.done();
}
int operator*() {
return coroutine_.promise().value_;
}
};
iterator begin() {
coroutine_.resume();
return iterator(coroutine_);
}
iterator end() { return iterator{nullptr}; }
};
Generator GenerateNumbers(int max) {
for (int i = 0; i < max; ++i) {
co_yield i;
}
}
int main() {
for (int number : GenerateNumbers(5)) {
std::cout << number << std::endl;
}
return 0;
}

2.3 co_await:等待异步操作完成

co_await 表达式用于等待一个 Awaitable 对象表示的异步操作完成。当协程遇到 co_await 表达式时,它会挂起,直到 Awaitable 对象准备好。co_await 是协程实现异步编程的关键。

#include <iostream>
#include <coroutine>
#include <future>
struct MyAwaitable {
std::future<int> future_;
bool await_ready() { return future_.is_ready(); }
void await_suspend(std::coroutine_handle<> handle) {
future_.then([handle](auto) { handle.resume(); });
}
int await_resume() { return future_.get(); }
};
std::future<int> ComputeValueAsync() {
return std::async(std::launch::async, []() { return 42; });
}
std::coroutine_handle<> global_handle;
struct Task {
struct promise_type {
Task get_return_object() {
return Task{std::coroutine_handle<promise_type>::from_promise(*this)};
}
std::suspend_never initial_suspend() noexcept { return {}; }
std::suspend_always final_suspend() noexcept { return {}; }
void return_void() {}
void unhandled_exception() {}
};
std::coroutine_handle<promise_type> handle;
Task(std::coroutine_handle<promise_type> h) : handle(h) {}
~Task() {
if (handle) handle.destroy();
}
};
Task MyCoroutine() {
MyAwaitable awaitable{ComputeValueAsync()};
int result = co_await awaitable;
std::cout << "Result: " << result << std::endl;
}
int main() {
MyCoroutine();
return 0;
}

2.4 自定义 Promise 对象和 Awaitable 对象

C++20 协程提供了强大的自定义能力,你可以通过自定义 Promise 对象和 Awaitable 对象来控制协程的行为。

  • 自定义 Promise 对象: 你可以定义自己的 Promise 对象来管理协程的状态、返回值和异常。你需要实现 Promise 对象的以下方法:
    • get_return_object():返回一个 Coroutine Handle,用于控制协程的生命周期。
    • initial_suspend():决定协程在开始执行时是否挂起。
    • final_suspend():决定协程在结束执行时是否挂起。
    • return_void()return_value(value):处理协程的返回值。
    • unhandled_exception():处理协程中未处理的异常。
    • yield_value(value): 处理 co_yield 语句生成的值。
  • 自定义 Awaitable 对象: 你可以定义自己的 Awaitable 对象来表示异步操作。你需要实现 Awaitable 对象的以下方法:
    • await_ready():检查异步操作是否已经准备好。
    • await_suspend(std::coroutine_handle<> handle):挂起协程,并将执行权交给调度器。
    • await_resume():恢复协程的执行,并获取异步操作的结果。

3. 协程的应用场景

协程在异步编程和并发编程中有着广泛的应用,以下是一些常见的应用场景:

  • 异步 I/O: 协程可以用于处理异步 I/O 操作,例如网络请求、文件读写等。通过使用协程,你可以避免阻塞线程,提高程序的响应速度。
  • 并发任务: 协程可以用于执行并发任务,例如并行计算、图像处理等。通过使用协程,你可以充分利用多核 CPU 的性能,提高程序的执行效率。
  • 事件驱动编程: 协程可以用于实现事件驱动编程模型。通过使用协程,你可以将事件处理逻辑与事件循环分离,提高代码的可读性和可维护性。
  • 游戏开发: 协程可以用于实现游戏中的 AI、动画、物理模拟等功能。通过使用协程,你可以简化游戏逻辑,提高游戏性能。
  • Web 服务器: 协程可以用于构建高性能的 Web 服务器。通过使用协程,你可以处理大量的并发请求,提高服务器的吞吐量。

3.1 协程在异步 I/O 中的应用

传统的异步 I/O 通常使用回调函数来实现,这会导致代码难以理解和维护。协程可以简化异步 I/O 的代码,使其更易于理解和维护。

例如,以下代码使用协程实现了一个简单的异步文件读取操作:

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <string>
#include <future>
#include <coroutine>
struct AwaitableFileRead {
std::string filename;
std::string content;
std::promise<void> promise;
bool await_ready() const { return false; }
void await_suspend(std::coroutine_handle<> h) {
std::ifstream file(filename);
if (file.is_open()) {
std::string line;
while (getline(file, line)) {
content += line + "\n";
}
file.close();
promise.set_value();
} else {
promise.set_exception(std::make_exception_ptr(std::runtime_error("Could not open file")));
}
h.resume();
}
std::string await_resume() {
promise.get_future().get();
return content;
}
};
struct Task {
struct promise_type {
Task get_return_object() {
return Task{std::coroutine_handle<promise_type>::from_promise(*this)};
}
std::suspend_never initial_suspend() noexcept { return {}; }
std::suspend_always final_suspend() noexcept { return {}; }
void return_void() {}
void unhandled_exception() {}
};
std::coroutine_handle<promise_type> handle;
Task(std::coroutine_handle<promise_type> h) : handle(h) {}
~Task() {
if (handle) handle.destroy();
}
};
Task ReadFileAsync(const std::string& filename) {
AwaitableFileRead awaitable{filename};
std::string content = co_await awaitable;
std::cout << "File content: " << content << std::endl;
}
int main() {
ReadFileAsync("example.txt");
return 0;
}

3.2 协程在并发任务中的应用

协程可以用于执行并发任务,例如并行计算、图像处理等。通过使用协程,你可以充分利用多核 CPU 的性能,提高程序的执行效率。

例如,以下代码使用协程实现了一个简单的并行计算操作:

#include <iostream>
#include <vector>
#include <numeric>
#include <future>
#include <coroutine>
struct AwaitableCalculation {
int start;
int end;
std::promise<int> promise;
bool await_ready() const { return false; }
void await_suspend(std::coroutine_handle<> h) {
int sum = 0;
for (int i = start; i <= end; ++i) {
sum += i;
}
promise.set_value(sum);
h.resume();
}
int await_resume() { return promise.get_future().get(); }
};
struct Task {
struct promise_type {
Task get_return_object() {
return Task{std::coroutine_handle<promise_type>::from_promise(*this)};
}
std::suspend_never initial_suspend() noexcept { return {}; }
std::suspend_always final_suspend() noexcept { return {}; }
void return_void() {}
void unhandled_exception() {}
};
std::coroutine_handle<promise_type> handle;
Task(std::coroutine_handle<promise_type> h) : handle(h) {}
~Task() {
if (handle) handle.destroy();
}
};
Task CalculateSumAsync(int start, int end) {
AwaitableCalculation awaitable{start, end};
int sum = co_await awaitable;
co_return;
}
int main() {
std::vector<Task> tasks;
int num_tasks = 4;
int total_sum = 0;
int chunk_size = 100 / num_tasks;
for (int i = 0; i < num_tasks; ++i) {
int start = i * chunk_size + 1;
int end = (i == num_tasks - 1) ? 100 : (i + 1) * chunk_size;
tasks.push_back(CalculateSumAsync(start, end));
}
// Wait for all tasks to complete (this is a simplified example, proper synchronization would be needed)
for (auto& task : tasks) {
task.handle.resume();
}
std::cout << "Total sum: " << total_sum << std::endl;
return 0;
}

4. 协程的优势与劣势

4.1 优势

  • 更高的性能: 协程避免了多线程带来的锁竞争和上下文切换开销,可以提高程序的性能。
  • 更简单的代码: 协程可以简化异步编程的代码,使其更易于理解和维护。
  • 更好的可读性: 协程可以使异步代码看起来像同步代码,提高代码的可读性。
  • 更好的可维护性: 协程可以使异步代码更易于测试和调试,提高代码的可维护性。

4.2 劣势

  • 学习曲线: 协程的概念和语法相对复杂,需要一定的学习成本。
  • 调试困难: 协程的调试相对困难,因为协程的执行流程不是线性的。
  • 库支持: 目前,C++20 协程的库支持还不够完善,需要自己实现一些常用的 Awaitable 对象。
  • 栈空间限制: 协程的栈空间有限,如果协程中使用了大量的局部变量,可能会导致栈溢出。

5. 协程的未来发展

C++20 协程是一个非常有前景的技术,它将极大地简化异步编程和并发编程。随着 C++20 的普及,协程将在越来越多的领域得到应用。

未来,我们可以期待以下发展:

  • 更完善的库支持: 随着 C++ 标准库的不断完善,将会提供更多常用的 Awaitable 对象,例如网络 I/O、文件 I/O 等。
  • 更好的调试工具: 随着调试工具的不断发展,将会提供更好的协程调试支持,例如可以跟踪协程的执行流程、查看协程的状态等。
  • 更广泛的应用: 随着协程的普及,它将在越来越多的领域得到应用,例如游戏开发、Web 服务器、人工智能等。

6. 总结

C++20 协程是一个强大的工具,可以帮助你编写更高效、更易于理解和维护的异步并发代码。虽然协程有一定的学习成本,但它的优势是显而易见的。如果你正在进行异步编程或并发编程,不妨尝试一下 C++20 协程,相信它会给你带来惊喜。

希望本文能够帮助你更好地理解 C++20 协程的原理、应用和未来发展。如果你有任何问题或建议,欢迎在评论区留言。

7. 实践建议

  • 从简单的例子开始: 学习协程最好的方法是从简单的例子开始,例如打印一条消息、生成一个数字序列等。
  • 阅读官方文档和示例代码: C++ 官方文档和示例代码是学习协程的重要资源。
  • 尝试使用现有的协程库: 如果你不想自己实现 Awaitable 对象,可以尝试使用现有的协程库,例如 cppcoro。
  • 参与社区讨论: 参与 C++ 社区的讨论,可以帮助你更好地理解协程,并解决遇到的问题。
  • 在实际项目中应用协程: 只有在实际项目中应用协程,才能真正掌握协程的使用方法。

8. 常见问题

  • 协程和线程有什么区别?
    • 线程是操作系统调度的最小单元,而协程是用户态的轻量级线程。
    • 线程的切换需要操作系统内核的参与,开销较大,而协程的切换只需要用户态的上下文切换,开销较小。
    • 线程可以并行执行,而协程只能在单个线程内并发执行。
  • 协程和回调函数有什么区别?
    • 回调函数是一种事件驱动的编程模型,而协程是一种基于挂起和恢复的编程模型。
    • 回调函数会导致代码难以理解和维护,而协程可以简化异步代码,使其更易于理解和维护。
    • 回调函数容易产生回调地狱,而协程可以避免回调地狱。
  • 协程的栈空间有多大?
    • 协程的栈空间大小取决于编译器和操作系统的实现。
    • 一般来说,协程的栈空间比线程的栈空间小,因此在使用协程时需要注意栈溢出的问题。
  • 如何调试协程?
    • 协程的调试相对困难,因为协程的执行流程不是线性的。
    • 可以使用调试器来跟踪协程的执行流程,查看协程的状态。
    • 可以使用日志来记录协程的执行过程,帮助定位问题。

希望这些常见问题解答能够帮助你更好地理解 C++20 协程。

AsyncMaster C++20协程异步编程

评论点评

打赏赞助
sponsor

感谢您的支持让我们更好的前行

分享

QRcode

https://www.webkt.com/article/9271