C++20 协程？异步编程的新选择，高性能背后的秘密

2025/4/30 16:03:57 55 0 0 0

C++20 协程？异步编程的新选择，高性能背后的秘密

各位看官，咱们今天聊点硬核的——C++20 引入的协程（Coroutines）。估计不少人听到“协程”俩字儿就头大，觉得这玩意儿玄乎。但说白了，它就是一种更轻量级的线程，能让你写出更高性能的异步代码。

一、啥是协程？别被名字吓跑！

先别急着啃那些晦涩的概念。咱们用大白话解释一下：

线程（Thread）： 操作系统级别的，创建、切换、销毁都挺费劲。就像你同时开多个应用程序，每个程序都在一个独立的“房间”（线程）里运行，操作系统负责分配资源和调度。
协程（Coroutine）： 用户态的“轻量级线程”，切换开销极小，由程序员自己控制。相当于你在一个大房间里，用“障眼法”快速切换不同的工作台，表面上看起来好像同时在做多件事儿。

关键区别在于，线程切换需要操作系统介入，协程切换完全在用户态完成，避免了昂贵的系统调用，性能自然就上去了。

二、C++20 协程：异步编程的新姿势

C++20 引入协程，主要为了解决异步编程的痛点。传统的异步编程，要么用回调函数，一层套一层，代码可读性极差；要么用多线程，但线程管理复杂，资源消耗大。

协程的优势在于：

同步代码风格： 你可以用看似同步的代码，写出异步的逻辑，告别“回调地狱”。
高性能： 协程切换开销小，能充分利用 CPU 资源，提高程序并发能力。
更好的控制： 程序员可以更精细地控制协程的调度，优化程序性能。

三、协程的工作原理：状态机转换的艺术

协程的本质是一个状态机。当协程执行到 co_await、co_yield 或 co_return 语句时，就会挂起（suspend），保存当前状态，让出 CPU。等待条件满足后，再恢复（resume）执行。

这个过程有点像玩游戏时的“存档”和“读档”。你在游戏里打到某个关卡，存档，然后去做别的事儿。等你想继续玩的时候，读档，游戏恢复到之前的状态，你接着玩。

C++20 协程的实现依赖于三个关键字：

co_await：挂起协程，等待异步操作完成。
co_yield：挂起协程，产生一个值（用于生成器）。
co_return：结束协程，返回值。

四、实战演练：用协程实现异步 HTTP 请求

光说不练假把式。咱们用一个例子，演示如何用协程实现异步 HTTP 请求。

 #include <iostream>
#include <future>
#include <chrono>
#include <boost/asio.hpp>
#include <boost/asio/co_spawn.hpp>
 
using namespace boost::asio;
using namespace boost::asio::ip;
 
// 模拟一个耗时的异步操作
std::future<std::string> async_http_get(const std::string& host, const std::string& path, io_context& io_context) {
    std::promise<std::string> promise;
    auto future = promise.get_future();
 
    co_spawn(io_context, [&, h = host, p = path]() -> awaitable<void> {
        try {
            tcp::resolver resolver(io_context);
            tcp::socket socket(io_context);
 
            auto endpoints = resolver.resolve(h);
            co_await async_connect(socket, endpoints, use_awaitable);
 
            std::string request = "GET " + p + " HTTP/1.1\r\n" +
                                      "Host: " + h + "\r\n" +
                                      "Connection: close\r\n\r\n";
 
            co_await async_write(socket, buffer(request), use_awaitable);
 
            std::string response;
            boost::asio::streambuf buffer;
            boost::system::error_code error;
            while (boost::asio::read(socket, buffer, error)) {
                response += boost::asio::buffer_cast<const char*>(buffer.data());
                buffer.consume(buffer.size());
                if (error == boost::asio::error::eof)
                    break;
            }
 
            promise.set_value(response);
        } catch (std::exception& e) {
            promise.set_exception(std::make_exception_ptr(e));
        }
    }, detached);
 
    return future;
}
 
int main() {
    io_context io_context;
 
    // 调用异步 HTTP 请求
    auto future = async_http_get("www.example.com", "/", io_context);
 
    // 让 io_context 运行，直到所有异步操作完成
    io_context.run();
 
    // 获取结果
    try {
        std::string result = future.get();
        std::cout << "Response:\n" << result << std::endl;
    } catch (const std::exception& e) {
        std::cerr << "Exception: " << e.what() << std::endl;
    }
 
    return 0;
}

代码解读：

async_http_get 函数返回一个 std::future<std::string>，表示异步操作的结果。
co_spawn 用于启动一个协程，在 io_context 中执行。
在协程内部，我们使用 co_await 等待 async_connect 和 async_write 完成。
io_context.run() 启动事件循环，驱动异步操作。
future.get() 获取异步操作的结果。

五、协程的优势：性能提升看得见

使用协程带来的性能提升，主要体现在以下几个方面：

减少线程切换开销： 协程切换不需要操作系统介入，开销极小。
提高 CPU 利用率： 协程可以在等待 I/O 操作时，让出 CPU，执行其他任务。
简化异步编程： 协程可以用同步的代码风格，写出异步的逻辑，提高代码可读性和可维护性。

六、协程的适用场景：哪些地方能用上？

协程特别适合以下场景：

高并发网络应用： 例如 Web 服务器、游戏服务器等，需要处理大量并发连接。
I/O 密集型应用： 例如文件服务器、数据库等，需要频繁进行 I/O 操作。
异步任务处理： 例如图像处理、视频编码等，需要将耗时任务放到后台执行。

七、协程的挑战：学习曲线有点陡

虽然协程有很多优点，但学习曲线也比较陡峭。你需要理解协程的工作原理，掌握 co_await、co_yield 和 co_return 的用法，才能写出高效的协程代码。

另外，协程的调试也比较困难。因为协程的执行流程比较复杂，不容易跟踪。

八、总结：拥抱协程，提升你的 C++ 技能

C++20 协程是一项强大的新特性，能让你写出更高性能、更易维护的异步代码。虽然学习曲线有点陡峭，但一旦掌握，你就能在并发编程领域更上一层楼。

希望这篇文章能帮你理解 C++20 协程。记住，不要被复杂的概念吓倒，多实践，多思考，你也能成为协程高手！

九、避坑指南：协程使用注意事项

理解 awaitable： 协程的核心在于 awaitable 对象。只有 awaitable 对象才能被 co_await。标准库提供了一些 awaitable，例如 std::future。你也可以自定义 awaitable，但需要实现 await_ready、await_suspend 和 await_resume 三个方法。
避免死锁： 在协程中，要避免死锁。例如，不要在一个协程中等待另一个协程完成，而另一个协程又在等待第一个协程。这会导致两个协程互相等待，永远无法完成。
注意异常处理： 协程中的异常处理比较特殊。如果一个协程抛出异常，而没有被捕获，程序会崩溃。因此，要在协程中做好异常处理。
谨慎使用 co_yield： co_yield 用于生成器。生成器会产生一个序列的值。如果你不需要生成序列，就不要使用 co_yield。
合理选择调度器： 协程需要一个调度器来执行。你可以选择标准库提供的调度器，也可以自定义调度器。合理选择调度器，可以提高协程的性能。

十、展望未来：协程的更多可能性

C++20 协程的引入，为 C++ 并发编程带来了新的可能性。随着协程的不断发展，相信未来会有更多基于协程的高性能库和框架出现。

例如：

基于协程的网络库： 可以提供更高效的网络 I/O。
基于协程的并发容器： 可以提供更高效的并发数据访问。
基于协程的 Actor 模型： 可以简化并发编程的复杂性。

让我们一起期待协程在 C++ 领域发挥更大的作用！

并发老司机 C++20 协程异步编程

	#include <iostream>
	#include <future>
	#include <chrono>
	#include <boost/asio.hpp>
	#include <boost/asio/co_spawn.hpp>

	using namespace boost::asio;
	using namespace boost::asio::ip;

	// 模拟一个耗时的异步操作
	std::future<std::string> async_http_get(const std::string& host, const std::string& path, io_context& io_context) {
	std::promise<std::string> promise;
	auto future = promise.get_future();

	co_spawn(io_context, [&, h = host, p = path]() -> awaitable<void> {
	try {
	tcp::resolver resolver(io_context);
	tcp::socket socket(io_context);

	auto endpoints = resolver.resolve(h);
	co_await async_connect(socket, endpoints, use_awaitable);

	std::string request = "GET " + p + " HTTP/1.1\r\n" +
	"Host: " + h + "\r\n" +
	"Connection: close\r\n\r\n";

	co_await async_write(socket, buffer(request), use_awaitable);

	std::string response;
	boost::asio::streambuf buffer;
	boost::system::error_code error;
	while (boost::asio::read(socket, buffer, error)) {
	response += boost::asio::buffer_cast<const char*>(buffer.data());
	buffer.consume(buffer.size());
	if (error == boost::asio::error::eof)
	break;
	}

	promise.set_value(response);
	} catch (std::exception& e) {
	promise.set_exception(std::make_exception_ptr(e));
	}
	}, detached);

	return future;
	}

	int main() {
	io_context io_context;

	// 调用异步 HTTP 请求
	auto future = async_http_get("www.example.com", "/", io_context);

	// 让 io_context 运行，直到所有异步操作完成
	io_context.run();

	// 获取结果
	try {
	std::string result = future.get();
	std::cout << "Response:\n" << result << std::endl;
	} catch (const std::exception& e) {
	std::cerr << "Exception: " << e.what() << std::endl;
	}

	return 0;
	}

C++20 协程？异步编程的新选择，高性能背后的秘密

C++20 协程？异步编程的新选择，高性能背后的秘密

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