C++ 用户态线程与协程库实现：替代或增强系统级线程

哈喽，各位好！今天咱们来聊聊C++用户态线程与协程库的实现，以及它们如何替代或增强系统级线程。这可是个有趣的话题，就像一场“线程变形记”，看看我们的程序到底能变成什么样。

一、系统级线程的烦恼：重量级选手

首先，我们得承认，系统级线程（也就是操作系统直接管理的线程）确实是个好东西。它能让我们真正地并行执行任务，充分利用多核CPU的性能。但是，它就像一位重量级选手，虽然力量强大，但也有不少缺点：

上下文切换开销大： 每次线程切换都需要操作系统介入，保存和恢复线程的上下文，这可是个相当耗时的操作。想象一下，你正在写代码，突然被打断去处理邮件，然后再回来继续写代码，是不是感觉效率大打折扣？系统级线程切换的开销也类似。
资源占用多： 每个系统级线程都需要一定的内核资源，例如栈空间、线程控制块等。如果创建大量的系统级线程，会占用大量的内存，甚至可能导致系统崩溃。这就好比你租了一栋大房子，但里面只有你一个人住，是不是有点浪费？
调度策略受限： 系统级线程的调度由操作系统控制，我们无法直接干预。这就像你只能坐公交车，不能自己开车，想去哪里都得听公交公司的安排。

二、用户态线程的崛起：轻量级选手

为了解决系统级线程的这些问题，人们提出了用户态线程的概念。用户态线程，顾名思义，是在用户空间实现的线程，不需要操作系统的直接参与。它就像一位轻量级选手，身手敏捷，效率更高。

上下文切换开销小： 用户态线程的切换完全由用户程序控制，不需要陷入内核，因此切换速度非常快。就像你只是在不同的代码块之间跳转，不需要离开当前进程。
资源占用少： 用户态线程共享进程的地址空间，不需要额外的内核资源。这就好比你和室友合租一套房子，可以共享客厅、厨房等公共空间，节省了租金。
调度策略灵活： 用户态线程的调度可以由用户程序自定义，可以根据具体的应用场景选择合适的调度策略。这就好比你可以自己开车，想去哪里就去哪里，完全掌控自己的行程。

但是，用户态线程也不是完美的。它也有一些缺点：

阻塞式系统调用问题： 如果一个用户态线程执行了阻塞式系统调用（例如 read、write 等），整个进程都会被阻塞。这就好比你开车在路上遇到堵车，整个车队都会被堵住。
多核利用率有限： 由于用户态线程运行在同一个进程中，如果只有一个系统级线程，即使CPU有多个核心，也无法真正地并行执行用户态线程。这就好比你有一辆跑车，但只能在单行道上行驶，无法发挥它的全部性能。

三、协程：用户态线程的进化

为了解决用户态线程的阻塞式系统调用问题和多核利用率有限的问题，人们又提出了协程的概念。协程，又称为微线程、纤程，是一种比用户态线程更轻量级的并发编程模型。

非抢占式调度： 协程的调度由用户程序显式控制，一个协程执行完毕后，才会主动让出CPU，让其他协程执行。这就好比你和朋友轮流玩游戏，你玩完一局后，才会把手柄交给朋友。
避免阻塞式系统调用： 协程通常会使用异步I/O等技术，避免执行阻塞式系统调用。如果一个协程需要等待I/O操作完成，它会主动让出CPU，让其他协程执行。这就好比你使用外卖软件订餐，在等待外卖送达的过程中，你可以继续做其他事情，不需要一直傻等。

四、C++协程库：让协程触手可及

C++20引入了对协程的原生支持，让我们可以更方便地使用协程进行并发编程。在此之前，也有一些优秀的第三方协程库，例如 Boost.Coroutine2、libco 等。

下面，我们来简单介绍一下C++20协程的使用方法：

#include <iostream>
#include <coroutine>

struct MyCoroutine {
  struct promise_type {
    int value;

    MyCoroutine get_return_object() {
      return MyCoroutine{std::coroutine_handle<promise_type>::from_promise(*this)};
    }
    std::suspend_never initial_suspend() { return {}; }
    std::suspend_never final_suspend() noexcept { return {}; }
    void unhandled_exception() {}

    void return_value(int v) { value = v; }
  };

  std::coroutine_handle<promise_type> h;

  MyCoroutine(std::coroutine_handle<promise_type> h) : h(h) {}
  ~MyCoroutine() { if (h) h.destroy(); }

  int get_value() { return h.promise().value; }
};

MyCoroutine my_coroutine() {
  std::cout << "Coroutine startedn";
  co_return 42;
}

int main() {
  MyCoroutine c = my_coroutine();
  std::cout << "Coroutine returned: " << c.get_value() << "n";
  return 0;
}

这个例子展示了一个最简单的协程，它返回一个整数值。co_return 关键字用于从协程中返回值。

下面是一个更复杂的例子，展示了如何使用 co_yield 关键字生成一个序列：

#include <iostream>
#include <coroutine>
#include <vector>

template <typename T>
struct Generator {
  struct promise_type {
    T value_;
    std::exception_ptr exception_;

    Generator get_return_object() {
      return Generator(std::coroutine_handle<promise_type>::from_promise(*this));
    }
    std::suspend_always initial_suspend() { return {}; }
    std::suspend_always final_suspend() noexcept { return {}; }
    void unhandled_exception() { exception_ = std::current_exception(); }

    std::suspend_always yield_value(T value) {
      value_ = value;
      return {};
    }
    void return_void() {}
  };

  std::coroutine_handle<promise_type> coroutine_;

  Generator(std::coroutine_handle<promise_type> coroutine) : coroutine_(coroutine) {}
  ~Generator() {
    if (coroutine_) coroutine_.destroy();
  }

  // Disable copy constructor and assignment operator
  Generator(const Generator&) = delete;
  Generator& operator=(const Generator&) = delete;

  struct iterator {
    std::coroutine_handle<promise_type> coroutine_;

    iterator(std::coroutine_handle<promise_type> coroutine) : coroutine_(coroutine) {}

    bool operator!=(const iterator& other) const { return coroutine_ != other.coroutine_; }
    void operator++() { coroutine_.resume(); }
    const T& operator*() const { return coroutine_.promise().value_; }
  };

  iterator begin() {
    coroutine_.resume();
    return iterator(coroutine_);
  }
  iterator end() { return iterator(nullptr); }
};

Generator<int> generate_numbers(int start, int end) {
  for (int i = start; i <= end; ++i) {
    co_yield i;
  }
}

int main() {
  for (int i : generate_numbers(1, 5)) {
    std::cout << i << " ";
  }
  std::cout << std::endl;
  return 0;
}

这个例子展示了如何使用协程生成一个整数序列。co_yield 关键字用于生成序列中的每一个值。

五、用户态线程与协程库的应用场景

那么，用户态线程和协程库到底适合在哪些场景下使用呢？

应用场景	用户态线程/协程库的优势
高并发、低延迟的网络服务	用户态线程/协程库可以减少上下文切换的开销，提高并发处理能力，降低延迟。例如，Web服务器、游戏服务器等。
需要自定义调度策略的任务	用户态线程/协程库可以自定义调度策略，根据具体的应用场景选择合适的调度方式。例如，任务调度系统、流处理系统等。
I/O密集型应用	协程可以通过异步I/O等技术，避免阻塞式系统调用，提高程序的并发性能。例如，爬虫、文件服务器等。
需要大量并发执行的任务（但不一定需要并行）	用户态线程/协程库可以创建大量的并发任务，而不会占用过多的系统资源。例如，模拟器、测试工具等。

六、用户态线程与协程库的注意事项

在使用用户态线程和协程库时，也需要注意一些问题：

避免死锁： 用户态线程和协程库的调度由用户程序控制，容易出现死锁问题。需要仔细设计同步机制，避免死锁的发生。
栈溢出： 用户态线程和协程库的栈空间通常比系统级线程小，容易发生栈溢出。需要合理分配栈空间，避免栈溢出的发生。
调试困难： 用户态线程和协程库的调试比系统级线程更加困难。需要使用专门的调试工具，或者通过日志等方式进行调试。

七、总结：选择合适的工具

用户态线程和协程库并不是万能的，它们只是解决特定问题的工具。在选择使用哪种并发编程模型时，需要根据具体的应用场景进行权衡。

如果需要真正的并行执行任务，并且对性能要求不高，可以使用系统级线程。
如果需要高并发、低延迟的网络服务，或者需要自定义调度策略的任务，可以考虑使用用户态线程或协程库。
如果需要处理大量的I/O密集型任务，或者需要创建大量的并发任务，协程是一个不错的选择。

总之，就像选择合适的工具一样，选择合适的并发编程模型，才能更好地解决问题，让我们的程序更加高效、稳定。

希望今天的分享对大家有所帮助！记住，编程就像一场变形记，只要我们不断学习、不断尝试，就能让我们的程序变得更加强大！

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