c++20协程详解（一）

前言

本文是c++协程第一篇，主要是让大家对协程的定义，以及协程的执行流有一个初步的认识，后面还会出两篇对协程的高阶封装。

在开始正式开始协程之前，请务必记住，c++协程 不是挂起当前协程，转而执行其他协程，待 其他协程完成后在恢复当前协程，而是挂起当前协程，转而执行挂起点（awaiter）任务，待该任务结束后，恢复当前协程执行流 。话不多说，下面我们直接开始看代码。

看这篇文章之前最好先看下c++20协程的官方手册

创建一个基础的协程

接下来我们创建一个最基本协程

code

#include <coroutine>
#include <future>
#include <chrono>
#include <iostream>
#include <queue>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <memory>
#include <vector>

struct async_task_base
{
    virtual void completed() = 0;
    virtual void resume() = 0;
};


std::mutex m;
std::vector<std::shared_ptr<async_task_base>> g_resume_queue; //原来的 eventloop队列
std::vector<std::shared_ptr<async_task_base>> g_work_queue; //执行耗时操作线程队列


template <typename T>
struct AsyncAwaiter;


using namespace std::chrono_literals;


 struct suspend_always
  {
     bool await_ready() const noexcept { 
      try
      {
        std::cout << "suspend_always::await_ready" << std::endl;
      }
      catch(const std::exception& e)
      {
        std::cerr << e.what() << '\n';
      }
      return false; 
    }

     void await_suspend(std::coroutine_handle<> handle) const noexcept {
      try
      {
        std::cout << "suspend_always::await_suspend" << std::endl;
      }
      catch(const std::exception& e)
      {
        std::cerr << e.what() << '\n';
      }
      
    }

     void await_resume() const noexcept {
      try
      {
        std::cout << "suspend_always::await_resume" << std::endl;
      }
      catch(const std::exception& e)
      {
        std::cerr << e.what() << '\n';
      }
    }
  };

 struct suspend_never
  {
     bool await_ready() const noexcept { 
      try
      {
        std::cout << "suspend_never::await_ready" << std::endl;
      }
      catch(const std::exception& e)
      {
        std::cerr << e.what() << '\n';
      }
      return true; 
    }

     void await_suspend(std::coroutine_handle<> handle) const noexcept {
      try
      {
        std::cout << "suspend_never::await_suspend" << std::endl;
      }
      catch(const std::exception& e)
      {
        std::cerr << e.what() << '\n';
      }
      
    }

     void await_resume() const noexcept {
      try
      {
        std::cout << "suspend_never::await_resume" << std::endl;
      }
      catch(const std::exception& e)
      {
        std::cerr << e.what() << '\n';
      }
    }
  };


struct Result {
  struct promise_type {
    promise_type(){
      std::cout << "promise_type" << std::endl;
    }

    ~promise_type(){
      std::cout << "~promise_type" << std::endl;
    }
    suspend_never initial_suspend() {
      std::cout << "initial_suspend" << std::endl;
      return {};
    }

    suspend_never final_suspend() noexcept {
      std::cout << "final_suspend" << std::endl;
      return {};
    }

    Result get_return_object() {
      std::cout << "get_return_object" << std::endl;

      return {};
    }
    void return_void() {
        std::cout << "return_void" << std::endl;
    }

//    void return_value(int value) {

//    }

    void unhandled_exception() {

    }
  };
};


template <typename ReturnType>
struct  AsyncThread
{
    using return_type = ReturnType;

    AsyncThread(std::function<return_type ()>&& func): func_(func){

    }
    std::function<return_type ()> func_;
};


template <typename ReturnType>
struct async_task: public async_task_base{
    async_task(AsyncAwaiter<ReturnType> &awaiter)
    :owner_(awaiter)
    {

    }

    void completed() override{
        std::cout << "async_task ::  completed ############" << std::endl;
        ReturnType result = owner_.func_();
        owner_.value_ = result;
    }

    void resume() override{
        std::cout << "async_task ::  resume ############" << std::endl;
        owner_.h_.resume();
    }
    AsyncAwaiter<ReturnType> &owner_ ;
};


template <typename ReturnType>
struct AsyncAwaiter
{
    using return_type = ReturnType;

    AsyncAwaiter(AsyncThread<ReturnType>& info){
        // std::cout<< " AsyncAwaiter(AsyncThread<ReturnType>& info)" << std::endl;
        value_ = return_type{};
        func_ = info.func_;
    }


    // 该awaite直接挂起
    bool await_ready() const noexcept { 
        return false; 
    }
    
    void await_suspend(std::coroutine_handle<> h)  {
        h_ = h;
        std::lock_guard<std::mutex> g(m);
        g_work_queue.emplace_back(std::shared_ptr<async_task_base>( new async_task<uint64_t>(*this)));
    }

    return_type await_resume() const noexcept { 
        // std::cout<< "AsyncAwaiter::await_resume" << std::endl;
        return value_;
    }

  
    std::function<return_type ()> func_;
    std::coroutine_handle<> h_; 
    return_type value_ = return_type();
};


template<typename T>
inline AsyncAwaiter<T> operator co_await(AsyncThread<T>&& info)
{
    return AsyncAwaiter(info);
}


template <typename ReturnType>
AsyncThread<ReturnType> do_slow_work(std::function< ReturnType () > &&func){
    return AsyncThread<ReturnType>(std::forward< std::function< ReturnType () > >(func));
}


Result Coroutine() {
    int a = 1;
    auto func =[&]() -> uint64_t{
        // std::cout<< "do a slow work !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!" << std::endl;
        return a;
    };    
    uint64_t result = co_await do_slow_work<uint64_t>(func);
    std::cout << "@@@@@@@@@ result1 is  : " << result  << std::endl;  
    a = 2;
    result = co_await do_slow_work<uint64_t>(func);
    std::cout << "@@@@@@@@@ result2 is  : " << result  << std::endl; 
    a = 3;
    result = co_await do_slow_work<uint64_t>(func);
    std::cout << "@@@@@@@@@ result3 is  : " << result  << std::endl; 
    co_return;
};


void do_work() {
    while (1)
    {
        // 加锁
        // std::cout << "void do_work()  "   << std::endl;
        // std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1)); //！！！！！还有这个加锁要在锁钱前不然，让出cpu后，由于还没有解锁，又会被其他线程再拿到锁，这样就死锁了

        std::lock_guard<std::mutex> g(m);

        // std::cout << " g_work_queue size " << g_resume_queue.size()   << std::endl;

        for(auto task : g_work_queue){
            task->completed();
            g_resume_queue.push_back(task);
        }
        
        // g_resume_queue.assign(g_work_queue.begin(), g_work_queue.end());   //！！！！！！！这里有个大坑坑查了好久，如果连续两次先进来这里，会把g_raw_work_queue中的元素给清理掉，导致后面无法恢复
        g_work_queue.clear();
        // std::cout << " g_resume_queue size " << g_resume_queue.size()   << std::endl;
    }   
    
}

void run_event_loop(){
    std::vector<std::shared_ptr<async_task_base>> g_raw_work_queue_tmp;
    while(1){
        g_raw_work_queue_tmp.clear();
        // std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1)); 
        {
            std::lock_guard<std::mutex> g(m);
            
            // for(auto &task : g_resume_queue){
            //     task->resume();
            // }
            g_raw_work_queue_tmp.swap(g_resume_queue);
        }

        for(auto &task : g_raw_work_queue_tmp){
            task->resume();
        }
    }
}

void test_func(){
    Coroutine();
}

int main(){
    test_func();
    std::thread work_thread(do_work);
    run_event_loop();
}

代码分析

在上述代码中我们可以看到有下面几个类

awaiter(等待体)：suspend_always ，suspend_never ，Awaiter 。前两个是标准库中已经定义好的等待体，suspend_always为挂起当前协程，suspend_never不挂起当前协程，Awaiter是我们自定义的。观察这三个类，我们不难发现都有三个成员函数await_ready ，await_suspend ，await_resume ，所以只要有这三个成员函数的类，都是等待体，都可以通过co_await挂起协程，这里我们还知道了另外一个知识点，即co_await的操作数是awaiter

coroutine(协程)：Result ，promise_type ，到这里了我们引出一个知识点c++中怎么定义一个协程？当一个函数的返回值的类型中有promise_type这个类，就是协程。那么promise_type 和Result 之间的关系是什么呢？Result只是一个外壳，由于这个类中有个类型叫promise_type，在这个函数调用时，编译器就会为之生成一些协程代码。promise_type 就是编译器实际操作的对象，这个类中必须包含下面几个函数供编译器调用：initial_suspend ，final_suspend ，get_return_object ，return_void 或return_value 。这几个函数的调用时机如下：调用一个协程函数时，首先会调用get_return_object 返回协程对象Result，这个函数只会调用一次，无论是否使用co_await；然后会执行initial_suspend，然后继续执行该协程函数体，直到co_return,这时就会调用return_void或者return_value，将完成后的值作为返回值返回给co_await前的对象；最后会执行final_suspend至此一个协程生命周期结束，释放promise_type对象。

协程基本流程初步认识

接下来我们我们运行下上面的代码看看具体流程

接下来我们描述下上面的过程吧

1.在main函数中调用Coroutine这个协程函数

2.调用get_return_object 返回一个一个Result对象

3.调用initial_suspend返回等待体suspend_never，

4.由于suspend_never的await_ready返回为true，则不调用await_suspend，直接调用await_resume

5.接下来运行到co_await Awaiter

6. Awaiter 的await_ready返回false，意味这需要在当前位置挂起协程

7.执行到Awaiter::await_suspend函数体，让该协程句柄在2s后恢复执行

8.恢复执行后，调用await_resume，将Awaiter中的值返回，一般情况下该值是某些耗时操作完成后的值

9.执行到co_return调用return_void函数

10.最后执行到final_suspend，

11.final_suspend返回的等待体的 是suspend_always ，由于 await_ready返回 false，则 进入await_suspend，挂起当前协程，由于挂起了当前协程，所以没有销毁promise_type对象，这回造成内存泄漏。

接下来修改final_suspend协程执行完不挂起

修改如下

得到结果我们发现promise_type对象被释放了

这是你或许会有一个问题？为什么要在协程执行结束挂起。这个问题其实也一种困扰着我， 在网上看到最多的就是说：去销毁一些资源，但是没有一个能够举出例子要销毁那些？别的地方不能销毁吗？所以我不是很认可。直到看到一篇博客，说到这是一种规范，如果不挂起的话，你没法通过coroutine_handle.done得知协程状态，这是一种规范，交给程序员自行销毁，更规范些，这我才觉得稍微合理些。

我们再修改下

运行结果如下：

这里我们发现在协程体内，只有co_await一个awaiter，才会走await_ready后续的流程，但是initial_suspend和final_suspend都会自动被co_await。我们一般会选择initial_suspend不挂起，final_suspend挂起。