C++实现用户态调度器：Fibers/Coroutines的上下文切换与抢占式/协作式调度策略 - 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++用户态调度器：Fibers/Coroutines的上下文切换与调度策略

大家好，今天我们来深入探讨C++中用户态调度器的实现，特别是基于Fibers或Coroutines的上下文切换以及不同的调度策略。我们将从基本概念入手，逐步构建一个简单的用户态调度器，并讨论抢占式和协作式调度在其中的应用。

1. 概念与背景

传统操作系统通过内核调度线程，涉及用户态和内核态的切换，开销较大。用户态调度器则允许我们在单个操作系统线程中管理多个“轻量级线程”，也称为Fibers或Coroutines。这些轻量级线程共享同一个操作系统线程的资源，上下文切换完全在用户态完成，避免了内核态切换的开销，从而提高了并发性能。

Fibers/Coroutines: 本质上是用户态的执行单元，可以主动暂停和恢复执行。它们可以理解为更轻量级的线程。
上下文切换: 保存当前Fiber/Coroutine的状态（寄存器、堆栈等），并恢复另一个Fiber/Coroutine的状态，使其继续执行。
调度器: 负责决定哪个Fiber/Coroutine应该运行，何时运行。

2. 上下文切换的实现

上下文切换是用户态调度器的核心。我们需要保存和恢复Fiber/Coroutine的执行状态。这通常涉及以下步骤：

保存当前Fiber/Coroutine的寄存器状态: 包括通用寄存器、程序计数器（Instruction Pointer）、栈指针（Stack Pointer）等。
保存当前Fiber/Coroutine的栈指针: 指向当前Fiber/Coroutine使用的栈的顶部。
恢复目标Fiber/Coroutine的寄存器状态和栈指针: 将目标Fiber/Coroutine的状态加载到CPU中。

一个常用的方法是使用汇编代码来实现上下文切换，因为它允许我们直接操作寄存器。然而，为了简化，我们可以利用C++的setjmp和longjmp来实现。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <setjmp.h>

// Fiber 上下文结构
struct FiberContext {
    jmp_buf jmpBuffer;
    char* stack;
    size_t stackSize;
};

// 创建 Fiber
FiberContext* createFiber(size_t stackSize, void (*entryPoint)(void*), void* arg) {
    FiberContext* fiber = new FiberContext();
    fiber->stackSize = stackSize;
    fiber->stack = new char[stackSize];
    if (!fiber->stack) {
        std::cerr << "Failed to allocate stack for fiber" << std::endl;
        delete fiber;
        return nullptr;
    }

    // 将栈指针指向栈顶
    char* stackTop = fiber->stack + stackSize;

    // 调整栈指针，使其满足对齐要求 (可选)
    stackTop = (char*)((uintptr_t)stackTop & -16LL); // 16字节对齐

    // 在栈顶放置入口点和参数
    uintptr_t* stackPtr = (uintptr_t*)stackTop;
    *(--stackPtr) = (uintptr_t)arg; // 参数
    *(--stackPtr) = (uintptr_t)entryPoint; // 入口点

    // 初始化 jmp_buf，模拟函数调用
    if (setjmp(fiber->jmpBuffer) == 0) {
        // 保存初始状态
        fiber->jmpBuffer[0].__jmpbuf[4] = (uintptr_t)stackTop; // rsp (栈指针)
        fiber->jmpBuffer[0].__jmpbuf[5] = (uintptr_t)stackPtr; // rip (指令指针，指向入口点)
    }

    return fiber;
}

// 切换到 Fiber
void switchToFiber(FiberContext* current, FiberContext* next) {
    if (setjmp(current->jmpBuffer) == 0) {
        longjmp(next->jmpBuffer, 1);
    }
}

// 简单的示例 Fiber 函数
void fiberFunction(void* arg) {
    int id = *(int*)arg;
    std::cout << "Fiber " << id << " started" << std::endl;
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        std::cout << "Fiber " << id << ": " << i << std::endl;
        // 模拟一些耗时操作
        for (int j = 0; j < 1000000; ++j);
    }
    std::cout << "Fiber " << id << " finished" << std::endl;
}

int main() {
    const size_t stackSize = 1024 * 1024; // 1MB stack

    // 创建两个 Fiber
    int fiber1Id = 1;
    FiberContext* fiber1 = createFiber(stackSize, fiberFunction, &fiber1Id);

    int fiber2Id = 2;
    FiberContext* fiber2 = createFiber(stackSize, fiberFunction, &fiber2Id);

    // 创建主 Fiber 上下文
    FiberContext mainContext;
    setjmp(mainContext.jmpBuffer); // 保存 main 函数的上下文

    // 切换到 Fiber 1
    std::cout << "Switching to Fiber 1" << std::endl;
    switchToFiber(&mainContext, fiber1);

    // 切换回主 Fiber，然后再切换到 Fiber 2
    std::cout << "Switching back to main, then to Fiber 2" << std::endl;
    switchToFiber(fiber1, &mainContext);
    switchToFiber(&mainContext, fiber2);

    // 切换回主 Fiber
    std::cout << "Switching back to main" << std::endl;
    switchToFiber(fiber2, &mainContext);

    std::cout << "All fibers finished" << std::endl;

    // 清理
    delete[] fiber1->stack;
    delete fiber1;
    delete[] fiber2->stack;
    delete fiber2;

    return 0;
}

代码解释：

FiberContext 结构体用于存储 Fiber 的上下文信息，包括 jmp_buf (用于保存寄存器状态)，stack (指向 Fiber 的栈)，以及 stackSize (栈的大小)。
createFiber 函数创建新的 Fiber。它分配一块内存作为 Fiber 的栈，并在栈顶放置 Fiber 的入口点和参数。关键在于初始化 jmp_buf，使其在第一次 longjmp 到这个 Fiber 时，能够跳转到入口点开始执行。
switchToFiber 函数执行上下文切换。它使用 setjmp 保存当前 Fiber 的状态，然后使用 longjmp 恢复目标 Fiber 的状态。
fiberFunction 是一个简单的 Fiber 函数，它打印一些信息，并模拟一些耗时操作。
main 函数创建两个 Fiber，并使用 switchToFiber 函数在它们之间切换。

重要提示:

上面的代码使用了 setjmp 和 longjmp，这是一种较为原始的上下文切换方法。现代 C++ 提供了更高级的协程支持 (例如，C++20 的 coroutines)，这些工具提供了更安全和更易用的协程编程接口。
栈的管理至关重要。必须确保每个 Fiber 都有足够的栈空间，并且不会发生栈溢出。
错误处理是必要的。在实际应用中，需要处理内存分配失败、栈溢出等错误。
这个例子只是一个简单的演示，没有包含任何同步机制。在多线程环境下，需要使用锁或其他同步机制来保护共享资源。

3. 调度策略

调度策略决定了哪个Fiber/Coroutine应该运行。常见的调度策略包括：

协作式调度 (Cooperative Scheduling): Fiber/Coroutine主动放弃CPU控制权，让其他Fiber/Coroutine运行。 Fiber/Coroutine通过调用yield()函数来主动让出CPU。

// 协作式调度示例
#include <iostream>
#include <vector>
#include <setjmp.h>

// Fiber 上下文结构 (同上)
struct FiberContext {
    jmp_buf jmpBuffer;
    char* stack;
    size_t stackSize;
    bool finished = false; // 标记 Fiber 是否已完成
};

// 创建 Fiber (同上)
FiberContext* createFiber(size_t stackSize, void (*entryPoint)(void*), void* arg);

// 切换到 Fiber (同上)
void switchToFiber(FiberContext* current, FiberContext* next);

// 全局变量：当前正在运行的 Fiber
FiberContext* currentFiber = nullptr;

// yield 函数：Fiber 主动让出 CPU
void yield() {
    FiberContext* temp = currentFiber;
    currentFiber = nullptr;
    switchToFiber(temp, &mainContext); // 切换回调度器
}

// 简单的示例 Fiber 函数
void fiberFunction(void* arg) {
    int id = *(int*)arg;
    std::cout << "Fiber " << id << " started" << std::endl;
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        std::cout << "Fiber " << id << ": " << i << std::endl;
        // 模拟一些耗时操作
        for (int j = 0; j < 1000000; ++j);
        yield(); // 主动让出 CPU
    }
    std::cout << "Fiber " << id << " finished" << std::endl;
    currentFiber->finished = true; // 标记 Fiber 已完成
    yield(); // 必须 yield，否则调度器将永远不会再运行此 Fiber
}

// 全局变量：主 Fiber 上下文
FiberContext mainContext;
std::vector<FiberContext*> fibers;

// 调度器
void scheduler() {
    while (true) {
        bool allFinished = true;
        for (FiberContext* fiber : fibers) {
            if (!fiber->finished) {
                allFinished = false;
                currentFiber = fiber;
                switchToFiber(&mainContext, fiber);
            }
        }
        if (allFinished) {
            break;
        }
    }
}

int main() {
    const size_t stackSize = 1024 * 1024; // 1MB stack

    // 创建两个 Fiber
    int fiber1Id = 1;
    FiberContext* fiber1 = createFiber(stackSize, fiberFunction, &fiber1Id);

    int fiber2Id = 2;
    FiberContext* fiber2 = createFiber(stackSize, fiberFunction, &fiber2Id);

    fibers.push_back(fiber1);
    fibers.push_back(fiber2);

    // 初始化主 Fiber 上下文
    setjmp(mainContext.jmpBuffer); // 保存 main 函数的上下文

    // 运行调度器
    scheduler();

    std::cout << "All fibers finished" << std::endl;

    // 清理
    for (FiberContext* fiber : fibers) {
        delete[] fiber->stack;
        delete fiber;
    }
    fibers.clear();

    return 0;
}

代码解释：

yield() 函数是协作式调度的关键。Fiber 通过调用 yield() 函数主动让出 CPU。
scheduler() 函数是调度器。它循环遍历所有 Fiber，如果 Fiber 尚未完成，则切换到该 Fiber 执行。
每个 Fiber 在完成时需要设置 finished 标志，并调用 yield()，以便调度器可以调度其他 Fiber。

优点： 简单，易于实现。可以保证Fiber/Coroutine在执行期间不会被中断，避免了竞态条件。

缺点： 如果某个Fiber/Coroutine长时间占用CPU，会导致其他Fiber/Coroutine无法运行，可能造成“饥饿”现象。需要Fiber/Coroutine编写者非常小心，确保它们会定期调用yield()。

抢占式调度 (Preemptive Scheduling): 调度器可以强制中断正在运行的Fiber/Coroutine，让其他Fiber/Coroutine运行。通常使用定时器中断来实现。

实现抢占式调度要复杂得多，因为它涉及在Fiber/Coroutine不知情的情况下中断其执行。这通常需要操作系统提供的信号机制（例如，SIGALRM）或定时器。这是一个简化的伪代码示例：

// 抢占式调度示例 (伪代码，需要操作系统支持)
#include <iostream>
#include <vector>
#include <setjmp.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>

// Fiber 上下文结构 (同上)
struct FiberContext {
    jmp_buf jmpBuffer;
    char* stack;
    size_t stackSize;
    bool finished = false;
};

// 创建 Fiber (同上)
FiberContext* createFiber(size_t stackSize, void (*entryPoint)(void*), void* arg);

// 切换到 Fiber (同上)
void switchToFiber(FiberContext* current, FiberContext* next);

// 全局变量：当前正在运行的 Fiber
FiberContext* currentFiber = nullptr;

// 全局变量：主 Fiber 上下文
FiberContext mainContext;
std::vector<FiberContext*> fibers;

// 定时器中断处理函数
void timerHandler(int signum) {
    // 保存当前 Fiber 的状态
    if (currentFiber) {
        if (setjmp(currentFiber->jmpBuffer) == 0) {
            // 切换回调度器
            currentFiber = nullptr;
            longjmp(mainContext.jmpBuffer, 1);
        }
    }
}

// 调度器
void scheduler() {
    // 设置定时器
    signal(SIGALRM, timerHandler); // 注册信号处理函数
    ualarm(10000, 10000); // 每 10 毫秒发送一个 SIGALRM 信号

    setjmp(mainContext.jmpBuffer); // 保存主 Fiber 的上下文

    while (true) {
        bool allFinished = true;
        for (FiberContext* fiber : fibers) {
            if (!fiber->finished) {
                allFinished = false;
                currentFiber = fiber;
                switchToFiber(&mainContext, fiber); // 切换到 Fiber
            }
        }
        if (allFinished) {
            break;
        }
    }

    // 取消定时器 (省略)
}

// 简单的示例 Fiber 函数
void fiberFunction(void* arg) {
    int id = *(int*)arg;
    std::cout << "Fiber " << id << " started" << std::endl;
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        std::cout << "Fiber " << id << ": " << i << std::endl;
        // 模拟一些耗时操作，但不再调用 yield
        for (int j = 0; j < 1000000; ++j);
    }
    std::cout << "Fiber " << id << " finished" << std::endl;
    currentFiber->finished = true;
    // 不需要 yield，因为定时器会强制中断
}

int main() {
    const size_t stackSize = 1024 * 1024; // 1MB stack

    // 创建两个 Fiber
    int fiber1Id = 1;
    FiberContext* fiber1 = createFiber(stackSize, fiberFunction, &fiber1Id);

    int fiber2Id = 2;
    FiberContext* fiber2 = createFiber(stackSize, fiberFunction, &fiber2Id);

    fibers.push_back(fiber1);
    fibers.push_back(fiber2);

    // 运行调度器
    scheduler();

    std::cout << "All fibers finished" << std::endl;

    // 清理 (省略)

    return 0;
}

代码解释：

timerHandler 函数是信号处理函数。当定时器中断发生时，该函数会被调用。它保存当前 Fiber 的状态，并切换回调度器。
scheduler 函数设置定时器，并循环遍历所有 Fiber，选择一个 Fiber 运行。

重要提示：

这段代码是伪代码，因为它使用了信号机制，这在不同的操作系统上实现方式不同。
信号处理是异步的，可能会在 Fiber 执行的任何时刻发生。这需要非常小心地处理共享资源，以避免竞态条件。
抢占式调度需要操作系统支持，因为它需要使用定时器中断。

优点： 可以避免某个Fiber/Coroutine长时间占用CPU，保证所有Fiber/Coroutine都有机会运行。

缺点： 实现复杂，需要操作系统支持。上下文切换可能发生在Fiber/Coroutine执行的任何时刻，需要小心处理共享资源，以避免竞态条件。

4. 其他考虑因素

栈大小: 为Fiber/Coroutine分配足够的栈空间非常重要。如果栈空间不足，会导致栈溢出，从而导致程序崩溃。
同步机制: 当多个Fiber/Coroutine访问共享资源时，需要使用同步机制（例如，互斥锁、信号量）来保护共享资源，避免竞态条件。
错误处理: 在实际应用中，需要处理各种错误，例如内存分配失败、栈溢出等。
调试: 调试用户态调度器可能很困难，因为上下文切换发生在用户态，调试器可能无法跟踪Fiber/Coroutine的执行。

5. 总结：上下文切换与调度策略的选择

用户态调度器是一种提高并发性能的有效方法。上下文切换是用户态调度器的核心，而调度策略则决定了哪个Fiber/Coroutine应该运行。选择合适的调度策略取决于具体的应用场景。协作式调度简单易于实现，但需要 Fiber/Coroutine 主动让出 CPU。抢占式调度可以避免某个 Fiber/Coroutine 长时间占用 CPU，但实现复杂，需要操作系统支持。

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