1、協(xié)程是什么  

協(xié)程可以理解為特?cái)?shù)的函數(shù)，即可掛起與恢復(fù)的函數(shù)，而我們的普通函數(shù)只能一直執(zhí)行到底，有沒(méi)有感覺(jué)比普通的函數(shù)更厲害一些？協(xié)程一般都可以被劃分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是有棧(tickful) 協(xié)程，例如goroutine，libco等；另一類(lèi)是無(wú)棧(stackless)協(xié)程，例如C++、C#等。

這里說(shuō)明一點(diǎn)，所謂的有棧、無(wú)棧并不是說(shuō)這個(gè)協(xié)程運(yùn)行的時(shí)候有沒(méi)有棧，而是說(shuō)協(xié)程之間是否存在調(diào)用棧，C++20協(xié)程是屬于后者，協(xié)程之間調(diào)用就是通過(guò)在堆上分配協(xié)程幀空間實(shí)現(xiàn)的。

2、C++20協(xié)程 

C++ 20標(biāo)準(zhǔn)引入了協(xié)程(coroutine)從此C++進(jìn)入了協(xié)程時(shí)代，不過(guò)C++20協(xié)程只是包含了編譯器需要的底層功能，開(kāi)發(fā)者使用相對(duì)復(fù)雜一些，進(jìn)行封裝后才可以進(jìn)一步使用。

2.1 C++20協(xié)程整體流程

下面我們看一下C++20協(xié)程的整體執(zhí)行流程：

圖1

針對(duì)上圖1中的每個(gè)模塊釋義如下：

0、開(kāi)始執(zhí)行協(xié)程；

1、首先在堆上分配協(xié)程幀，大小包括實(shí)參大小，局部變量大小（包括寄存器），promise_type對(duì)象大小，協(xié)程狀態(tài)等；

2、把協(xié)程的實(shí)參拷貝到協(xié)程幀中；

3、構(gòu)造promise_type對(duì)象，promise_type構(gòu)造函數(shù)如果與協(xié)程的構(gòu)造函數(shù)完全一致，那么調(diào)用這個(gè)構(gòu)造函數(shù)，否則調(diào)用默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)；

4、通過(guò)promise_type對(duì)象來(lái)構(gòu)造協(xié)程的返回類(lèi)型Corouting_obj對(duì)象；

5、執(zhí)行表達(dá)式co_awaitpromise_type.inintial_suspend()，可以掛起，此處為定制點(diǎn)，可以自定義協(xié)程行為；

6、如果協(xié)程在initial_suspend處掛起了，則需要等待回復(fù)進(jìn)行執(zhí)行；

7、協(xié)程函數(shù)體代碼執(zhí)行；

8、通過(guò)co_return語(yǔ)句返回時(shí)，將轉(zhuǎn)換成對(duì)promise_type類(lèi)型的return_void或return_value接口進(jìn)行調(diào)用，二者選其中之一。具體看co_return后面跟著的表達(dá)式，如果沒(méi)有表達(dá)式或者是void，轉(zhuǎn)換為return_void，否則轉(zhuǎn)換為return_value。co_return語(yǔ)句表示這個(gè)協(xié)程即將結(jié)束其生命期；

9、協(xié)程體內(nèi)發(fā)生了異常，由unhandled_exception接口對(duì)異常進(jìn)行處理；

10、final_suspend允許協(xié)程結(jié)束前掛起，當(dāng)協(xié)程體內(nèi)拋出異常或者通過(guò)co_return返回時(shí)都將到達(dá)這個(gè)掛起點(diǎn)，可以自定義行為，但不能拋出異常，所以實(shí)現(xiàn)時(shí)需要被修飾為noexcept；

11、堆內(nèi)存申請(qǐng)失敗，處理異常函數(shù)

promise_type::get_return_object_on_allocation_failure()；

2.2 C++20協(xié)程特點(diǎn)

2.1節(jié)介紹了C++協(xié)程的整個(gè)執(zhí)行過(guò)程，那么c++20為開(kāi)發(fā)者實(shí)現(xiàn)協(xié)程又提供了哪些新的關(guān)鍵詞、 以及什么樣的函數(shù)看作是協(xié)程而不是普通函數(shù)呢？下面我們簡(jiǎn)單介紹一下C++20協(xié)程一些特點(diǎn)：

1、如果函數(shù)中包含了co_return, co_await, co_yield中的任意一個(gè)，這個(gè)函數(shù)就會(huì)被當(dāng)作協(xié)程來(lái)處理；

2、協(xié)程被掛起后那么其局部變量或狀態(tài)等需要被保存下來(lái)，通過(guò)操作協(xié)程句柄（corouting_handle)來(lái)管理寫(xiě)協(xié)程。協(xié)程句柄是一個(gè)對(duì)象，包含了分配在堆上協(xié)程幀指針和一些操作協(xié)程成員函數(shù)；

3、協(xié)程中promise_type類(lèi)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(xié)程被調(diào)用時(shí)生效；

4、co_await表達(dá)式涉及了awaitable對(duì)象、awaiter對(duì)象相關(guān)概念，可以通過(guò)定義await_transform函數(shù)得到awaitable對(duì)象，可以通過(guò)重載operator co_await操作符得到awaiter對(duì)象；

2.3 C++20協(xié)程使用示例代碼

下面我們通過(guò)協(xié)程實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的生成器（Generator)，具體代碼示例如下，代碼親測(cè)可跑，只要支持C++20特性的C++編譯器即可：

#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(gè)協(xié)程object，函數(shù)get_number滿足C++20協(xié)程特性使用了co_yield，因此是一個(gè)協(xié)程，而不是普通函數(shù)。執(zhí)行結(jié)果如下：

3、總結(jié) 

C++20只是提供了簡(jiǎn)單的協(xié)程特性，開(kāi)發(fā)人員如果要用到生產(chǎn)環(huán)境，就需要自己開(kāi)發(fā)相關(guān)庫(kù)，相對(duì)難度較大一些，在未來(lái)我們可以期待有更多更好的協(xié)程庫(kù) 進(jìn)入后續(xù)的C++標(biāo)準(zhǔn)(C++23, C++26), 這樣開(kāi)發(fā)人員更好的使用協(xié)程了。