C++20 引入了协程（coroutines），它们让我们可以写出更直观、更高效的异步代码。协程本质上是一种可以挂起和恢复的函数，使用 co_yield、co_await、co_return 等关键字来控制执行流程。下面从基础语法、实现细节、性能收益、常见陷阱以及实战案例五个方面展开讨论。
1. 协程的基本构成
// 简单的生成器
generator <int> simple_gen(int n) {
for (int i = 0; i < n; ++i) co_yield i; // 挂起并返回当前值
}
- `generator
` 是一个模板，内部维护了状态机。
co_yield 表示将值返回给调用者，并挂起协程。co_return 用于返回终值，结束协程。
coroutine_handle
协程运行时会产生一个 coroutine_handle，用于控制协程生命周期（挂起、恢复、销毁）。标准库提供了 `std::coroutine_handle
`。如果你需要手动管理协程，可直接操作该句柄。
## 2. Promise 与 Awaiter
协程的底层机制是 **Promise** 与 **Awaiter**。Promise 用来在协程开始、返回、异常时保存状态；Awaiter 则定义了 `await_ready`、`await_suspend`、`await_resume` 三个函数，决定协程是否需要挂起。
“`cpp
struct Awaitable {
bool await_ready() const noexcept { return false; }
void await_suspend(std::coroutine_handle h) { /* 触发异步事件 */ }
int await_resume() const noexcept { return 42; }
};
“`
`co_await Awaitable{}` 会在 `await_suspend` 中挂起协程，等事件完成后再恢复。
## 3. 性能收益与成本
– **内存占用**：协程的状态机会占用一定堆内存，默认是 stackless 形式，若需要更大局部状态可以使用 `co_await` 结合 `std::promise` 或 `std::future`。
– **调度开销**：协程的挂起恢复由编译器生成的状态机完成，开销远小于线程上下文切换。
– **与异步 I/O**：在网络或文件 I/O 上，协程与事件循环配合可实现类似 `async/await` 的写法，降低回调地狱。
## 4. 常见陷阱
| 现象 | 说明 | 解决方案 |
|——|——|———-|
| 协程抛异常导致程序崩溃 | Promise 默认不捕获异常 | 在 `promise_type` 中实现 `void unhandled_exception()` |
| 内存泄漏 | 未手动销毁 `coroutine_handle` | 使用 `co_return` 或 `co_await` 时让 `await_suspend` 负责销毁 |
| 线程安全 | 协程不等价于线程 | 使用 `std::atomic` 或互斥锁保护共享状态 |
## 5. 实战案例：异步文件读取
假设我们使用 libuv 或 ASIO 实现异步文件读取，下面给出一个简化示例，演示如何把异步回调包装成可协程的 `Awaitable`。
“`cpp
#include
#include
#include
#include
#include
struct AsyncRead {
std::string filename;
std::vector
buffer;
struct Awaiter {
AsyncRead* self;
bool await_ready() const noexcept { return false; }
void await_suspend(std::coroutine_handle h) {
// 简化：同步读取文件，实际场景中会调用异步 API
std::ifstream f(self->filename, std::ios::binary);
if (f) {
f.seekg(0, std::ios::end);
size_t size = f.tellg();
f.seekg(0);
self->buffer.resize(size);
f.read(self->buffer.data(), size);
}
h.resume(); // 读取完成后立即恢复
}
std::vector
await_resume() noexcept { return std::move(self->buffer); }
};
Awaiter operator co_await() { return Awaiter{this}; }
};
async_auto read_file(std::string name) -> std::vector
{
AsyncRead ar{std::move(name)};
co_return co_await ar;
}
int main() {
auto task = read_file(“example.txt”);
std::string content(task.begin(), task.end());
std::cout
