Item 25 - 協程（coroutines）(中文)

什麼是協程

相信很多人看到 c++20 提供的新功能協程，因該滿頭問號，更不用說去使用了? 到底協程是不是多線程? 直接說答案:不是!

協程本身並不是一種多線程技術，而是一種在單線程內實現非阻塞異步操作的方法。 協程允許在一個線程內進行高效的任務切換，而不需要多線程帶來的上下文切換和同步開銷。 了解到這點後，再去看 code 就會清楚很多了。

協程與多線程的區別

協程（Coroutines）:

1. 單線程內的協作: 協程在同一線程內運行，通過讓出和恢復控制權來實現異步操作。
2. 輕量級: 協程的上下文切換比線程輕量得多，因為不涉及操作系統層面的上下文切換。
3. 控制權讓出: 協程可以在需要等待的時候讓出控制權，允許其他協程運行。
4. 簡化異步編程: 協程可以使異步代碼看起來像同步代碼，簡化了異步編程的複雜性。

多線程（Multithreading）:

1. 多線程並行執行: 多線程允許在多個處理器核上並行運行代碼，適合計算密集型任務。
2. 上下文切換開銷高: 線程的上下文切換涉及操作系統的調度，開銷較高。
3. 需要同步機制: 多線程之間需要使用鎖或其他同步機制來保護共享數據，避免競態條件。
4. 複雜性: 多線程編程通常更複雜，容易出現死鎖、競態條件等問題。

#include <iostream>
#include <coroutine>
#include <thread>

struct ReturnObject {
    struct promise_type {
        ReturnObject get_return_object() {
            return {
                .h = std::coroutine_handle<promise_type>::from_promise(*this)
            };
        }
        std::suspend_never initial_suspend() {
            return {};
        }
        std::suspend_never final_suspend() noexcept {
            return {};
        }
        void unhandled_exception() {
            std::terminate();
        }
        void return_void() {}
    };

    std::coroutine_handle<promise_type> h;
};

ReturnObject counter() {
    std::cout << "enter counter: " << std::endl;
    for (int i = 0; i < 3; ++i) {
        std::cout << "counter: " << i << std::endl;
        co_await std::suspend_always{};
        std::cout << "thread ID:[" << std::this_thread::get_id() << "]" << std::endl;
        std::cout << "counter after suspend_always: " << i << std::endl;
    }
    std::cout << "leave counter: " << std::endl;
}

int main() {

    std::cout << "main thread ID:[" << std::this_thread::get_id() <<"]" << std::endl;
    std::cout << "-----------" << std::endl;

    auto c = counter();
    for (int i = 0; i < 3; ++i) {
        std::cout << "main loop i: " << i << std::endl;
        c.h();
        std::cout << "-----------" << std::endl;
    }
    return 0;
}

Note

ReturnObject get_return_object() {
    return {
        .h = std::coroutine_handle<promise_type>::from_promise(*this)
    };
}

這邊的 .h 就是使用到 designated initializer

執行結果

1. 可以看到從頭到尾都是 main thread 在執行
2. 執行順序 counter’s loop -> main’s loop -> counter’s loop….

使用時機

協程適用於以下情境：

1. 異步 I/O 操作: 如網絡請求、文件讀寫等，需要等待 I/O 操作完成而不阻塞主線程。
2. 事件驅動的應用: 如 GUI 應用程序，需要在處理用戶事件時保持界面響應。
3. 遊戲開發: 需要處理異步事件，如資源加載、網絡通信等。
4. 協作多任務: 需要在單線程內高效地切換任務，如數據流處理、異步計算等。

如果你看到這裡還是覺得有點模糊，沒關係，第一次看都是這樣的, 只要記住最重要的一點，協程不是一種多線程技術，其餘的多看幾次就可以了解了。