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协程Coroutine是程序组件可以在执行过程中暂停并在稍后继续执行。与传统的子例程如函数或过程不同子例程一旦调用必须等其返回后才能继续执行调用它的代码。协程则可以在执行过程中暂停将控制权交还给调用者并且可以在稍后从暂停的地方继续执行。
协程的关键特性包括
可以在执行过程中暂停和恢复这使得协程能够在需要的时候让出控制权然后在适当的时候恢复执行。保持状态协程在暂停时会保存其当前的执行状态包括局部变量和程序计数器在恢复时可以从上次暂停的地方继续执行。协同调度协程由程序显式控制切换通常不依赖于操作系统内核的调度器减少了上下文切换的开销。
适用场景
协程特别适用于以下场景
I/O密集型任务协程可以在等待I/O操作完成时暂停执行而不阻塞线程从而提高并发性能。异步编程协程使得异步编程更加直观和简洁通过异步函数和等待机制可以避免复杂的回调地狱。生成器和迭代器协程可以用来实现生成器允许在迭代过程中产生值并在下次调用时继续执行。协作式多任务协程可以用于实现轻量级的任务调度通过显式的控制切换实现多任务的协作运行。状态机协程可以通过暂停和恢复的机制自然地实现复杂的状态机逻辑。
C中的协程
C20标准引入了对协程的支持使得开发者可以使用协程来简化异步编程和并发任务。C协程的基本概念包括
协程函数以co_return结束的函数可以包含co_await表达式。协程句柄表示协程的当前状态允许暂停和恢复执行。承诺类型Promise Type定义了协程的行为包括创建、暂停和恢复协程的方法。
示例代码
以下是一个使用C20协程的简单示例
#include iostream
#include coroutine
#include thread
#include chronostruct Timer {struct promise_type;using handle_type std::coroutine_handlepromise_type;struct promise_type {Timer get_return_object() { return {}; }std::suspend_always initial_suspend() { return {}; }std::suspend_always final_suspend() noexcept { return {}; }void return_void() {}void unhandled_exception() { std::terminate(); }};std::chrono::milliseconds duration;Timer(std::chrono::milliseconds duration) : duration(duration) {}bool await_ready() const { return false; }void await_suspend(std::coroutine_handle h) const {std::thread([h, duration this-duration]() {std::this_thread::sleep_for(duration);h.resume();}).detach();}void await_resume() {}
};Timer sleep_for(std::chrono::milliseconds duration) {return Timer(duration);
}struct MyCoroutine {struct promise_type {MyCoroutine get_return_object() { return {}; }std::suspend_never initial_suspend() { return {}; }std::suspend_always final_suspend() noexcept { return {}; }void return_void() {}void unhandled_exception() { std::terminate(); }};
};MyCoroutine my_coroutine() {std::cout Hello, ;co_await sleep_for(std::chrono::seconds(1));std::cout World! std::endl;
}int main() {auto coroutine my_coroutine();std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));return 0;
}解释
promise_type定义协程的行为包括初始挂起和最终挂起、返回值和异常处理。co_await用于暂停协程的执行。awaiter结构体定义了挂起和恢复协程的逻辑。resume用于恢复协程的执行。
适用需求场景
网络编程协程非常适合处理大量的并发连接例如实现高性能的网络服务器。实时系统协程可以用于实现协作式调度满足实时系统对低延迟和高响应性的需求。游戏开发游戏开发中的许多逻辑可以通过协程简化例如处理动画、AI决策和物理模拟等。文件和数据库I/O任何需要异步处理文件I/O或数据库操作的场景都可以通过协程来简化代码和提高性能。并行计算协程可以用于实现并行计算任务例如数据处理和科学计算充分利用多核处理器的能力。
通过使用协程C开发者可以编写更加简洁、高效的异步代码同时减少上下文切换带来的开销提升程序的并发性能。
