C++中的协程编程详解-猿码集

1. 前置知识

C++协程编程需要一些前置知识，如C++11及以上版本，Lambda表达式的使用和理解，以及函数对象、函数指针等的概念。

2. C++中的协程

2.1 协程的概念

协程（Coroutines）是一种特殊的子例程，可以在某个位置挂起执行，并在之后的某个时刻恢复执行。与线程有所区别，在程序执行过程中，协程能够挂起其自身的执行上下文，然后切换到另外一个执行上下文中，等到指定时机再次回到原来的上下文中，继续执行代码。

协程的执行上下文包含了程序计数器和栈，协程使用其自身的栈来保存状态。多个协程可以共享同一个堆（Heap）。

2.2 协程的优点

协程比线程更轻量级，协程只需要一次函数调用和一些存储来实现上下文切换，而线程则需要操作系统进行上下文切换。在分布式系统和高并发系统中，使用协程可以显著提高性能。

2.3 协程的使用

C++20标准中引入了协程库（Coroutine Library），为了使用协程，需要包含头文件。在协程库中，使用关键字co_await、co_yield以及co_return等来完成协程的操作。

下面是一个简单的协程示例：


#include 
#include 
 
struct MyCoro {
    struct promise_type {
        int current_value;
        auto get_return_object() { return MyCoro{std::coroutine_handle::from_promise(*this)}; }
        auto initial_suspend() { return std::suspend_never{}; }
        auto final_suspend() noexcept { return std::suspend_never{}; }
        void return_void() {}
        auto yield_value(int value) { current_value = value; return std::suspend_always{}; }
        void unhandled_exception() {}
    };
    std::coroutine_handle _coroutine;
    bool move_next() {
        _coroutine.resume();
        return not _coroutine.done();
    }
    int current_value() { return _coroutine.promise().current_value; }
    ~MyCoro() { if (_coroutine) _coroutine.destroy(); }
};
  
MyCoro counter(int start, int step)
{
    for(int i = start;; i += step)
        co_yield i;
}
  
int main()
{
    MyCoro c = counter(0, 1);
    while(c.move_next()) std::cout << c.current_value() << std::endl;
    return 0;
}

注：此代码示例来源自CSDN博客，原文链接：https://blog.csdn.net/zgsmile/article/details/107683687。

以上代码使用了一个简单的计数器，每次迭代一个值，使用co_yield指令暂停运行，并返回一个值。

协程函数例如counter返回MyCoro类型，并通过迭代器的方式使用move_next和current_value函数来使用异步协程计数器。

2.4 协程的实现

C++协程的实现，可以通过两种方式来完成：

使用伪协程（Coroutine）：伪协程依赖于语言之外的机制来实现。学习和使用起来会比较困难，但可移植性较强。

使用生成器（Generators）：这些可在C++的迭代协议及协程类型等标准库组件的帮助下使用。

伪协程的实现比较复杂，本文不再介绍，感兴趣的读者可以查阅相关资料学习。

接下来本文将介绍协程的一种实现方式——生成器。

3. C++中的生成器

3.1 生成器的概念

生成器是一种特殊的协程，其中协程函数返回序列值而不是函数体内的某个特定值。

3.2 生成器的实现

生成器被用来创建指向序列的迭代器。建议使用range-v3库中提供的生成器组件进行开发。以下是一个生成器的示例：


#include 
#include 
#include 
int main() {
    int constexpr max_val(100);
    auto const gen = ranges::views::generate([val = int{}]() mutable -> std::optional {
        return ++val <= max_val ? val : std::nullopt;
    });
    for (int rp::val : gen) { // RP的解释：此处的rp是我的声明，表达rupeng过程的想法。val则是rp经过前面的宏展开列出来的属性
        std::cout << rp::val << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
    return 0;
}

注：此代码示例来源自个人博客，原文链接：https://rupeng.blog.csdn.net/article/details/106738860。

以上代码使用range-v3库中的views::generate函数，将生成器函数和一个闭包一起提供，返回一个view类型。调用者可以使用range-for语法循环访问template-generated等同于std::optional的类。

在generate函数中，使用std::optional类型来表示序列，并返回一个optional类型的值。如果数值小于max_val，那么返回++val；否则，返回std::nullopt。

3.3 生成器的用途

生成器实现了对序列的非可变视图，这在生成大量数据的时候是非常有用的。此外，生成器可以与其他STL组件配合使用，例如filter和transform等。

4. 总结

C++中的协程编程和生成器可以帮助提高程序的性能，协程是异步编程的一种方式，应用于高并发和分布式系统场景中。生成器可以方便地生成给定序列的视图，避免生成大量数据的过程，减小内存开销。

C++中的协程编程详解