好的，没问题，咱们直接开始！
大家好，欢迎来到今天的“C++协程状态机：编译器如何玩转你的代码”讲座。今天咱们不搞那些虚头巴脑的理论，直接撸起袖子，看看编译器这老小子，是怎么把看似优雅的协程代码，变成一堆状态机的。
什么是协程？（简短回顾）
简单来说，协程是一种轻量级的并发方式，它允许你在一个函数中暂停执行，稍后再恢复执行。这和多线程不一样，协程的切换是在用户态完成的，没有内核参与，所以开销更小。
状态机：协程背后的秘密武器
协程的本质就是一个状态机。想想看，一个函数在执行过程中可能会暂停，然后恢复。这意味着函数需要记住它暂停时的状态，包括局部变量的值、执行到哪一行代码等等。状态机就是用来管理这些状态的。
编译器：协程状态机的缔造者
编译器负责将你的协程代码转换成一个状态机。这个过程相当复杂，但我们可以把它拆解成几个关键步骤：
- 识别协程： 编译器首先要识别哪些函数是协程。这通常通过
co_await、co_yield或co_return关键字来标记。 - 创建协程帧： 编译器会创建一个特殊的结构体，称为协程帧（coroutine frame）。这个结构体用于存储协程的状态信息，包括：
- 局部变量
- 参数
- 暂停点的状态
- 返回值（如果有）
- 异常信息（如果有）
- 状态枚举： 编译器会创建一个枚举类型，用于表示协程的各种状态，例如：
Initial：协程刚创建，尚未执行。Suspended：协程已暂停。Resumed：协程已恢复执行。Done：协程已完成执行。Error：协程执行过程中发生错误。
- 状态切换逻辑： 编译器会生成代码来处理状态切换。这通常涉及一个
switch语句，根据当前状态来决定下一步执行的代码。 promise_type： 协程会关联一个promise_type，它定义了协程的行为，比如如何处理返回值、异常，以及如何暂停和恢复协程。
示例：一个简单的协程
让我们看一个简单的协程示例，并逐步分析编译器如何将其转换为状态机。
#include <iostream>
#include <coroutine>
struct MyCoroutine {
struct promise_type {
int value;
MyCoroutine get_return_object() { return {std::coroutine_handle<promise_type>::from_promise(*this)}; }
std::suspend_never initial_suspend() { return {}; }
std::suspend_always final_suspend() noexcept { return {}; }
void unhandled_exception() { std::terminate(); }
void return_value(int v) { value = v; }
};
std::coroutine_handle<promise_type> h;
};
MyCoroutine my_coroutine() {
std::cout << "Coroutine started" << std::endl;
co_return 42;
}
int main() {
MyCoroutine coro = my_coroutine();
std::cout << "Coroutine returned, value: " << coro.h.promise().value << std::endl;
coro.h.destroy();
return 0;
}这个协程很简单，它打印一条消息，然后返回42。现在，让我们看看编译器可能会如何将其转换为状态机（简化版）。
伪代码：状态机转换
// 协程帧结构体
struct MyCoroutineFrame {
int value; // 保存返回值
enum class State {
Initial,
Suspended,
Done
};
State state;
};
// 协程函数（转换后）
int my_coroutine_state_machine(MyCoroutineFrame* frame) {
switch (frame->state) {
case MyCoroutineFrame::State::Initial: {
std::cout << "Coroutine started" << std::endl;
frame->value = 42;
frame->state = MyCoroutineFrame::State::Done;
break;
}
case MyCoroutineFrame::State::Suspended: {
// 恢复执行的代码（在这个例子中没有）
break;
}
case MyCoroutineFrame::State::Done: {
// 协程已完成
return 0; // 或者其他表示完成的值
}
}
return 0; // 或者其他表示完成的值
}
// 调用协程的函数（转换后）
MyCoroutine my_coroutine() {
MyCoroutineFrame* frame = new MyCoroutineFrame();
frame->state = MyCoroutineFrame::State::Initial;
my_coroutine_state_machine(frame);
MyCoroutine result;
result.frame = frame;
return result;
}
int main() {
MyCoroutine coro = my_coroutine();
std::cout << "Coroutine returned, value: " << coro.frame->value << std::endl;
delete coro.frame;
return 0;
}解释：伪代码分析
MyCoroutineFrame： 这个结构体模拟了协程帧，用于存储状态和返回值。State枚举： 定义了协程的三个状态：Initial、Suspended和Done。my_coroutine_state_machine： 这是协程转换后的核心函数，它是一个状态机。它根据frame->state的值来执行不同的代码。my_coroutine： 这个函数负责创建协程帧，初始化状态，然后调用状态机函数。main： 调用协程，并访问协程帧中的返回值。
注意： 这只是一个非常简化的示例。实际的编译器实现会更加复杂，包括处理co_await、co_yield、异常等等。
co_await：暂停和恢复的关键
co_await是协程中最重要的关键字之一。它允许协程暂停执行，等待某个操作完成，然后恢复执行。编译器如何处理co_await呢？
- Awaitable 对象：
co_await后面必须跟一个 awaitable 对象。Awaitable 对象是一个满足特定接口的对象，它定义了如何暂停和恢复协程。 await_ready： 编译器会调用 awaitable 对象的await_ready()方法。如果await_ready()返回true，表示操作已经完成，协程可以继续执行。await_suspend： 如果await_ready()返回false，编译器会调用 awaitable 对象的await_suspend()方法。await_suspend()方法负责暂停协程，并在操作完成后恢复协程。await_resume： 当操作完成后，awaitable 对象会恢复协程的执行。编译器会调用 awaitable 对象的await_resume()方法来获取操作的结果。
示例：带 co_await 的协程
#include <iostream>
#include <coroutine>
struct MyAwaitable {
bool ready = false;
bool await_ready() {
std::cout << "await_ready called" << std::endl;
return ready;
}
void await_suspend(std::coroutine_handle<> h) {
std::cout << "await_suspend called" << std::endl;
// 模拟异步操作，稍后恢复协程
std::thread([h]() {
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
h.resume();
}).detach();
}
int await_resume() {
std::cout << "await_resume called" << std::endl;
return 123;
}
};
struct MyCoroutine {
struct promise_type {
int value;
MyCoroutine get_return_object() { return {std::coroutine_handle<promise_type>::from_promise(*this)}; }
std::suspend_never initial_suspend() { return {}; }
std::suspend_always final_suspend() noexcept { return {}; }
void unhandled_exception() { std::terminate(); }
void return_value(int v) { value = v; }
};
std::coroutine_handle<promise_type> h;
};
MyCoroutine my_coroutine() {
std::cout << "Coroutine started" << std::endl;
MyAwaitable awaitable;
int result = co_await awaitable;
std::cout << "Coroutine resumed, result: " << result << std::endl;
co_return 42;
}
int main() {
MyCoroutine coro = my_coroutine();
coro.h.resume(); // 启动协程
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2)); // 等待协程完成
std::cout << "Coroutine returned, value: " << coro.h.promise().value << std::endl;
coro.h.destroy();
return 0;
}在这个例子中，my_coroutine 协程 co_await 了一个 MyAwaitable 对象。MyAwaitable 对象模拟了一个异步操作，它在 await_suspend 中暂停协程，然后在 1 秒后恢复协程。
co_yield：生成器协程
co_yield 用于创建生成器协程。生成器协程可以按需生成一系列值。编译器如何处理 co_yield 呢？
- 生成器状态： 编译器会创建一个特殊的协程帧，用于存储生成器的状态，包括当前生成的值。
yield_value： 编译器会调用promise_type的yield_value方法来存储当前生成的值。- 暂停： 编译器会暂停协程的执行，并将控制权返回给调用者。
- 恢复： 当调用者请求下一个值时，协程会恢复执行，并生成下一个值。
示例：生成器协程
#include <iostream>
#include <coroutine>
struct MyGenerator {
struct promise_type {
int current_value;
MyGenerator get_return_object() { return {std::coroutine_handle<promise_type>::from_promise(*this)}; }
std::suspend_never initial_suspend() { return {}; }
std::suspend_always final_suspend() noexcept { return {}; }
void unhandled_exception() { std::terminate(); }
std::suspend_always yield_value(int value) {
current_value = value;
return {};
}
void return_void() {}
};
std::coroutine_handle<promise_type> h;
int value() const { return h.promise().current_value; }
bool next() {
h.resume();
return !h.done();
}
};
MyGenerator my_generator() {
co_yield 1;
co_yield 2;
co_yield 3;
}
int main() {
MyGenerator generator = my_generator();
while (generator.next()) {
std::cout << "Value: " << generator.value() << std::endl;
}
generator.h.destroy();
return 0;
}在这个例子中，my_generator 协程使用 co_yield 生成一系列值。main 函数循环调用 generator.next() 来获取这些值。
总结：编译器魔法
编译器在将协程代码转换为状态机的过程中，做了大量的工作。它需要：
- 创建协程帧
- 生成状态枚举
- 处理状态切换逻辑
- 实现
co_await和co_yield的语义
这些工作都是在编译时完成的，所以协程的开销相对较小。
表格：协程关键字及其作用
| 关键字 | 作用 |
|---|---|
co_await |
暂停协程的执行，等待某个操作完成。 |
co_yield |
生成一个值，并暂停协程的执行（用于生成器协程）。 |
co_return |
返回一个值，并完成协程的执行。 |
promise_type |
定义协程的行为，包括如何处理返回值、异常，以及如何暂停和恢复协程。 |
高级话题（可选）
- Stackless vs. Stackful 协程： C++ 协程是 stackless 的，这意味着它们不能在任意位置暂停和恢复执行。Stackful 协程可以做到这一点，但开销更大。
- Awaitable 对象的设计： 如何设计高效的 awaitable 对象，以充分利用协程的优势。
- 协程在异步编程中的应用： 如何使用协程来简化异步编程模型。
最后：别怕，大胆用！
协程看起来很复杂，但实际上它们可以大大简化并发编程。希望今天的讲座能帮助大家更好地理解协程的原理，并在实际项目中大胆使用它们。
谢谢大家！