C++ 协程与异步 I/O：构建高性能非阻塞网络服务

好的，我们开始！

大家好！今天咱们聊聊C++协程与异步I/O，主题是“构建高性能非阻塞网络服务”。这玩意听起来高大上，其实也没那么神秘。咱们争取用最接地气的方式，把这事儿掰扯清楚。

一、为啥要用协程和异步I/O？

想象一下，你要开个饭馆。传统的做法是，一个服务员（线程）一次只能服务一个客人。客人点完菜，服务员就得在那儿等着厨师做完，才能把菜端上去。如果客人点的菜比较复杂，服务员就得一直等着，啥也干不了，效率贼低。

现在咱们换个思路。服务员收到客人的菜单，直接扔给厨房（异步I/O），然后转身去服务其他客人。等菜做好了，厨房会通知服务员（回调函数），服务员再把菜端上去。这样，服务员就不用傻等了，可以同时服务多个客人，效率蹭蹭往上涨。

这就是异步I/O的魅力。线程不用阻塞在I/O操作上，可以去做其他事情。

那协程呢？协程可以理解为更轻量级的线程。线程切换的开销比较大，而协程的切换开销非常小，几乎可以忽略不计。而且，协程可以让你用同步的方式写异步的代码，代码可读性大大提高。

所以，协程+异步I/O，简直就是高性能网络服务的黄金搭档！

二、C++协程基础：Promise、Future、Awaiter

C++20引入了协程，主要靠这三个家伙：Promise、Future、Awaiter。

Promise： 承诺。它承诺会给你一个结果（可能现在还没准备好）。它就像一张欠条，告诉你未来会给你东西。
Future： 未来。它代表一个异步操作的结果。你可以通过它来获取Promise承诺的结果。它就像你手里拿着的欠条，等着兑现。
Awaiter： 等待者。它负责等待异步操作完成，并恢复协程的执行。它就像一个闹钟，到时间了就叫醒你。

咱们来看个简单的例子：

#include <iostream>
#include <future>
#include <coroutine>

// 这是一个简单的promise类型
struct ReturnObject {
  struct promise_type {
    ReturnObject get_return_object() { return {}; }
    std::suspend_never initial_suspend() { return {}; }
    std::suspend_never final_suspend() noexcept { return {}; }
    void unhandled_exception() {}
    void return_void() {}
  };
};

ReturnObject SimpleCoroutine() {
  std::cout << "Coroutine startedn";
  co_return; // co_return 相当于 return;
}

int main() {
  SimpleCoroutine();
  std::cout << "Main function continuesn";
  return 0;
}

这个例子里，ReturnObject 结构体定义了一个简单的协程返回类型。 promise_type 是一个嵌套结构体，它定义了协程的 Promise。get_return_object() 返回一个 ReturnObject 对象， initial_suspend() 和 final_suspend() 控制协程的挂起和恢复。 co_return 语句用于结束协程。

运行结果：

Coroutine started
Main function continues

现在，我们让协程做点更有意义的事情，比如等待一段时间：

#include <iostream>
#include <future>
#include <coroutine>
#include <chrono>
#include <thread>

// 自定义 awaitable 类型
struct TimerAwaiter {
  std::chrono::milliseconds duration;

  TimerAwaiter(std::chrono::milliseconds d) : duration(d) {}

  bool await_ready() const { return false; } // 总是挂起

  void await_suspend(std::coroutine_handle<> handle) {
    std::thread([this, handle]() {
      std::this_thread::sleep_for(duration);
      handle.resume(); // 时间到，恢复协程
    }).detach();
  }

  void await_resume() {}
};

// 自定义 awaitable 函数
TimerAwaiter WaitFor(std::chrono::milliseconds duration) {
  return TimerAwaiter(duration);
}

// 协程返回类型
struct ReturnObject {
  struct promise_type {
    ReturnObject get_return_object() { return {}; }
    std::suspend_never initial_suspend() { return {}; }
    std::suspend_never final_suspend() noexcept { return {}; }
    void unhandled_exception() {}
    void return_void() {}
  };
};

ReturnObject MyCoroutine() {
  std::cout << "Coroutine startedn";
  co_await WaitFor(std::chrono::milliseconds(1000)); // 等待1秒
  std::cout << "Coroutine resumed after waitingn";
  co_return;
}

int main() {
  MyCoroutine();
  std::cout << "Main function continuesn";
  std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1500)); // 等待协程完成
  return 0;
}

这个例子里，我们定义了一个 TimerAwaiter 结构体，它实现了 awaitable 接口。await_ready() 总是返回 false，表示总是挂起协程。await_suspend() 启动一个新线程，等待指定的时间后恢复协程。await_resume() 在协程恢复时被调用。

运行结果：

Coroutine started
Main function continues
Coroutine resumed after waiting

可以看到，协程在等待期间，主线程可以继续执行。等待结束后，协程恢复执行。

三、异步I/O：让你的程序飞起来

C++标准库本身并没有提供异步I/O的直接支持。但是，我们可以使用第三方库，比如Boost.Asio，来做异步I/O。

Boost.Asio是一个非常强大的库，它提供了跨平台的异步I/O支持。它使用事件驱动的方式，让你的程序可以高效地处理大量的并发连接。

咱们来看一个使用Boost.Asio实现异步TCP服务器的例子：

#include <iostream>
#include <boost/asio.hpp>

using boost::asio::ip::tcp;

class Session : public std::enable_shared_from_this<Session> {
public:
  Session(tcp::socket socket) : socket_(std::move(socket)) {}

  void start() {
    do_read();
  }

private:
  void do_read() {
    auto self(shared_from_this());
    socket_.async_read_some(boost::asio::buffer(data_, max_length),
        [this, self](boost::system::error_code ec, std::size_t length) {
      if (!ec) {
        do_write(length);
      }
    });
  }

  void do_write(std::size_t length) {
    auto self(shared_from_this());
    boost::asio::async_write(socket_, boost::asio::buffer(data_, length),
        [this, self](boost::system::error_code ec, std::size_t /*length*/) {
      if (!ec) {
        do_read();
      }
    });
  }

  tcp::socket socket_;
  enum { max_length = 1024 };
  char data_[max_length];
};

class Server {
public:
  Server(boost::asio::io_context& io_context, short port)
      : acceptor_(io_context, tcp::endpoint(tcp::v4(), port)),
        io_context_(io_context) {
    do_accept();
  }

private:
  void do_accept() {
    acceptor_.async_accept(
        [this](boost::system::error_code ec, tcp::socket socket) {
      if (!ec) {
        std::make_shared<Session>(std::move(socket))->start();
      }

      do_accept();
    });
  }

  tcp::acceptor acceptor_;
  boost::asio::io_context& io_context_;
};

int main() {
  try {
    boost::asio::io_context io_context;
    Server server(io_context, 12345); // 监听12345端口
    io_context.run();
  } catch (std::exception& e) {
    std::cerr << "Exception: " << e.what() << "n";
  }

  return 0;
}

这个例子里，Server 类负责监听端口，接受客户端连接。Session 类负责处理客户端连接，它使用 async_read_some 和 async_write 函数进行异步读写操作。

这个代码看起来有点复杂，但是它的核心思想很简单：

使用 async_read_some 函数异步读取数据。
读取完成后，调用回调函数 do_write。
使用 async_write 函数异步写入数据。
写入完成后，调用回调函数 do_read，继续读取数据。

这样，线程就不用阻塞在I/O操作上，可以继续处理其他连接。

四、协程与异步I/O的完美结合

现在，咱们把协程和异步I/O结合起来，看看能擦出什么样的火花。

我们可以使用Boost.Asio的协程支持，让异步I/O的代码更加简洁易懂。

#include <iostream>
#include <boost/asio.hpp>
#include <boost/asio/co_spawn.hpp>
#include <boost/asio/detached.hpp>
#include <boost/asio/use_awaitable.hpp>

using namespace boost::asio;
using boost::asio::ip::tcp;
using namespace std::chrono_literals;

awaitable<void> session(tcp::socket socket) {
  try {
    char data[1024];
    for (;;) {
      size_t n = co_await socket.async_read_some(buffer(data), use_awaitable);
      co_await async_write(socket, buffer(data, n), use_awaitable);
    }
  } catch (std::exception& e) {
    std::cerr << "Exception in session: " << e.what() << "n";
  }
}

awaitable<void> listener() {
  auto executor = co_await this_coro::executor;
  tcp::acceptor acceptor(executor, {tcp::v4(), 12345});
  for (;;) {
    tcp::socket socket = co_await acceptor.async_accept(use_awaitable);
    co_spawn(executor, session(std::move(socket)), detached);
  }
}

int main() {
  try {
    io_context ioc(1);
    co_spawn(ioc, listener(), detached);
    ioc.run();
  } catch (std::exception& e) {
    std::cerr << "Exception: " << e.what() << "n";
  }
  return 0;
}

这个例子里，我们使用 co_spawn 函数启动协程。session 函数使用 co_await 关键字等待异步I/O操作完成。

可以看到，使用协程后，异步I/O的代码变得非常简洁，就像写同步代码一样。

五、总结：协程+异步I/O = 高性能

通过上面的例子，我们可以看到，C++协程和异步I/O是构建高性能非阻塞网络服务的利器。

特性	传统线程模型	异步I/O模型	协程+异步I/O模型
并发方式	多线程	事件驱动	协程
线程切换开销	高	无	极低
代码可读性	较高	较低	高
资源消耗	高	较低	较低

总的来说，协程+异步I/O可以让我们用更少的资源，写出更高性能的代码。

六、注意事项：坑也是有的

异常处理： 异步代码的异常处理比较麻烦，需要特别注意。
调试： 异步代码的调试也比较困难，需要耐心。
第三方库： 异步I/O依赖第三方库，需要选择合适的库。

七、展望未来：C++的异步之路

C++20引入了协程，为C++的异步编程带来了新的希望。未来，C++标准库可能会提供更多的异步I/O支持，让C++的异步编程更加方便。

好了，今天的讲座就到这里。希望大家有所收获！如果有什么问题，欢迎提问。

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