C++20 协程：从基础到实战

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在 C++20 标准中，协程（coroutine）被正式纳入标准库，提供了比传统回调、线程和状态机更轻量、更易读的异步编程模型。本文将系统介绍协程的核心概念、实现机制，以及如何在实际项目中应用协程实现高性能异步 I/O。

1. 协程的基本概念

协程是可以暂停执行并在之后恢复的函数。与传统的函数不同，协程可以在任意点挂起（co_await、co_yield、co_return），并在需要时重新进入执行。协程的调用者与协程本身是解耦的，协程内部维护自己的状态，能够像普通函数一样使用局部变量。

关键字：

  • co_await：等待一个可等待对象（awaitable）完成后继续执行。
  • co_yield：产生一个值给调用者，然后暂停执行。
  • co_return：返回一个值并终止协程。

2. Awaitable 与 Awaiter

C++20 对可等待对象做了严格的抽象：

  • Awaitable：一种对象，满足 await_ready()、await_suspend() 和 await_resume() 成员函数。
  • Awaiter：await_ready 判断是否需要挂起；await_suspend 负责挂起协程，并可在挂起前注册回调；await_resume 在恢复时返回值。

2.1 标准 awaitable 的例子

#include <chrono>
#include <coroutine>
#include <iostream>

struct SleepAwaitable {
    std::chrono::milliseconds duration;
    bool await_ready() const noexcept { return duration.count() == 0; }
    void await_suspend(std::coroutine_handle<> h) {
        std::this_thread::sleep_for(duration);
        h.resume();  // 直接恢复
    }
    void await_resume() const noexcept {}
};

struct Timer {
    std::chrono::milliseconds ms;
    SleepAwaitable operator co_await() { return {ms}; }
};

3. 协程返回类型：std::future、std::generator

3.1 std::future

`std::future

` 在 C++20 标准库里提供了一个协程返回值包装器，允许协程在完成后返回一个值给调用者。 “`cpp #include std::future async_add(int a, int b) { co_return a + b; // 直接返回 } “` ### 3.2 `std::generator` `std::generator ` 用于产生一系列值，类似于 Python 的 generator。 “`cpp #include std::generator count(int n) { for (int i = 0; i #include #include #include #include using boost::asio::awaitable; using boost::asio::use_awaitable; using boost::asio::ip::tcp; namespace this_coro = boost::asio::this_coro; // 读取文件的协程 awaitable read_file(const std::string& path) { std::ifstream file(path, std::ios::binary); if (!file) co_return “”; // 读取失败 std::string data((std::istreambuf_iterator (file)), std::istreambuf_iterator ()); co_return data; } // 处理客户端连接的协程 awaitable session(tcp::socket socket) { try { // 读取 HTTP 请求（简化） std::string request; while (co_await socket.async_read_some(boost::asio::buffer(request), use_awaitable)) {} // 异步读取文件 std::string body = co_await read_file(“index.html”); // 发送响应 std::string response = “HTTP/1.1 200 OK\r\nContent-Length: ” + std::to_string(body.size()) + “\r\n\r\n” + body; co_await boost::asio::async_write(socket, boost::asio::buffer(response), use_awaitable); } catch (std::exception& e) { std::cerr do_accept; do_accept = [&]() { acceptor.async_accept(use_awaitable).then([&](awaitable a) { auto socket = a.get(); boost::asio::spawn(io_context, std::bind(session, std::move(socket))); do_accept(); // 继续接受 }); }; do_accept(); io_context.run(); } “` 上述示例中： – `read_file` 是一个纯粹的协程，只是同步读取文件后返回，演示如何将同步操作封装成协程。 – `session` 读取客户端请求并异步发送响应，整个处理流程保持同步的阅读体验，却真正以非阻塞方式完成。 ## 5. 性能与注意事项 1. **协程本地状态**：协程的状态被保存在堆上（默认），但可以通过 `co_yield` 的返回值或 `co_return` 进行优化。 2. **异常传播**：协程内部抛出的异常会在 `co_await` 的 awaiter 中捕获并重新抛出。 3. **调试难度**：由于协程在多个挂起点展开，调试时栈帧不连续，建议使用支持协程的 IDE 或工具。 ## 6. 结语 C++20 协程为异步编程提供了更自然、更高效的手段。它既可以在高性能网络服务、游戏引擎中作为核心技术，也可以在嵌入式系统里替代传统的事件循环。掌握协程的基本语法、awaitable 机制以及与标准库（如 `std::future`、`std::generator`）的配合，能够让你在现代 C++ 开发中快速写出既易读又高效的异步代码。

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