如何理解C++20新特性协程Coroutines

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目录

• 1、co_await

• 2、awaiter 的三个接口用途

• 3、协程用法的回顾

想了解上一篇文章内容的小伙伴可点击 C++20 特性 协程 Coroutines (1)

谈到什么是协程. 并且介绍了 co_yield 和 co_return 的作用. 这篇来介绍一下 co_await.

1、co_await

一个形如：

co_await awaitable

的表达式就叫一个 await-expression. co_await 表达式是用来暂停当前协程的运行, 转而等待 awaitable 的结果. 然后 awaitable 进行计算, 最终返回一个 awaiter 结构用来告诉 co_await 要做什么.

co_await 所在的函数块本身就是协程, 所以这个 co_await 也得配上一个 promise 和一个 coroutine_handle. 就像上篇文章里面 generator 类之类的东西.

这个 awaitable 可以是很多东西, 首先会检查 promise 有没有提供 await_transform 函数, 如果有就会用上, 没有就不管.

(只要提供了任何一个 await_transform, 那么每一个 awaitable 都需要找到适合它的重载, 否则就会报错. 库的实现者可以通过 await_transform 接口来限制哪些 awaitable 可以用在协程之中. 参见https://stackoverflow.com/q/65787797/14406396 )

之后的话, 会查找 operator co_await 这个函数, 预期这个 operator 返回一个 awaiter.已经是一个 awaiter 了.

2、awaiter 的三个接口用途

一个 awaiter 需要实现三个接口 await_ready() , await_suspend(std::coroutine_handle<P>) , await_resume() .

只要实现了这三个接口的东西就是 awaiter.

await_ready() 告诉 co_await 自己好了没.

await_suspend(h) 可以选择返回 void , bool , std::coroutine_handle<P> 之一. h 是本协程的 handle. P是本协程的 promise 类型 (或者是 void, 见第三篇中的解释).

如果 await_ready() 返回 false , 这个协程就会暂停. 之后:

• 如果 await_suspend(h) 返回类型是 std::coroutine_handle<Z>, 那么就会恢复这个 handle. 即运行 await_suspend(h).resume(). 这意味着暂停本协程的时候, 可以恢复另一个协程.

• 如果 await_suspend(h) 返回类型是 bool, 那么看 await_suspend(h) 的结果, 是 false 就恢复自己.

• 如果 await_suspend(h) 返回类型是 void, 那么就直接执行. 执行完暂停本协程.

如果 await_ready() 返回 true 或者协程被恢复了, 那么就执行 await_resume() , 它得到的结果就是最终结果.

所以说, 这await_ready, await_suspend, await_resume 三个接口分别表示 "有没有准备好", "停不停", "好了该咋办". 设计还是很自然的.

C++ 的协程是非对称协程, 是有一个调用/被调用的关系的. 一个协程被某个东西唤醒了, 那么它下次暂停的时候, 就会把控制流还给那个唤醒它的东西. 所以 C++ 的协程完全可以看作是一个可重入的函数.

3、协程用法的回顾

再来看上一篇文章中的伪代码

{
promise-type promise(promise-constructor-arguments); 
try {
    co_await promise.initial_suspend(); // 创建之后 第一次暂停
    function-body // 函数体
} catch ( ... ) {
    if (!initial-await-resume-called)
    throw; 
    promise.unhandled_exception(); 
}

final-suspend:
co_await promise.final_suspend(); // 最后一次暂停
}

catch 块里面出现的 !initial-await-resume-called 就是指 promise.initial_suspend() 返回的那个 await_resume() 有没有被执行过.

如果执行了, 那么这个 flag 就会立刻变成 true. 然后调用 promise.unhandled_exception() 来处理异常.

一个例子：

由于 co_await 对这三个东西的应该做什么没有做任何限制, 所以可以用来实现很多功能.

举个例子 (来自标准库), 比如我们想要设计一个协程, 能够停下任意的正时长, 就可以这样设计:

template <class Rep, class Period>
auto operator co_await(std::chrono::duration<Rep, Period> d) // operator co_await
{
    struct awaiter
    {
        std::chrono::system_clock::duration duration;
        awaiter(std::chrono::system_clock::duration d) : duration(d) {}
        bool await_ready() const { return duration.count() <= 0; }
        int await_resume() {  return 1;  }
        void await_suspend(std::coroutine_handle<> h)
        {
            std::this_thread::sleep_for(duration);
        }
    };
    return awaiter{d};
}

这样的话, 如果输入一个正的时间, 就会调用 await_suspend() 进行暂停了. 如果输入的时间是负的, 那就通过 await_ready() 返回 true 绕过了这个过程.

当然, 调用它需要在一个协程中, 也就意味着需要一个 promise 和 coroutine_handle 包装类的配合. 像这样

struct my_future
{
    struct promise_type;
    using handle = std::coroutine_handle<promise_type>;
    struct promise_type
    {
        int current_value;
        auto initial_suspend() { return std::suspend_always{}; }
        auto final_suspend() { return std::suspend_always{}; }
        void unhandled_exception() { std::terminate(); }
        /* ... */
    };
    /* ... */
private:
    my_future(handle h) : coro(h) {}
    handle coro;
};

my_future sleep_coro()
{
    printf("Start sleeping\n");
    int ans = co_await 1s;
    printf("End sleeping, with ans = %d\n", ans);
}

当然, 一个函数也可以放在 co_await 的右边, 就像 co_await g(); 只要返回的结构里面有那三个 await_* 接口就行. 甚至你可以直接 co_await std::suspend_always{};

下面是协程流控的细致分析.

int main()
{
    auto h = sleep_coro(); 
// 这一步创建协程, 在 co_await initial_suspend 处, 执行完 await_ready, await_suspend. 返回 main
// 注意 initial_suspend 返回的是 std::suspend_always{}
// 所以是一定暂停, 并且 resume 的时候什么都不做

    h.resume();
// 这一步执行上一个 await_resume 以后(什么都不做), 执行了 printf("Start sleeping\n");
// 然后收到 co_await 1s 返回的结构, 其中 await_suspend 里面需要暂停.
// 然后执行完 await_ready, await_suspend (在这个函数里暂停 1s), 返回 main

    h.resume();
// 这一步执行完 await_resume 以后(初始化 ans = 1)
// 执行了 printf("End sleeping, with ans = %d\n", ans);
// 然后在 co_await final_suspend 处执行完 await_ready, await_suspend. 就返回 main

}

感谢各位的阅读，以上就是“如何理解C++20新特性协程Coroutines”的内容了，经过本文的学习后，相信大家对如何理解C++20新特性协程Coroutines这一问题有了更深刻的体会，具体使用情况还需要大家实践验证。这里是亿速云，小编将为大家推送更多相关知识点的文章，欢迎关注！