C語言怎么實現(xiàn)協(xié)程

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

協(xié)程vs線程

對比使用多線程來解決IO阻塞任務(wù)，使用協(xié)程的好處是不用加鎖，訪問共享的數(shù)據(jù)不用進行同步操作。這里需要說明的一點是，使用協(xié)程之所以不需要加鎖不是因為所有的協(xié)程只在一個線程中運行，而是因為協(xié)程的非搶占式的特點。也就是說，使用協(xié)程的話，在沒主動交出CPU之前都是不會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候被操作系統(tǒng)調(diào)度，什么時候被切換，因此需要用鎖到實現(xiàn)一種“原子操作”的語義。

協(xié)程vs異步回調(diào)

其實更一般更常見的做法是，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。這樣的做法一般沒什么問題，但當(dāng)回調(diào)函數(shù)變多，一段連貫的業(yè)務(wù)代碼就會被拆分到多個回調(diào)函數(shù)之中，增加維護的成本。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變量實現(xiàn)協(xié)程

要實現(xiàn)一個協(xié)程，主要的問題是如何保存函數(shù)調(diào)用的上下文。之前在網(wǎng)上看到一篇博客coroutines in c，用一種非常簡潔的方式實現(xiàn)了這個保存上下文的功能。實現(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
}

這個代碼利用了函數(shù)的static變量來保存函數(shù)調(diào)用狀態(tài)。注意，由于vs2013有一個調(diào)試特性，所以vs2013的__LINE__的實現(xiàn)不是常量因此會編譯不通過，使用gcc就可以編譯。這段代碼簡單是簡單但是有問題，比如說如果兩個協(xié)程調(diào)用同一個函數(shù)，就會出錯。因此博客里面提及這段代碼主要是給出一個思路，如果實際使用的話這樣子肯定是不行的。

利用setjmp、longjmp實現(xiàn)協(xié)程

前面說過，實現(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部分：1.各個寄存器的值，2.函數(shù)調(diào)用棧。C語言里可以通過setjmp來保存函數(shù)調(diào)用時，各寄存器的值。保存之后，便可以通過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僅負責(zé)保存寄存器的值，不負責(zé)維護其函數(shù)調(diào)用棧（這個看看setjmp的jmp_buf的結(jié)構(gòu)就知道了），因此必須由使用者來手動的維護這個函數(shù)調(diào)用棧。使用setjmp、longjmp的一個常見的錯誤就是，嘗試去longjmp到一個已經(jīng)執(zhí)行完的函數(shù)，這時候雖然寄存器的值是當(dāng)時保存的值，但是調(diào)用棧已經(jīng)不是原來的調(diào)用棧了。

而我的做法是，在創(chuàng)建一個協(xié)程的時候在堆上申請一塊空間（大小為2M）作為協(xié)程的調(diào)用棧，然后在setjmp的時候，手動更改寄存器esp的值，使其指向這個我自己創(chuàng)建的調(diào)用棧。因此在以后運行的時候，這個協(xié)程就會使用我提供的那塊內(nèi)存作為棧。

我的這個協(xié)程庫提供了三個接口：

coro_new：創(chuàng)建一個協(xié)程
coro_yield：將控制權(quán)返回給調(diào)度協(xié)程
coro_main：運行調(diào)度協(xié)程

協(xié)程的控制流程如下：

通過coro_main運行調(diào)度協(xié)程，并找出下一個運行的協(xié)程，運行之。
運行這個協(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)以上兩個步驟，直到所有協(xié)程運行完畢。

這個協(xié)程庫實現(xiàn)的非常簡單，只有100來行的代碼，當(dāng)然實現(xiàn)它的目的是為了提供一個最簡單的協(xié)程模型，而不是一個功能完整、魯棒性強的能投入實際業(yè)務(wù)運行的協(xié)程。

因此問題還是有很多的：

比如當(dāng)在協(xié)程里面調(diào)用棧超過2M時，這個是需要處理的，現(xiàn)在的代碼是沒有做的，理應(yīng)中斷程序，避免寫壞堆，產(chǎn)生隨機的不可重現(xiàn)的問題。
顯然在實現(xiàn)時沒有考慮到多線程，如果在多線程環(huán)境里面運行，需要代碼做同步處理。
現(xiàn)在的這個版本的協(xié)程有一個約定，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。一個完整的協(xié)程庫，應(yīng)該包含一些常用的syscall的非阻塞的實現(xiàn)，畢竟只有一個線程不能真的阻塞在這個調(diào)用上。

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