协程的原理

为什么要有协程？

要用易于理解的同步方式的代码表达来表示异步的东西，并且其拥有异步的性能。

同步与异步的优缺点

异步：性能高，但是代码逻辑比较复杂。 同步：性能低，代码逻辑较人易于理解。

如何实现协程？

1. 先举一个简单的例子，现在有如下代码：

   //同步，符合人类直觉
   func(){
    send();
    recv();
   }
   //异步，有三个线程调用以下代码，逻辑较复杂。
   callback(){
    recv();
   }
   func(){
    send_http(fd,callback);
   }
   

   现想用上述同步的编程方式来实现异步，如下：

   func(){
    async_send(fd, callback);
    async_recv(fd, buffer);
   }
   async_xxx(){
    if(1 == poll(fd,0)) {
        switch();
    }
   }
   

   switch操作原语：如switch(1,2)从1跳转到2。有以下三种实现方式：

   1.setjmp/longjmp。

#include <stdio.h>
#include <setjmp.h>

jmp_buf env; //

void func(int arg) {
	printf("func: %d\n", arg);
	longjmp(env, ++arg);
}
int main() {
	int ret = setjmp(env); //
	if (ret == 0) {
		func(ret);
	} else if (ret == 1) {
		func(ret);
	} else if (ret == 2) {
		func(ret);
	} else if (ret == 3) {
		func(ret);
	}
	return 0;
}
//使用这个方法逻辑还是较为复杂

2.ucontext。

这里通过一张图来解释下面的使用ucontext来进行协程运作的代码，每个协程通过跳转到统一的调度器main_ctx中重新对其进行调度来实现并行运作。一个resume代表恢复到某个协程，yield代表让步本资源，回到调度器中等待重新调度，这两个原语过程看作一个switch。

#include <ucontext.h>
#include <stdio.h>
// #include <asm-generic/ucontext.h>

ucontext_t ctx[2];
ucontext_t main_ctx;
int count = 0;
void func1(){
    while(count++ < 20){
        printf("func1: start\n");
        swapcontext(&ctx[0], &ctx[1]);
        printf("func1: end\n");
    }
}

void func2(){
    while(count++ < 20){
        printf("func2: start\n");
        swapcontext(&ctx[1], &ctx[0]);
        printf("func2: end\n");
    }
}
int main(){
    char stack1[2048] = {0};
    char stack2[2048] = {0};

    getcontext(&ctx[0]);
    ctx[0].uc_stack.ss_sp = stack1;
    ctx[0].uc_stack.ss_size = sizeof(stack1);
    ctx[0].uc_link = &main_ctx;
    makecontext(&ctx[0], func1, 0);

    getcontext(&ctx[1]);
    ctx[1].uc_stack.ss_sp = stack2;
    ctx[1].uc_stack.ss_size = sizeof(stack2);
    ctx[1].uc_link = &main_ctx;
    makecontext(&ctx[1], func2, 0);
    
    printf ("start coroutine:\n");
    swapcontext(&main_ctx, &ctx[0]);
    printf("\n");
}

3. 汇编实现:

若从协程a转换到协程b： 将co_a中寄存器的值保存后，然后加载co_b。 如下代码所示：

store:
mov eax (co_a.a);
mov ebx (co_a.b);
load：
mov (co_b.a) eax;
mov (co_b.b) ebx;

三者之间的使用分析： 1.setjmp/longjmp：跨平台性最好，性能其次。 2.ucontext：实现最容易，性能最差。 3.汇编：对硬件体系结构需实现不同的版本，性能最高。

下一篇文章将会详细介绍如何将其应用到具体的业务场景中。