【C++】 co_yield如何成为语法糖？解析其背后的Awaitable展开与协程状态跃迁

阿猿收手吧！2026-02-11 11:58

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深入理解C++20无栈协程：从底层原理到Awaitable与co_yield

C++20引入的无栈协程是现代C++异步编程和生成器开发的核心特性，但其底层原理、Awaitable类型设计、co_yield语法糖的本质往往让初学者感到困惑。本文将从协程核心模型出发，由浅入深拆解协程的实现逻辑、Awaitable类型的设计初衷，以及std::suspend_always/never和co_yield的底层含义，帮助读者建立完整的协程知识体系。

一、C++20无栈协程的核心底层模型

要理解协程的各类语法和类型设计，首先需要掌握其底层核心原理：

C++20协程本质是无栈协程（Stackless Coroutine） ，与传统有栈协程不同，它不会为每个协程分配独立的调用栈，而是将协程的执行状态（局部变量、暂停点、指令指针）打包成一个堆上的状态对象。

协程的核心行为------暂停（suspend）与恢复（resume），本质是：

  • 暂停：保存当前指令指针，释放调用栈，将协程状态保留在堆上；
  • 恢复：恢复指令指针，重新占用调用栈，从上次暂停的位置继续执行。

为了管理这一过程，C++20协程设计了三个核心组件：

  1. 协程返回类型（如Generator）：作为协程的"控制器"，提供暂停/恢复接口；
  2. Promise类型：协程状态的载体，存储跨暂停点的数据，定义协程生命周期规则；
  3. Awaitable类型：决定协程是否暂停、暂停时的行为、恢复后的结果。

基础示例：Generator生成器

先通过一个完整的Generator示例建立直观认知，后续将围绕该示例拆解核心概念：

cpp 复制代码 
#include <coroutine>
#include <iostream>
#include <optional>

// 协程返回类型（控制器）
struct Generator {
    using handle_type = std::coroutine_handle<>;

    // Promise类型：协程状态载体
    struct promise_type {
        std::optional<int> value;
        bool done = false;

        Generator get_return_object() {
            return Generator{handle_type::from_promise(*this)};
        }

        // 协程启动时暂停
        std::suspend_always initial_suspend() {
            std::cout << "[Promise] 协程启动，立即暂停\n";
            return {};
        }

        // 协程结束时暂停
        std::suspend_always final_suspend() noexcept {
            done = true;
            return {};
        }

        // 处理co_yield，保存值并暂停
        std::suspend_always yield_value(int val) {
            value = val;
            std::cout << "[Promise] 捕获co_yield值：" << val << "\n";
            return {};
        }

        void return_void() {}
        void unhandled_exception() { std::terminate(); }
    };

    explicit Generator(handle_type h) : coro_handle_(h) {}

    ~Generator() {
        if (coro_handle_) coro_handle_.destroy(); // 释放堆状态
    }

    // 禁用拷贝，启用移动
    Generator(const Generator&) = delete;
    Generator& operator=(const Generator&) = delete;
    Generator(Generator&& other) noexcept : coro_handle_(other.coro_handle_) {
        other.coro_handle_ = nullptr;
    }
    Generator& operator=(Generator&& other) noexcept {
        if (this != &other) {
            if (coro_handle_) coro_handle_.destroy();
            coro_handle_ = other.coro_handle_;
            other.coro_handle_ = nullptr;
        }
        return *this;
    }

    // 恢复协程执行
    bool resume() {
        if (!coro_handle_ || coro_handle_.done()) return false;
        coro_handle_.resume();
        return !coro_handle_.done();
    }

    // 获取协程产出的值
    int value() const {
        return coro_handle_.promise().value.value();
    }

private:
    handle_type coro_handle_;
};

// 协程函数：生成1~3的序列
Generator generate_numbers() {
    co_yield 1;
    co_yield 2;
    co_yield 3;
}

// 调用协程
int main() {
    Generator gen = generate_numbers();
    while (gen.resume()) {
        std::cout << "[主线程] 获取值：" << gen.value() << "\n";
    }
    return 0;
}

二、Awaitable类型：协程暂停/恢复的核心接口

Awaitable（可等待对象）是C++20协程的灵魂，它定义了"协程何时暂停、暂停时做什么、恢复后返回什么"的规则。

2.1 Awaitable类型的设计初衷

C++20设计Awaitable的核心目标是通用化、可扩展的暂停/恢复逻辑。协程的暂停场景千差万别：

  • 生成器需要"手动恢复"（如Generator）；
  • 异步任务需要"自动恢复"（如网络请求完成后）；
  • 条件执行需要"动态判断是否暂停"（如根据运行时参数）。

如果编译器硬编码暂停逻辑，无法适配所有场景。因此，C++20将暂停逻辑剥离到用户自定义的Awaitable类型中，编译器仅执行通用流程，具体逻辑由用户控制。

2.2 Awaitable的核心规范

任何能被co_await作用的类型，都称为Awaitable类型。其核心是提供一个符合规范的"等待器（awaiter）"，该等待器必须实现三个成员函数：

函数 返回值 作用
await_ready() bool 判断是否需要暂停：true=不暂停，false=需要暂停
await_suspend(h) void/bool/handle 暂停时的逻辑：保存协程句柄、注册恢复回调；返回值控制是否真正暂停
await_resume() 任意类型 恢复后的逻辑：返回等待结果（如异步任务的返回值、co_yield的产出值）
co_await的编译展开逻辑

当执行co_await awaitable时，编译器自动展开为：

cpp 复制代码 
// 1. 获取等待器
auto&& awaiter = get_awaitable(awaitable);
// 2. 判断是否暂停
if (!awaiter.await_ready()) {
    // 3. 暂停协程，执行暂停逻辑
    awaiter.await_suspend(coroutine_handle);
}
// 4. 恢复后获取结果
auto result = awaiter.await_resume();

2.3 Awaitable的两种实现方式

方式1：自身作为等待器（最常用）

直接在类型中实现三个核心函数，该类型既是Awaitable，也是等待器。标准库的std::suspend_always/std::suspend_never就是典型示例：

cpp 复制代码 
// 无条件暂停
struct suspend_always {
    constexpr bool await_ready() const noexcept { return false; }
    constexpr void await_suspend(std::coroutine_handle<>) const noexcept {}
    constexpr void await_resume() const noexcept {}
};

// 永不暂停
struct suspend_never {
    constexpr bool await_ready() const noexcept { return true; }
    constexpr void await_suspend(std::coroutine_handle<>) const noexcept {}
    constexpr void await_resume() const noexcept {}
};
方式2：重载operator co_await生成等待器

适用于为已有类型（如std::future）添加Awaitable能力：

cpp 复制代码 
template <typename T>
struct Future {
    T value;
    bool ready = false;

    // 重载co_await运算符，返回等待器
    auto operator co_await() {
        struct Awaiter {
            Future& future;
            std::coroutine_handle<> handle;

            bool await_ready() const noexcept { return future.ready; }
            void await_suspend(std::coroutine_handle<> h) noexcept {
                handle = h;
                // 模拟异步完成后恢复协程
                std::thread([this]() {
                    future.ready = true;
                    handle.resume();
                }).detach();
            }
            T await_resume() noexcept { return future.value; }
        };
        return Awaiter{*this};
    }
};

2.4 std::suspend_always/never的设计价值

这两个类型是Awaitable的"极简基础实现"，解决了协程生命周期中最核心的默认需求：

场景 使用类型 作用
协程启动时暂停（Generator） suspend_always 协程创建后不立即执行，等待调用者手动resume()，避免一次性执行完毕
协程启动时立即执行（异步任务） suspend_never 协程创建后直接执行，直到遇到第一个co_await/co_yield才暂停
协程结束时暂停 suspend_always 避免协程结束后立即销毁堆状态，等待用户手动释放（防止内存泄漏）
co_yield时暂停 suspend_always 产出值后暂停协程，等待下一次resume()获取下一个值

在Generator示例中，initial_suspend()、final_suspend()、yield_value()都返回suspend_always，正是因为生成器需要"手动控制执行节奏"------调用者通过resume()逐次获取值，而非协程自动执行完毕。

三、co_yield：Awaitable的语法糖

co_yield是C++20为生成器场景设计的语法糖，其底层完全依赖Awaitable类型实现。

3.1 co_yield的底层本质

当编写co_yield val时，编译器自动将其展开为：

cpp 复制代码 
co_await promise.yield_value(val);

以Generator示例中的co_yield 1为例，完整执行流程：

  1. 调用promise_type::yield_value(1)，将值存入Promise（堆上）；
  2. yield_value返回suspend_always（Awaitable类型）；
  3. 执行co_await suspend_always：
    • await_ready()返回false，需要暂停；
    • await_suspend()无额外操作，协程暂停；
    • 等待调用者resume()后，执行await_resume()（无返回值）。

3.2 co_yield的设计价值

  1. 简化代码 ：生成器是协程的基础场景，co_yield val比co_await promise.yield_value(val)更简洁；
  2. 语义化：直接表达"产出一个值并暂停"的语义，贴合生成器的业务逻辑；
  3. 解耦性 ：不依赖具体的Awaitable类型，只需yield_value返回符合规范的Awaitable即可------既可以返回suspend_always（手动恢复），也可以返回自定义Awaitable（自动恢复）。

四、协程执行的完整生命周期（Generator示例）

结合以上知识点，梳理Generator的完整执行流程，理解各组件的协同工作：

  1. 创建协程：

    • 调用generate_numbers()，编译器分配堆上的协程状态对象（包含Promise、指令指针）；
    • 调用promise.get_return_object()，返回绑定协程句柄的Generator；
    • 调用promise.initial_suspend()，返回suspend_always，协程在入口处暂停。

  2. 第一次resume()：

    • 恢复协程，执行到co_yield 1；
    • 调用promise.yield_value(1)，保存值并返回suspend_always；
    • 执行co_await suspend_always，协程暂停；
    • 主线程通过value()读取堆上的1。

  3. 后续resume()：

    • 重复步骤2，依次获取2、3；
    • 第四次resume()时，协程执行完毕，调用promise.final_suspend()，标记为done。

  4. 销毁协程：

    • Generator析构时，调用coro_handle_.destroy()，释放堆上的协程状态对象。

五、核心总结

  1. 协程底层核心：无栈协程将执行状态存储在堆上，通过协程句柄控制暂停/恢复，Promise类型是状态载体；
  2. Awaitable设计初衷 ：将暂停/恢复逻辑通用化、可扩展，通过await_ready/await_suspend/await_resume三个接口定义核心规则；
  3. std::suspend_always/never：极简的Awaitable实现，覆盖"无条件暂停/永不暂停"的基础场景，是协程生命周期管理的基础；
  4. co_yield本质 ：co_await promise.yield_value(val)的语法糖，专门简化生成器场景的暂停/值传递逻辑。

理解这些核心概念，就能掌握C++20协程的设计逻辑------编译器负责通用的生命周期管理，用户通过Promise和Awaitable定义具体的业务逻辑，实现灵活的暂停/恢复控制。

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