如何使用C++标准库的协程库实现并发编程？

在现代C++编程中，协程库为并发编程提供了一种简洁而高效的方式。C++20引入了协程，这使得编写异步代码变得更加直观和简便。本文将详细讲解如何使用C++标准库的协程库实现并发编程。

什么是协程？

协程是一种可以在中间暂停并在之后某个时间点恢复执行的特殊函数。与传统的函数调用相比，协程提供了一种更轻量级的并发模型。这使得协程非常适合IO密集型和事件驱动的编程任务。

基本概念

协程句柄

协程句柄是对协程状态的引用。它可以暂停或者恢复协程，并查询协程的状态。在C++中，我们使用std::coroutine_handle来操作协程。

协程承诺类型

每个协程都必须指定一个承诺类型（promise type），该类型定义了协程的行为。例如，当协程开始、暂停或结束时会发生什么。

实现协程

定义承诺类型

承诺类型是协程的一个关键部分。以下是一个简单的承诺类型的定义，它适用于返回void类型的协程：

#include <coroutine>
struct promise_void {
    std::suspend_always initial_suspend() {
        return {};
    }
    
    std::suspend_always final_suspend() noexcept {
        return {};
    }
    void return_void() {
    }
    void unhandled_exception() {
        std::terminate();
    }
    promise_void get_return_object() {
        return *this;
    }
};

定义协程

定义协程需要使用co_await和co_return关键字。以下示例展示了一个简单的协程，它在两点之间暂停并恢复执行：

promise_void example_coroutine() {
    co_await std::suspend_always{}; // 暂停协程
    // 这里可以处理其他任务或等待事件发生
    co_await std::suspend_always{}; // 再次暂停协程
}

控制协程

通过协程句柄，我们可以控制协程的执行。例如，可以继续执行暂停的协程：

#include <iostream>
int main() {
    auto handle = example_coroutine(); // 创建协程
    handle.resume();                    // 恢复协程执行
    std::cout << "协程恢复执行" << std::endl;
    handle.resume();                    // 再次恢复协程执行
    std::cout << "协程任务完成" << std::endl;
    return 0;
}

并发编程

为了更好地展示协程在并发编程中的应用，我们将创建一个异步任务来模拟异步操作的处理。以下是一个简单的示例，通过协程异步处理两个任务，并等待它们完成：

#include <coroutine>
#include <iostream>
#include <thread>
struct task {
    struct promise_type {
        task get_return_object() {
            return {*this};
        }
        std::suspend_never initial_suspend() {
            return {};
        }
        std::suspend_always final_suspend() noexcept {
            return {};
        }
        void return_void() {}
        void unhandled_exception() {
            std::terminate();
        }
    };
    promise_type& promise;
};
task async_task(int task_num) {
    std::cout << "Task " << task_num << " started.\n";
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));  // 模拟异步操作
    std::cout << "Task " << task_num << " completed.\n";
    co_return;
}
int main() {
    auto task1 = async_task(1);
    auto task2 = async_task(2);
    
    task1.promise.get_return_object().promise.final_suspend();
    task2.promise.get_return_object().promise.final_suspend();
    
    std::cout << "All tasks are done.\n";
    return 0;
}

结论

C++20的协程功能为开发者提供了一种简洁、高效的并发编程方法。通过本文的示例，您应该了解了协程的基本概念和用法，并掌握了如何在C++中实现简单的异步任务。掌握协程技术，您将可以更加高效地处理复杂的并发任务。