C++20 的协程与 async/await：如何写一个异步 HTTP 请求

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在 C++20 中，协程（coroutines）作为语言级特性被正式引入，提供了轻量级的异步编程模型。相比传统的基于线程或回调的方式，协程可以让代码保持同步风格，同时隐藏了异步执行的细节。本文将从头到尾演示如何使用 C++20 协程编写一个简单的异步 HTTP GET 请求，并说明关键实现细节与常见陷阱。

1. 先决条件

  • 编译器：支持 C++20 的编译器（如 GCC 11+、Clang 13+ 或 MSVC 19.32+）。示例使用 g++ -std=c++20.
  • 依赖库：本例使用 libcurl 的多路复用接口 curl_multi，并配合 asio 事件循环（可使用 boost::asio 或 standalone::asio）。
  • 网络环境：能够访问 http://httpbin.org/get。

2. 基础协程包装

C++20 的协outine 需要一个 awaiter。下面我们先实现一个 CURLAwaiter，它把 curl_multi 的事件转换为可等待的事件。

#include <curl/curl.h>
#include <asio.hpp>
#include <future>
#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>

struct CURLAwaiter {
    CURLM* multi;
    CURL* easy;
    asio::io_context& io;

    CURLAwaiter(CURLM* m, CURL* e, asio::io_context& ctx)
        : multi(m), easy(e), io(ctx) {}

    bool await_ready() noexcept { return false; }

    void await_suspend(std::coroutine_handle<> h) {
        // 这里我们使用 asio 的 timer 来轮询 curl_multi 的完成事件
        auto timer = std::make_shared<asio::steady_timer>(io, std::chrono::milliseconds(10));
        timer->async_wait([h, this, timer](const asio::error_code& ec) mutable {
            int running;
            curl_multi_perform(multi, &running);
            if (running == 0) {
                // 所有请求完成
                h.resume();
            } else {
                // 继续轮询
                timer->expires_after(std::chrono::milliseconds(10));
                timer->async_wait([h, this, timer](const asio::error_code& ec){});
            }
        });
    }

    std::string await_resume() {
        char *data;
        curl_easy_getinfo(easy, CURLINFO_PRIVATE, &data);
        return std::string(data);
    }
};

注意：上述代码是简化版，仅适用于单请求场景。真实项目需要管理多请求、错误处理、内存回收等。

3. 辅助函数：读取 curl 结果

size_t writeCallback(char* ptr, size_t size, size_t nmemb, void* userdata) {
    std::string* str = static_cast<std::string*>(userdata);
    str->append(ptr, size * nmemb);
    return size * nmemb;
}

4. 主协程函数

#include <coroutine>
#include <exception>

class SimpleAwaitable {
public:
    struct promise_type {
        std::string result;
        std::exception_ptr eptr;

        SimpleAwaitable get_return_object() {
            return SimpleAwaitable{ std::coroutine_handle <promise_type>::from_promise(*this) };
        }
        std::suspend_never initial_suspend() noexcept { return {}; }
        std::suspend_never final_suspend() noexcept { return {}; }

        void unhandled_exception() { eptr = std::current_exception(); }
        void return_void() {}
    };

    std::coroutine_handle <promise_type> coro;

    SimpleAwaitable(std::coroutine_handle <promise_type> h) : coro(h) {}
    ~SimpleAwaitable() { if (coro) coro.destroy(); }
};

SimpleAwaitable async_http_get(const std::string& url, asio::io_context& io) {
    CURLM* multi = curl_multi_init();
    CURL* easy = curl_easy_init();

    std::string buffer;
    curl_easy_setopt(easy, CURLOPT_URL, url.c_str());
    curl_easy_setopt(easy, CURLOPT_WRITEFUNCTION, writeCallback);
    curl_easy_setopt(easy, CURLOPT_WRITEDATA, &buffer);
    curl_easy_setopt(easy, CURLOPT_PRIVATE, buffer.data()); // 传递给 await_resume

    curl_multi_add_handle(multi, easy);

    co_await CURLAwaiter(multi, easy, io);
    // 这里 buffer 已经填满
    std::cout << "HTTP Response length: " << buffer.size() << " bytes\n";

    curl_multi_remove_handle(multi, easy);
    curl_easy_cleanup(easy);
    curl_multi_cleanup(multi);
}

5. 运行示例

int main() {
    asio::io_context io;

    auto task = async_http_get("http://httpbin.org/get", io);

    // 启动 io_context 的事件循环
    io.run();

    return 0;
}

编译命令（假设 libcurl 和 asio 已正确安装）：

g++ -std=c++20 -O2 -lcurl -lstdc++fs -pthread -I/path/to/asio/include main.cpp -o http_async

执行 ./http_async，你将看到类似：

HTTP Response length: 345 bytes

6. 常见坑与优化

  1. 协程悬挂：await_suspend 必须保证在协程被挂起后能够在某个时刻恢复。这里使用定时器轮询 curl_multi_perform，在高并发场景下可能导致 CPU 占用过高。可以改为使用 curl_multi_setopt(..., CURLMOPT_SOCKETFUNCTION, socketCallback) 与 curl_multi_setopt(..., CURLMOPT_TIMERFUNCTION, timerCallback)，让 curl 在 socket 可读写时直接通知我们。

  2. 错误处理：示例中没有对 curl_easy_perform 或 curl_multi_perform 的错误码做检查。生产环境请加入错误码判断并抛出异常或返回错误码。

  3. 资源管理：每个协程分配 CURLM、CURL 对象，若并发量大需要统一管理或复用 CURLM。建议使用线程池 + 协程的方式。

  4. 标准库协程：C++20 标准没有提供标准的协程包装器，所有协程包装器都需要自己实现。上述 SimpleAwaitable 只是一个最小示例，实际中建议使用成熟库（如 cppcoro、asio::awaitable 等）来简化协程逻辑。

  5. TLS/HTTPS：示例只演示了 HTTP。要支持 HTTPS，需要在 curl_easy_setopt 中开启 CURLOPT_SSL_VERIFYPEER、CURLOPT_SSL_VERIFYHOST 并提供证书。

7. 小结

C++20 的协程让异步编程更接近同步写法，减少回调地狱和错误处理的复杂性。结合 libcurl 的多路复用接口与 asio 的事件循环，能够实现高效的异步 HTTP 客户端。虽然协程本身不提供网络 I/O，还是需要配合事件驱动框架或第三方库来实现完整功能。未来的 C++ 标准和生态可能会提供更直接的异步 I/O 支持，届时我们可以进一步简化实现。祝你在 C++20 的协程世界里玩得开心！

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