展开菜单
首页 精品内容 本月促销 装机必备 Windows PDF教程 macOS软件 IOS软件 Android AI 专题
全部分类

当前位置:

首页 > 编程开发 > `co_await` 按下暂停键之后:从零看懂 C++20 协程

`co_await` 按下暂停键之后:从零看懂 C++20 协程

C++20协程通过编译器生成的状态机实现暂停与恢复,协程帧保存局部变量和执行位置。promise_type和awaiter定义了暂停与恢复协议,调度器协调线程执行就绪协程。核心难点在于协程帧生命周期管理,需确保只有一个出口负责恢复,并覆盖所有异常情况。

本文目录

    协程最吸引人的地方,在于它能用接近同步代码的写法来表达异步流程:

    `co_await` 按下暂停键之后:从零看懂 C++20 协程

     复制代码auto data = co_await socket.read();
    auto result = parse(data);
    co_await socket.write(result);
    

    代码从上到下,像普通函数一样自然;但在等待网络数据时,线程并没有停在那里干等着。

    这看起来有点像魔法,其实背后无非三件事:编译器生成状态机,协程主动保存现场,运行时在条件满足后恢复它。 本文就从这三件事出发,一步步拆解协程是如何创建、暂停、调度和恢复的,并解释它为什么特别适合解决高并发 I/O 问题。

    1. 协程不是轻量级线程

    “轻量级线程”这个说法很方便,但不够准确。

    线程由操作系统调度,拥有独立的调用栈,可以在任意指令附近被抢占。而协程通常由应用程序来调度,没有独立的传统线程栈,只会在约定的暂停点主动交出执行权。

    更合适的理解方式是这样的:

    • 线程是执行代码的工人;
    • 协程是一张可以暂停的任务单;
    • 调度器决定哪个工人来处理哪张任务单。

    一个线程可以先执行协程 A。A 在等待网络时暂停下来,这个线程马上就能转去执行协程 B。当数据到达后,A 被放回就绪队列,未来可能由原来的线程恢复,也可能由另一个线程接手。

    所以,协程减少的不是计算量,而是等待所造成的线程占用。

    2. 暂停之后,局部变量去了哪里

    普通函数的状态主要保存在调用栈中。函数返回后,栈帧销毁,局部变量和执行位置也就跟着消失了。

    但协程需要在暂停后保留这些信息。编译器会把协程函数改写成状态机,并创建一块协程帧,它通常包含:

    • 函数参数;
    • 那些跨越暂停点之后仍要使用的局部变量;
    • 当前执行到了哪个暂停点;
    • Promise 对象;
    • 恢复和销毁协程所需的管理信息。

    举个例子:

     复制代码Task download() {
        std::string url = "https://example.com/data";
        auto body = co_await async_get(url);
        sa ve(body);
    }
    

    在等待 HTTP 响应的时候,url 之后还可能被用到,执行位置也必须被记住。它们都会随协程状态一起保存在协程帧中,而不是依赖当前线程的调用栈一直存在。

    std::coroutine_handle 可以看作是指向协程帧的轻量级句柄:

     复制代码handle.resume();   // 从上次暂停的位置继续执行
    handle.done();     // 查询协程是否已经结束
    handle.destroy();  // 销毁协程帧
    

    句柄通常只是一个指针大小的对象。真正需要认真对待的,是它背后那个协程帧的生命周期管理。

    3. Promise:协程与外部世界的接口

    C++20 没有提供一个现成的 Task 类型,而是提供了一套协议,让库作者来自定义协程的行为。只要一个函数使用了 co_await、co_yield 或 co_return,编译器就会通过返回类型找到对应的 promise_type。

    下面是一个只用来解释结构的最小 Task:

     复制代码#include 
    #include 
    #include class Task {
    public:
        struct promise_type {
            Task get_return_object() {
                return Task{
                    std::coroutine_handle::from_promise(*this)
                };
            }        std::suspend_always initial_suspend() noexcept { return {}; }
            std::suspend_always final_suspend() noexcept { return {}; }
            void return_void() noexcept {}
            void unhandled_exception() { std::terminate(); }
        };    using Handle = std::coroutine_handle;    explicit Task(Handle h) : handle_(h) {}
        Task(Task&& other) noexcept
            : handle_(std::exchange(other.handle_, {})) {}
        Task(const Task&) = delete;    ~Task() {
            if (handle_) handle_.destroy();
        }    void resume() {
            if (handle_ && !handle_.done()) handle_.resume();
        }private:
        Handle handle_;
    };
    

    这几个函数控制了协程的关键时刻:

    • get_return_object():把新建的协程帧包装成一个用户可以持有的对象;
    • initial_suspend():决定函数创建后是立即运行,还是先暂停下来;
    • final_suspend():决定函数结束时如何交还控制权和回收资源;
    • return_void():处理没有返回值的 co_return;
    • unhandled_exception():处理从协程体里逃出来的异常。

    示例中的 initial_suspend() 返回 suspend_always,意思是调用协程函数只会创建任务,而不会立即执行函数体。外部必须显式地调用 resume() 才行。这种行为通常被称为惰性启动。

    final_suspend() 同样选择了暂停,因为“协程执行结束”和“协程帧可以销毁”并不是一回事。如果外部还持有句柄,协程帧一旦被立即释放,就会留下悬空指针。

    4. co_await 到底调用了什么

    co_await expression 最终会得到一个 Awaiter。Awaiter 通常提供三个方法:

     复制代码bool await_ready();
    /* void、bool 或 coroutine_handle */ await_suspend(coroutine_handle h);
    Result await_resume();
    

    可以把它们理解成三个问题。

    结果已经准备好了吗

    await_ready() 返回 true 时,协程不会暂停,而是直接调用 await_resume()。这条路径被称为快路径。

    比如说,异步读操作可以先尝试一次非阻塞读取。如果数据已经在内核缓冲区里了,那就完全没有必要经历那套“暂停—调度—恢复”的完整流程。

    如果没有,谁来唤醒我

    await_suspend() 会收到当前协程的句柄。它可以把句柄登记到定时器、I/O 事件循环、互斥锁等待队列或者消息通道中。

    它的返回类型还会影响控制流:

    • 返回 void:当前协程确定暂停;
    • 返回 bool:true 表示暂停,false 表示取消暂停;
    • 返回另一个协程句柄:直接把控制权转移给那个协程,这叫作对称转移。

    恢复后得到什么

    协程被恢复时,会调用 await_resume()。它负责返回结果,或者在异步操作失败时抛出异常。

    所以,co_await 不是“等待一下”的语法糖,而是一份明确的暂停协议:

     复制代码检查结果 -> 必要时登记当前协程 -> 交还线程
             -> 外部事件发生 -> 恢复协程 -> 读取结果
    

    5. 用异步定时器看懂暂停与恢复

    假设运行时提供了一个线程安全的定时器队列:

     复制代码class TimerQueue {
    public:
        void add(std::chrono::steady_clock::time_point deadline,
                 std::coroutine_handle<> handle);
    };
    

    我们可以为它编写一个 Awaiter:

     复制代码class SleepAwaiter {
    public:
        SleepAwaiter(TimerQueue& timers,
                     std::chrono::milliseconds duration)
            : timers_(timers), duration_(duration) {}    bool await_ready() const noexcept {
            return duration_.count() <= 0;
        }    void await_suspend(std::coroutine_handle<> handle) {
            timers_.add(std::chrono::steady_clock::now() + duration_, handle);
        }    void await_resume() const noexcept {}private:
        TimerQueue& timers_;
        std::chrono::milliseconds duration_;
    };
    

    用户代码就可以写成这样:

     复制代码Task heartbeat(TimerQueue& timers) {
        while (true) {
            send_heartbeat();
            co_await SleepAwaiter{timers, std::chrono::seconds(1)};
        }
    }
    

    一次完整的暂停与恢复流程是这样的:

    1. await_ready() 判断出需要等待;
    2. await_suspend() 把当前协程的句柄和截止时间放进定时器队列;
    3. 协程暂停,执行它的线程可以腾出手来处理其他任务;
    4. 定时器线程发现时间到了;
    5. 运行时把协程句柄放入就绪队列;
    6. 某个工作线程取出这个句柄并调用 resume();
    7. await_resume() 返回,循环从 co_await 之后继续往下走。

    这里需要提一点:定时器线程不一定要直接调用 resume()。把句柄放回一个统一的就绪队列,通常更容易控制并发、线程亲和性以及生命周期。

    6. 调度器如何实现 M:N

    光有暂停能力,还不足以构成一个异步运行时。系统还需要一个调度器,把 M 个协程安排到 N 个工作线程上:

     复制代码                   +----------------+
    新任务 ----------> |    就绪队列     |
                       +-------+--------+
                               |
                  +------------+------------+
                  v            v            v
              Worker 1      Worker 2      Worker N
                  ^            ^            ^
                  +------------+------------+
                               |
                        I/O 或定时器就绪
    

    一个最小调度循环的核心逻辑很简单:

     复制代码while (!stopped) {
        auto handle = ready_queue.pop();
        if (handle) {
            handle.resume();
        } else {
            wait_for_work();
        }
    }
    

    当然,实际实现要复杂得多。它通常还需要考虑:

    • 全局队列和线程本地队列;
    • 工作窃取,用于平衡不同 Worker 的负载;
    • 无任务时的休眠与唤醒,避免空转浪费 CPU;
    • 防止同一个协程被重复调度;
    • 任务取消、异常传播以及运行时的关闭协议。

    M:N 并不表示 M 个任务就能同时并行执行。真正能同时运行的任务数量,仍然受 Worker 数量和 CPU 核心数限制。它解决的核心问题是:大量任务都可能存在,但只有那些真正就绪的任务才会占用线程。

    还要注意,协程调度通常还是协作式的。如果一个协程持续进行计算,从不主动到达 co_await 或其他让出点,它就会长期占住 Worker。所以,CPU 密集型的任务需要主动分段、显式地让出执行权,或者交给专门的计算线程池来处理。

    7. 真正困难的是生命周期

    写一个能暂停的 Awaiter 并不难。真正困难的地方在于,保证它在所有情况下都只完成一次,并且在此之前,协程帧始终有效。

    一个挂起的协程至少涉及三类所有权:

    • 谁拥有协程帧;
    • 谁拥有正在进行的异步操作;
    • 谁负责在成功、失败或取消时恢复协程。

    如果协程帧先被销毁了,事件循环中保存的那个句柄就会变成悬空指针;如果两个事件都尝试恢复同一个协程,就会发生重复恢复;如果关闭连接时忘了通知等待者,协程就会永远停在暂停状态。

    一个可靠的异步操作必须覆盖所有可能的出口:

    • 正常完成;
    • 超时;
    • 主动取消;
    • 对端关闭;
    • 系统调用失败;
    • 运行时整体关闭。

    常见做法是为异步操作创建共享状态,并使用原子状态机来保证只有一个出口能赢得“完成权”。那些失败的竞争者只负责清理自己的事件,不再去触碰协程。

    这里还有一条实用原则:在恢复协程之前,先把结果或错误完整地写入共享状态。 因为协程一旦恢复,就可能立即读取结果,甚至销毁整个异步操作对象。

    8. 协程不会消除并发问题

    同一个协程内部的代码看起来是顺序执行的,但两次恢复可能发生在不同的 Worker 上。所以,多个协程访问同一份数据时,仍然需要同步。

    适合协程的同步原语,通常不会阻塞系统线程。比如,异步互斥锁在获取失败时,可以把协程句柄放进等待队列;解锁时,再调度队首的协程。消息通道在没有数据时暂停接收者,在缓冲区满时暂停发送者。

    但“异步锁”并不是鼓励你在锁内部等待 I/O。持锁跨越一个不可控的 co_await,会放大竞争,也容易形成循环等待。更稳妥的做法是:

    1. 获取锁;
    2. 快速复制或更新共享状态;
    3. 释放锁;
    4. 然后再去执行那些可能长时间暂停的异步操作。

    9. 初学者最容易踩的误区

    co_await 不等于异步

    如果 Awaiter 内部调用的是一个阻塞函数,那么线程照样会被阻塞。异步能力来自于非阻塞的系统调用、事件循环和正确的恢复协议,而不是来自于关键字本身。

    协程不一定更快

    协程擅长处理大量等待型的任务。纯计算任务并不会因为改写成协程就自动加速,反而可能增加状态管理和调度的额外成本。

    暂停点同时也是并发边界

    到达 co_await 之后,其他任务可能已经修改了共享状态;恢复也可能发生在另一个线程上。所以,跨暂停点保存引用、指针或迭代器时,需要重新检查对象的生命周期和并发条件。

    不能只设计成功路径

    网络断开、超时和取消不是边角情况,它们是异步系统的日常。每次保存协程句柄时,都应该同时考虑好,它在所有异常出口下如何被安全地唤醒和回收。

    10. 阅读协程代码的三个问题

    面对一段陌生的协程代码,不妨在每个 await_suspend() 处停下来,问自己三个问题:

    1. 协程帧由谁来保活?
    2. 哪个事件负责恢复它?
    3. 超时、取消和错误发生时,怎么收尾?

    如果这三个问题都有明确且唯一的答案,那么暂停与恢复通常就是可靠的。如果其中有一个答案含糊不清,那么问题往往会在压力、断连或关闭阶段暴露出来。

    结语

    协程并没有让等待消失,它只是把等待这件事从线程手中拿走,交给了事件系统来管理。

    编译器把函数变成一个可暂停的状态机,Awaiter 把协程句柄交给外部事件,调度器再把那些已经就绪的协程交给工作线程。看懂这条链路之后,co_await 就不再像魔法了,它不过是状态机、所有权和调度协议之间一次简洁的握手。

    真正值得掌握的也不仅仅是协程语法,而是这条贯穿异步系统的原则:暂停必须有人保管,恢复必须有且只有一次,结束必须覆盖所有出口。

    本站声明:本文内容由网友自发贡献,版权归原作者所有,本站不承担相应法律责任。如您发现有涉嫌抄袭侵权的内容,请联系bd@zhengruan.com
    作者最新文章
    编程开发
    相关文章 更多
    精品专题 更多
    装机必备

    正软商城装机必备专区,精选办公、浏览器、安全防护、影音播放、压缩解压、设计创作和系统工具等电脑常用正版软件,帮助用户快速完成新电脑软件配置。

    Windows

    正软商城Windows软件专区,汇集适用于Windows电脑的办公、设计、安全防护、影音播放、开发工具和系统优化软件,提供软件介绍、系统要求、正版授权及购买下载服务。

    PDF教程

    正软商城PDF教程频道提供PDF编辑、转换、合并、拆分、压缩及格式处理方法,同时介绍常用PDF软件和工具的使用技巧。

    macOS软件

    正软商城macOS软件专区,精选适用于Mac电脑的办公、设计、影音、效率、开发和系统工具,提供软件功能介绍、macOS兼容版本、正版授权及购买下载服务。

    IOS软件

    正软商城iOS软件专区,精选适用于iPhone和iPad的办公、学习、影音、设计、效率及AI应用,提供功能介绍、适用设备、系统要求和正版获取方式等信息。

    AI

    正软商城AI软件专区,汇集AI写作、AI绘画、AI视频、AI办公、AI编程、AI翻译、智能客服和数据分析等人工智能工具,提供功能介绍、适用平台、收费方式及正版购买信息。

    Mac软件 更多
    IntelliJ IDEA macOS版
    IntelliJ IDEA macOS版

    IntelliJ IDEA 是 JetBrains 推出的专业集成开发环境,重点服务于 Java、Kotlin 与 JVM 项目开发。软件集成代码补全、静态检查、重构、调试、测试、版本控制及构建工具,并可借助插件扩展语言和框架支持。

    PyCharm macOS版
    PyCharm macOS版

    JetBrains PyCharm 是面向 Python 开发者的集成开发环境,提供智能补全、代码检查、重构、调试、测试、版本控制及虚拟环境管理功能。Mac 版兼容 Intel 与 Apple 芯片,核心功能可免费使用。

    WebStorm macOS版
    WebStorm macOS版

    JetBrains WebStorm 是面向 JavaScript、TypeScript 和现代 Web 技术的专业集成开发环境,可智能理解项目结构,提供代码补全、重构、错误检查、运行调试、测试及 Git 工具。

    After Effects macOS版
    After Effects macOS版

    Adobe After Effects 是面向动态图形、影视特效与视频合成的专业创作软件。它提供关键帧动画、遮罩抠像、运动跟踪、三维空间、文字动画和表达式等工具,并可与 Premiere Pro、Photoshop、Illustrator

    Audition macOS版
    Audition macOS版

    Adobe Audition 是面向播客、影视后期、音乐制作及内容创作者的专业音频工作站,提供波形精修、多轨录制与混音、频谱编辑、降噪修复、响度匹配和效果处理工具,并可与 Adobe Premiere 协同完成视频声音制作。

    Bridge macOS版
    Bridge macOS版

    Adobe Bridge 是面向摄影师、设计师及内容团队的免费数字资产管理工具,可集中预览照片、视频和 Adobe 项目文件,并利用评级、标签、关键词、元数据、筛选与收藏集完成分类检索。它还支持批量重命名、格式导出、相机导入及 Camera

    Illustrator macOS版
    Illustrator macOS版

    Adobe Illustrator 是 Adobe 推出的专业矢量图形设计软件,适合在 Mac 上制作标志、图标、插画、包装、信息图及印刷版面。它以路径和锚点构建可无损缩放的图形,并提供钢笔、形状、文字、图像描摹、渐变、画板及生成式功能。

    InDesign macOS版
    InDesign macOS版

    Adobe InDesign 是面向印刷品与数字出版物的专业版面设计软件,可在 Mac 上制作书籍、杂志、宣传册、海报、报告及交互式文档。它提供精细的文字样式、网格、母版、长文档管理和印前输出能力。

    Lightroom Classic macOS版
    Lightroom Classic macOS版

    Adobe Lightroom Classic 是面向桌面摄影工作流的照片管理与后期处理软件,可将原始照片保存在本地硬盘,通过目录、关键词、评分和收藏夹高效整理图库,并提供 RAW 冲印、蒙版、镜头校正、批量同步及多格式导出等功能。

    Media Encoder macOS版
    Media Encoder macOS版

    Adobe Media Encoder 是 Adobe 推出的专业音视频编码与转码工具,可通过队列、预设和监视文件夹批量完成格式转换、代理文件创建及多平台成片输出,并与 Premiere Pro、After Effects 等软件紧密协作。

    Photoshop macOS版
    Photoshop macOS版

    Adobe Photoshop 是面向摄影师、设计师和内容创作者的专业图像处理软件,提供图层、蒙版、选区、修复、调色、文字排版、智能对象及生成式编辑等能力。Mac 版支持 Intel 与 Apple Silicon 处理器。

    Premiere Pro macOS版
    Premiere Pro macOS版

    Adobe Premiere Pro 是面向专业视频制作的非线性剪辑软件,提供多轨时间线、调色、音频处理、字幕、代理工作流和多格式输出能力,并可与 After Effects、Audition、Photoshop 及 Frame.io 协同

    WINDOWS 更多
    IntelliJ IDEA Windows版
    IntelliJ IDEA Windows版

    JetBrains IntelliJ IDEA 是以 Java、Kotlin 和 JVM 项目为核心的专业集成开发环境,提供智能补全、代码检查、安全重构、调试、测试、版本控制及构建工具集成。统一发行版的核心功能可免费用于商业和非商业项目,

    PhpStorm Windows版
    PhpStorm Windows版

    PhpStorm 是 JetBrains 面向 PHP 与现代 Web 开发打造的专业集成开发环境,提供代码补全、静态检查、重构、调试、测试、数据库、版本控制及前端语言支持。Windows 用户可直接下载安装程序,

    PyCharm Windows版
    PyCharm Windows版

    PyCharm 是 JetBrains 推出的 Python 集成开发环境,提供智能代码补全、错误检查、重构、调试、测试、Git、终端及 Jupyter Notebook 支持。统一版安装后可体验 30 天 Pro 功能,

    WebStorm Windows版
    WebStorm Windows版

    WebStorm 是 JetBrains 面向 JavaScript、TypeScript 和现代 Web 技术打造的集成开发环境。它提供项目级代码分析、智能补全、安全重构、导航搜索,并集成调试、测试、终端、Git 与常用前端工具,

    Photoshop Windows版
    Photoshop Windows版

    Adobe Photoshop 是面向摄影师、设计师和内容创作者的专业图像处理工具,可在 Windows 上完成照片修饰、选区抠图、图层合成、文字排版、绘画及生成式编辑。软件采用订阅授权,由 Creative Cloud 管理安装、更新与许

    InDesign Windows版
    InDesign Windows版

    Adobe InDesign 是面向印刷与数字出版的专业页面排版工具,可制作书籍、杂志、宣传册、海报、交互式 PDF 和电子书。它提供精细的文字样式、多页面管理、印前检查及多格式输出能力,并能与 Photoshop、Illustrator

    Illustrator Windows版
    Illustrator Windows版

    Adobe Illustrator 是用于绘制矢量图形、插画、图标、徽标和版式的专业设计工具。它以路径和锚点为核心,作品放大后仍能保持清晰,并提供画板、文字、渐变、图像描摹及精确变换等功能,适合品牌视觉、印刷物料、数字界面和商业插画创作。

    Bridge Windows版
    Bridge Windows版

    Adobe Bridge 是 Adobe 推出的创意资产管理工具,可集中预览、分类和查找照片、视频、PDF及多种设计文件,并支持元数据、关键词、评级、批量重命名和格式导出。它可与 Photoshop、Illustrator 等应用衔接,

    Lightroom Classic Windows版
    Lightroom Classic Windows版

    Adobe Lightroom Classic 是面向 Windows 桌面摄影工作流的照片管理与无损编辑工具,可通过目录集中整理大型图库,并完成 RAW 显影、局部蒙版、批量调整、打印和多格式导出。它强调本地文件管理与精细控制,

    Acrobat Pro Windows版
    Acrobat Pro Windows版

    Adobe Acrobat Pro 是面向专业 PDF 工作的综合解决方案,可在 Windows 中创建、编辑、转换、比较、整理和保护文档,并支持表单、电子签名、扫描件文字识别及敏感信息永久遮盖。订阅还包含网页、移动服务和云端协作能力,

    After Effects Windows版
    After Effects Windows版

    Adobe After Effects 是面向动态图形、动画与影视视觉特效制作的专业工具,可完成关键帧动画、图层合成、遮罩跟踪、抠像、文字动画和二维三维元素整合。Windows 版通过 Adobe Creative Cloud 安装及更新,

    Media Encoder Windows版
    Media Encoder Windows版

    Adobe Media Encoder 是 Adobe 面向视频与音频制作流程提供的专业编码和转码工具,可批量处理媒体文件、创建代理、套用输出预设并监控文件夹自动执行任务。它与 Premiere、After Effects、Audition