【并发编程二十】协程（coroutine)_协程库

简介，
本文主要讲解协程的概念和对应的协程库。

一、线程的缺点

• 首先：线程分为用户线程和内核线程。（用户线程处于用户空间，内核线程处于内核空间）
• 其次：用户线程和内核线程可以是一对多或者一对一的关系。
• 再次：多线程编程时如果线程过多，会导致上下面的频繁切换，会有性能损耗。

二、协程

• 协程，可以被认为是在应用层模拟的线程。协程避免了线程上下面切换的部分额外损耗，同时具有并发运行的优点（本质上是串行执行），降低了编写并发程序的复杂度。
• 协程的概念早于线程提出，但它是非抢占式的调度，无法实现公平的任务调用，也无法直接利用多核cpu的优势。
• 操作系统的原生api并不支持协程。（但是我们可以利用操作系统提供的其他api达到协程类似的效果，比如Windows下的芊程，实现用户协程的效果）。
• 新生的一些高级语言，如golang都是在语言的运行环境中利用线程技术模拟了一套协程。

三、优点

• 对于线程，其切换是由操作系统根据其系统内核中的调度器，抢占式地进行的，不能很好地保证线程间的先后顺序；

• 协程可以理解为一种用户态的轻量级线程，切换由用户定义，各任务之间可以控制执行、暂停、恢复函数，来达到多任务协作的目的；

• 协程上下文切换速度快, 不会陷入内核态；

• 协程具有极高的执行效率，由于子程序切换不是线程切换，是由程序自身控制，故协程没有线程切换的开销

• 访问共享资源不需要使用多线程的锁机制和变量冲突，由于只有一个线程；

• 以同步代码的方式写异步逻辑；

四、个人理解

再此说下个人对协程的理解（非官方）

• 协程是语言级别的概念，线程是操作系统的概念。
• 协程可以理解为一个可以挂起和恢复的函数。
• 如果你这个可以挂起和恢复的函数推送到一个容器中，维护起来，就是协程池。
• 你挂起了，线程就可以切换、执行其他的协程逻辑，等你的协程中调用了恢复，我再来执行你的恢复后的逻辑。

五、协程库

1、window系统

• Fiber (芊程)
  windows下提供的实现协程的方式。
• 参见我的上一篇博客【并发编程十九】芊程（fiber）

2、unix系统（包括linux的各个版本）

glibc是GNU发布的libc库

• ucontext
  该库是在unix下提供的，使用是最安全可靠，但性能较差，大概200万次/秒-
• 在<ucontext.h>中定义了两种数据类型：mcontext_t ，ucontext_t 以及四个函数：getcontext()， setcontext()， makecontext(3)，swapcontext(3) 以实现用户级线程在其控制进程中进行上下文切换

typedef struct ucontext_t {struct ucontext_t *uc_link;sigset_t          uc_sigmask;stack_t           uc_stack;mcontext_t        uc_mcontext;...
} ucontext_t;

2.1、makecontext

相当于windows系统下的芊程的CreateFiber

• 设置为入口函数的地址

void makecontext(ucontext_t *ucp, (void *func)(), int argc, ...); // https://pubs.opengroup.org/onlinepubs/7908799/xsh/makecontext.html
extern void makecontext (ucontext_t *__ucp, void (*__func) (void), int __argc, ...) __THROW; // from my pc

2.2、swapcontext

相当于windows系统下，芊程的SwitchToFiber

• 协程切换

int swapcontext(ucontext_t *restrict oucp, const ucontext_t *restrict ucp)

2.3、setcontext

恢复到ucp 指向的用户上下文（即开始执行执行的上下文）， 成功调用不会返回。上下文应该是通过调用 getcontext() 或 makecontext(3) 创建的

int setcontext(const ucontext_t *ucp);

参考
linux手册翻译——getcontext(2) setcontext(2):https://www.jianshu.com/p/54f5c9fb53cf
ucontext的简单介绍：https://www.shuzhiduo.com/A/QV5Z09AVzy/
使用 setcontext 类函数实现 mini 协程库https://blog.csdn.net/liushengxi_root/article/details/85142236

3、第三方库

3.1、Boost.Coroutine2

Boost库也发布了Boost.Coroutine2协程库，其中包含了stackless和stackful两种协程的封装。（boost.coroutine已经废弃）,

3.2、Boost.Context

Boost.Context这现有工具来辅助栈空间和运行状态的管理，ucontext算是历史比较悠久的，通过ucontext_t结构体保存栈信息、CPU执行上下文、信号掩码以及resume所需要的下一个ucontext_t结构的地址，但是人家实测ucontext的性能要比Boost.Context慢的多，Boost.Context是今年来C++各大协程底层支撑库的主流，性能一直在被优化。

性能佳，推荐使用，切换性能可达到1.25亿次/秒.(该说法未验证)

参考链接：
Boost.Context库简介及Boost.Coroutine协程使用方式https://juejin.cn/post/6844903790831730702

3.3、libco

• 官网mirrors / Tencent / libco
• 腾讯开源的一套c/c++版本的协程库。
• libco是微信后台大规模使用的c/c++协程库，2013年至今稳定运行在微信后台的数万台机器上。
• libco通过仅有的几个函数接口 co_create/co_resume/co_yield 再配合 co_poll，可以支持同步或者异步的写法，如线程库一样轻松。同时库里面提供了socket族函数的hook，使得后台逻辑服务几乎不用修改逻辑代码就可以完成异步化改造。

3.4、libgo

• 官网：yyzybb537/libgo
  libgo-- a coroutine library and a parallel Programming Library
  Libgo is a stackful coroutine library for collaborative scheduling written in C++ 11, and it is also a powerful and easy-to-use parallel programming library.

Three platforms are currently supported:
Linux
MacOSX
Windows (Win7 or above,x86 or x64,complie with VS2015/2017)

3.5、libaco

• 官网:https://github.com/hnes/libaco
• libaco - A blazing fast and lightweight C asymmetric coroutine library.
• 轻量级 C 非对称协程库

中文解释:https://www.codingdict.com/os/software/48326

4、c++20

协程已经进入了c++20的标准，我们可以使用c++20的标准来实现协程了。具体使用我们下一篇文章介绍。
【并发编程二十一】c++20协程

参考：
1、《c++服务器开发精髓》张远龙 著
2、Linux【协程】 | 常见协程库简介https://blog.csdn.net/weixin_45926547/article/details/123482246
3、C/C++ 协程库boost.coroutine2、魅族libgo、腾讯libco、开源libaco详解https://blog.csdn.net/qq_23350817/article/details/116447916
4、什么是协程？https://blog.csdn.net/ThinPikachu/article/details/121325198