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C語(yǔ)言中實(shí)現(xiàn)協(xié)程案例

更新時(shí)間：2021年07月02日 16:42:23 作者：adinosaur

這篇文章主要介紹了C語(yǔ)言中實(shí)現(xiàn)協(xié)程案例,本文通過(guò)將協(xié)程與線程和異步回調(diào)進(jìn)行對(duì)比,以及具體實(shí)現(xiàn)案例,以下就是詳細(xì)內(nèi)容,需要的朋友可以參考下

協(xié)程是一種用戶空間的非搶占式線程，主要用來(lái)解決等待大量的IO操作的問(wèn)題。

協(xié)程vs線程

對(duì)比使用多線程來(lái)解決IO阻塞任務(wù)，使用協(xié)程的好處是不用加鎖，訪問(wèn)共享的數(shù)據(jù)不用進(jìn)行同步操作。這里需要說(shuō)明的一點(diǎn)是，使用協(xié)程之所以不需要加鎖不是因?yàn)樗械膮f(xié)程只在一個(gè)線程中運(yùn)行，而是因?yàn)閰f(xié)程的非搶占式的特點(diǎn)。也就是說(shuō)，使用協(xié)程的話，在沒(méi)主動(dòng)交出CPU之前都是不會(huì)被突然切換到其它協(xié)程上的。而線程是搶占式的，使用多線程你是不能確定你的線程什么時(shí)候被操作系統(tǒng)調(diào)度，什么時(shí)候被切換，因此需要用鎖到實(shí)現(xiàn)一種“原子操作”的語(yǔ)義。

協(xié)程vs異步回調(diào)

其實(shí)更一般更常見(jiàn)的做法是，使用非阻塞的IO（比如是異步IO，又或者是在syscall上自己實(shí)現(xiàn)的一套異步IO，如asio）并且將處理操作寫在回調(diào)函數(shù)中。這樣的做法一般沒(méi)什么問(wèn)題，但當(dāng)回調(diào)函數(shù)變多，一段連貫的業(yè)務(wù)代碼就會(huì)被拆分到多個(gè)回調(diào)函數(shù)之中，增加維護(hù)的成本。因此使用協(xié)程可以用同步的寫法寫出效果相當(dāng)于是異步的代碼。

利用static變量實(shí)現(xiàn)協(xié)程

要實(shí)現(xiàn)一個(gè)協(xié)程，主要的問(wèn)題是如何保存函數(shù)調(diào)用的上下文。之前在網(wǎng)上看到一篇博客coroutines in c，用一種非常簡(jiǎn)潔的方式實(shí)現(xiàn)了這個(gè)保存上下文的功能。實(shí)現(xiàn)代碼如下：

#define crBegin static int _cr_state = 0; switch(_cr_state) { case 0:
#define crReturn(x) do { _cr_state = __LINE__; return x; case __LINE__:; } while (0)
#define crFinish }

int func1() {
    crBegin
    while (1)
    {
        printf("hello world\n");
        crReturn(0);
    }
    crFinish
}

這個(gè)代碼利用了函數(shù)的static變量來(lái)保存函數(shù)調(diào)用狀態(tài)。注意，由于vs2013有一個(gè)調(diào)試特性，所以vs2013的__LINE__的實(shí)現(xiàn)不是常量因此會(huì)編譯不通過(guò)，使用gcc就可以編譯。這段代碼簡(jiǎn)單是簡(jiǎn)單但是有問(wèn)題，比如說(shuō)如果兩個(gè)協(xié)程調(diào)用同一個(gè)函數(shù)，就會(huì)出錯(cuò)。因此博客里面提及這段代碼主要是給出一個(gè)思路，如果實(shí)際使用的話這樣子肯定是不行的。

利用setjmp、longjmp實(shí)現(xiàn)協(xié)程

前面說(shuō)過(guò)，實(shí)現(xiàn)協(xié)程最主要的是保存函數(shù)的調(diào)用的上下文，而這些上下文主要就兩個(gè)部分：1.各個(gè)寄存器的值，2.函數(shù)調(diào)用棧。C語(yǔ)言里可以通過(guò)setjmp來(lái)保存函數(shù)調(diào)用時(shí)，各寄存器的值。保存之后，便可以通過(guò)longjmp重現(xiàn)回到當(dāng)初setjmp的地方（可以理解成跨函數(shù)的goto）。但是，需要注意的是，setjmp僅負(fù)責(zé)保存寄存器的值，不負(fù)責(zé)維護(hù)其函數(shù)調(diào)用棧（這個(gè)看看setjmp的jmp_buf的結(jié)構(gòu)就知道了），因此必須由使用者來(lái)手動(dòng)的維護(hù)這個(gè)函數(shù)調(diào)用棧。使用setjmp、longjmp的一個(gè)常見(jiàn)的錯(cuò)誤就是，嘗試去longjmp到一個(gè)已經(jīng)執(zhí)行完的函數(shù)，這時(shí)候雖然寄存器的值是當(dāng)時(shí)保存的值，但是調(diào)用棧已經(jīng)不是原來(lái)的調(diào)用棧了。

而我的做法是，在創(chuàng)建一個(gè)協(xié)程的時(shí)候在堆上申請(qǐng)一塊空間（大小為2M）作為協(xié)程的調(diào)用棧，然后在setjmp的時(shí)候，手動(dòng)更改寄存器esp的值，使其指向這個(gè)我自己創(chuàng)建的調(diào)用棧。因此在以后運(yùn)行的時(shí)候，這個(gè)協(xié)程就會(huì)使用我提供的那塊內(nèi)存作為棧。

我的這個(gè)協(xié)程庫(kù)提供了三個(gè)接口：

coro_new：創(chuàng)建一個(gè)協(xié)程
coro_yield：將控制權(quán)返回給調(diào)度協(xié)程
coro_main：運(yùn)行調(diào)度協(xié)程

協(xié)程的控制流程如下：

通過(guò)coro_main運(yùn)行調(diào)度協(xié)程，并找出下一個(gè)運(yùn)行的協(xié)程，運(yùn)行之。
運(yùn)行這個(gè)協(xié)程直到其調(diào)用coro_yield將控制權(quán)返還給調(diào)度協(xié)程。
重復(fù)以上兩個(gè)步驟，直到所有協(xié)程運(yùn)行完畢。

這個(gè)協(xié)程庫(kù)實(shí)現(xiàn)的非常簡(jiǎn)單，只有100來(lái)行的代碼，當(dāng)然實(shí)現(xiàn)它的目的是為了提供一個(gè)最簡(jiǎn)單的協(xié)程模型，而不是一個(gè)功能完整、魯棒性強(qiáng)的能投入實(shí)際業(yè)務(wù)運(yùn)行的協(xié)程。

因此問(wèn)題還是有很多的：

比如當(dāng)在協(xié)程里面調(diào)用棧超過(guò)2M時(shí)，這個(gè)是需要處理的，現(xiàn)在的代碼是沒(méi)有做的，理應(yīng)中斷程序，避免寫壞堆，產(chǎn)生隨機(jī)的不可重現(xiàn)的問(wèn)題。
顯然在實(shí)現(xiàn)時(shí)沒(méi)有考慮到多線程，如果在多線程環(huán)境里面運(yùn)行，需要代碼做同步處理。
現(xiàn)在的這個(gè)版本的協(xié)程有一個(gè)約定，在協(xié)程里調(diào)用的函數(shù)不能阻塞在syscall，這顯然也是不科學(xué)的。一個(gè)完整的協(xié)程庫(kù)，應(yīng)該包含一些常用的syscall的非阻塞的實(shí)現(xiàn)，畢竟只有一個(gè)線程不能真的阻塞在這個(gè)調(diào)用上。

總結(jié)

當(dāng)然實(shí)現(xiàn)協(xié)程還有比較一些更好的方法，比如如果能用glibc的ucontext庫(kù)就可以基于這個(gè)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而不用自己手動(dòng)管理函數(shù)調(diào)用的上下文了，如云風(fēng)實(shí)現(xiàn)的協(xié)程庫(kù)。

到此這篇關(guān)于C語(yǔ)言中實(shí)現(xiàn)協(xié)程案例的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)協(xié)程內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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