C++20 Coroutines与多线程的调度：如何在自定义执行器（Executor）上实现协程的并发执行 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

C++20 Coroutines与多线程的调度：自定义执行器上的并发协程

大家好，今天我们来深入探讨C++20协程与多线程调度，特别是如何在自定义执行器（Executor）上实现协程的并发执行。协程为C++带来了强大的异步编程能力，而自定义执行器则允许我们精确地控制协程的执行环境。将两者结合，可以构建高度定制化的并发系统。

1. 协程基础回顾

首先，简单回顾一下协程的基本概念。协程是一种可以暂停和恢复执行的函数。与线程不同，协程的切换发生在用户态，避免了内核态切换的开销，从而提高了效率。

C++20引入了以下关键概念来实现协程：

co_await: 暂停协程的执行，等待一个 awaitable 对象完成。
co_yield: 产生一个值，允许从协程中逐步获取结果。
co_return: 完成协程的执行，并返回一个值。
Coroutine Handle ( std::coroutine_handle<> ): 一个指向协程帧的指针，可以用来恢复协程的执行。
Awaitable: 一个类型，其 await_ready、await_suspend 和 await_resume 方法定义了 co_await 的行为。
Coroutine Traits: 用于自定义协程行为的类型，例如 promise_type。

一个简单的协程示例：

#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() noexcept { return {}; }
        std::suspend_never final_suspend() noexcept { return {}; }
        void unhandled_exception() {}
        void return_value(int v) { value = v; }
    };

    std::coroutine_handle<promise_type> handle;

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

    int getValue() { return handle.promise().value; }
};

MyCoroutine my_coroutine() {
    co_return 42;
}

int main() {
    MyCoroutine coro = my_coroutine();
    std::cout << "Value: " << coro.getValue() << std::endl;
    return 0;
}

2. 为什么需要自定义执行器？

默认情况下，co_await 依赖于 awaitable 对象来决定协程如何恢复执行。通常，这意味着 awaitable 对象会直接或间接地调用 coroutine_handle::resume()。然而，直接调用 resume() 可能会导致一些问题：

缺乏控制: 无法控制协程在哪个线程上恢复执行。默认行为通常是在调用 resume() 的线程上恢复，这可能不是最优的。
资源管理: 难以进行细粒度的资源管理，例如限制协程使用的 CPU 时间或内存。
并发策略: 难以实现复杂的并发策略，例如工作窃取或优先级调度。

自定义执行器允许我们克服这些限制，并提供对协程执行的完全控制。通过自定义执行器，我们可以：

将协程调度到特定的线程池。
实现优先级调度。
限制协程的执行时间。
进行性能分析和调试。

3. 执行器（Executor）的概念

执行器是一个负责执行任务的对象。在C++协程的上下文中，执行器负责调度和执行协程。一个简单的执行器接口可能如下所示：

class Executor {
public:
    virtual void execute(std::function<void()> task) = 0;
    virtual ~Executor() = default;
};

execute 方法接受一个 std::function<void()> 对象，该对象封装了要执行的任务。执行器负责将该任务调度到合适的线程并执行。

4. 自定义执行器的实现

让我们创建一个基于线程池的自定义执行器。我们将使用 std::thread 和一个任务队列来实现线程池。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
#include <queue>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <functional>

class ThreadPoolExecutor : public Executor {
private:
    std::vector<std::thread> workers;
    std::queue<std::function<void()>> tasks;
    std::mutex queue_mutex;
    std::condition_variable condition;
    bool stop;

public:
    ThreadPoolExecutor(size_t num_threads) : stop(false) {
        workers.reserve(num_threads);
        for (size_t i = 0; i < num_threads; ++i) {
            workers.emplace_back([this]() {
                while (true) {
                    std::function<void()> task;
                    {
                        std::unique_lock<std::mutex> lock(queue_mutex);
                        condition.wait(lock, [this]() { return stop || !tasks.empty(); });
                        if (stop && tasks.empty()) {
                            return;
                        }
                        task = std::move(tasks.front());
                        tasks.pop();
                    }
                    task();
                }
            });
        }
    }

    ~ThreadPoolExecutor() {
        {
            std::unique_lock<std::mutex> lock(queue_mutex);
            stop = true;
        }
        condition.notify_all();
        for (std::thread& worker : workers) {
            worker.join();
        }
    }

    void execute(std::function<void()> task) override {
        {
            std::unique_lock<std::mutex> lock(queue_mutex);
            tasks.emplace(std::move(task));
        }
        condition.notify_one();
    }
};

这个 ThreadPoolExecutor 类创建了一个固定大小的线程池。 execute 方法将任务添加到任务队列中，并通知一个空闲的线程来执行该任务。

5. 修改Awaitable以使用自定义执行器

现在，我们需要修改 awaitable 对象，以便它使用我们的自定义执行器来恢复协程。这涉及到自定义 await_suspend 方法。

#include <coroutine>

class MyAwaitable {
private:
    bool ready;
    Executor& executor;
    int result;

public:
    MyAwaitable(bool r, Executor& e, int res) : ready(r), executor(e), result(res) {}

    bool await_ready() const noexcept {
        return ready;
    }

    void await_suspend(std::coroutine_handle<> handle) {
        // schedule the resumption of the coroutine on the executor
        executor.execute([handle]() {
            handle.resume();
        });
    }

    int await_resume() {
        return result;
    }
};

在这个 MyAwaitable 类中， await_suspend 方法不再直接调用 handle.resume()。相反，它将一个lambda表达式传递给执行器的 execute 方法，该 lambda 表达式封装了 handle.resume() 的调用。这确保协程在执行器管理的线程上恢复执行。

6. 将执行器集成到协程中

现在，我们需要将自定义执行器集成到协程中。这可以通过自定义协程的 promise 类型来实现。

#include <iostream>

struct MyCoroutineWithExecutor {
    struct promise_type {
        int value;
        Executor* executor; // Add an executor member

        MyCoroutineWithExecutor get_return_object() {
            return MyCoroutineWithExecutor{std::coroutine_handle<promise_type>::from_promise(*this)};
        }

        std::suspend_never initial_suspend() noexcept { return {}; }
        std::suspend_never final_suspend() noexcept { return {}; }
        void unhandled_exception() {}
        void return_value(int v) { value = v; }

        void set_executor(Executor* e) { executor = e; } // Setter for the executor
    };

    std::coroutine_handle<promise_type> handle;

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

    int getValue() { return handle.promise().value; }
};

MyAwaitable my_awaitable(bool ready, Executor& executor, int result) {
    return MyAwaitable(ready, executor, result);
}

MyCoroutineWithExecutor my_coroutine_with_executor(Executor& executor) {
    auto promise = std::coroutine_handle<MyCoroutineWithExecutor::promise_type>::promise();
    promise.set_executor(&executor); // Set the executor in the promise.

    co_return co_await my_awaitable(true, executor, 123);
}

int main() {
    ThreadPoolExecutor executor(4);
    MyCoroutineWithExecutor coro = my_coroutine_with_executor(executor);
    std::cout << "Value: " << coro.getValue() << std::endl;

    return 0;
}

在这个例子中，我们在 MyCoroutineWithExecutor 的 promise 类型中添加了一个 Executor* 成员。我们还添加了一个 set_executor 方法，允许我们在创建协程时设置执行器。

需要注意的是，如果 co_await 的 awaitable 对象需要executor，可以通过在 coroutine promise 里存储executor的方式传递下去。

7. 完整代码示例

将上述代码片段整合在一起，我们得到一个完整的示例，展示了如何在自定义执行器上执行协程：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <vector>
#include <queue>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <functional>
#include <coroutine>

// Executor interface
class Executor {
public:
    virtual void execute(std::function<void()> task) = 0;
    virtual ~Executor() = default;
};

// ThreadPoolExecutor implementation
class ThreadPoolExecutor : public Executor {
private:
    std::vector<std::thread> workers;
    std::queue<std::function<void()>> tasks;
    std::mutex queue_mutex;
    std::condition_variable condition;
    bool stop;

public:
    ThreadPoolExecutor(size_t num_threads) : stop(false) {
        workers.reserve(num_threads);
        for (size_t i = 0; i < num_threads; ++i) {
            workers.emplace_back([this]() {
                while (true) {
                    std::function<void()> task;
                    {
                        std::unique_lock<std::mutex> lock(queue_mutex);
                        condition.wait(lock, [this]() { return stop || !tasks.empty(); });
                        if (stop && tasks.empty()) {
                            return;
                        }
                        task = std::move(tasks.front());
                        tasks.pop();
                    }
                    task();
                }
            });
        }
    }

    ~ThreadPoolExecutor() {
        {
            std::unique_lock<std::mutex> lock(queue_mutex);
            stop = true;
        }
        condition.notify_all();
        for (std::thread& worker : workers) {
            worker.join();
        }
    }

    void execute(std::function<void()> task) override {
        {
            std::unique_lock<std::mutex> lock(queue_mutex);
            tasks.emplace(std::move(task));
        }
        condition.notify_one();
    }
};

// Awaitable that uses the executor
class MyAwaitable {
private:
    bool ready;
    Executor& executor;
    int result;

public:
    MyAwaitable(bool r, Executor& e, int res) : ready(r), executor(e), result(res) {}

    bool await_ready() const noexcept {
        return ready;
    }

    void await_suspend(std::coroutine_handle<> handle) {
        // schedule the resumption of the coroutine on the executor
        executor.execute([handle]() {
            std::cout << "Resuming on thread: " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
            handle.resume();
        });
    }

    int await_resume() {
        return result;
    }
};

// Coroutine with custom executor
struct MyCoroutineWithExecutor {
    struct promise_type {
        int value;
        Executor* executor; // Add an executor member

        MyCoroutineWithExecutor get_return_object() {
            return MyCoroutineWithExecutor{std::coroutine_handle<promise_type>::from_promise(*this)};
        }

        std::suspend_never initial_suspend() noexcept { return {}; }
        std::suspend_never final_suspend() noexcept { return {}; }
        void unhandled_exception() {}
        void return_value(int v) { value = v; }

        void set_executor(Executor* e) { executor = e; } // Setter for the executor
    };

    std::coroutine_handle<promise_type> handle;

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

    int getValue() { return handle->promise().value; }
};

MyAwaitable my_awaitable(bool ready, Executor& executor, int result) {
    return MyAwaitable(ready, executor, result);
}

MyCoroutineWithExecutor my_coroutine_with_executor(Executor& executor) {
    MyCoroutineWithExecutor::promise_type& promise = std::coroutine_handle<MyCoroutineWithExecutor::promise_type>::promise();
    promise.set_executor(&executor);

    std::cout << "Coroutine started on thread: " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
    co_return co_await my_awaitable(true, executor, 123);
}

int main() {
    ThreadPoolExecutor executor(4);
    std::cout << "Main thread: " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
    MyCoroutineWithExecutor coro = my_coroutine_with_executor(executor);
    std::cout << "Value: " << coro.getValue() << std::endl;

    return 0;
}

8. 总结一下

以上，我们讨论了C++20协程与多线程调度的基础，以及如何在自定义执行器上实现协程的并发执行。通过自定义执行器，我们可以精确地控制协程的执行环境，实现更高效、更灵活的并发系统。掌握这些技术，可以帮助我们构建更复杂的异步应用。

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