C++20 中的协程：从概念到实践

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协程（Coroutine）是 C++20 的一个重要新特性，它为异步编程提供了一种更直观、更易于维护的方式。传统的异步编程往往依赖回调、状态机或者第三方库（如 Boost.Asio、libuv 等），代码可读性差、错误易出。协程通过让函数能够挂起和恢复，隐藏了底层的状态机实现，让编写异步代码如同编写同步代码一样简单。

1. 协程的基本概念

协程是一种可挂起的函数，它在执行过程中可以暂停（co_await、co_yield 或 co_return）并保留其执行状态，随后再恢复继续执行。C++20 对协程的支持主要体现在以下几个关键字上：

  • co_await：挂起协程，等待异步操作完成后继续执行。
  • co_yield：产生一个值并挂起协程，常用于生成器（generator）模式。
  • co_return：返回值并结束协程，等价于普通函数的 return。

2. 协程的实现细节

在 C++20 标准中，协程的实现依赖于 协程框架（std::coroutine_handle、std::suspend_always、std::suspend_never 等）。编译器会为协程生成一个隐藏的状态机对象，负责保存局部变量、栈帧以及返回点。以下是一个最小化协程的结构：

struct task {
    struct promise_type {
        task get_return_object() { return {}; }
        std::suspend_always initial_suspend() { return {}; }
        std::suspend_always final_suspend() noexcept { return {}; }
        void return_void() {}
        void unhandled_exception() { std::terminate(); }
    };
};

协程的入口是 initial_suspend，决定协程是否立即开始执行；退出点是 final_suspend，在此处协程可以执行清理工作。若想在协程内部产生异步结果，需要自定义 awaitable 类型并实现 await_ready、await_suspend、await_resume 三个成员函数。

3. 一个实战示例：异步文件读取

下面给出一个完整的示例，演示如何使用协程读取文件内容。示例使用标准库的 `

`、“，并自定义一个 `awaitable` 类型来包装文件读取操作。 “`cpp #include #include #include #include #include #include namespace fs = std::filesystem; // awaitable wrapper struct async_read { fs::path file_path; std::vector buffer; std::size_t size; std::exception_ptr exc; struct awaiter { async_read& self; bool await_ready() noexcept { return false; } void await_suspend(std::coroutine_handle h) noexcept { // 开启异步读操作 std::thread([self = &self, h]() { try { std::ifstream in(self->file_path, std::ios::binary); if (!in) throw std::runtime_error(“文件打开失败”); self->buffer.resize(self->size); in.read(self->buffer.data(), self->size); } catch (…) { self->exc = std::current_exception(); } h.resume(); // 恢复协程 }).detach(); } std::vector await_resume() { if (exc) std::rethrow_exception(exc); return std::move(buffer); } }; awaiter operator co_await() { return { *this }; } }; // 简易 task 类型 struct task { struct promise_type { task get_return_object() { return {}; } std::suspend_never initial_suspend() noexcept { return {}; } std::suspend_never final_suspend() noexcept { return {}; } void return_void() {} void unhandled_exception() { std::terminate(); } }; }; task read_file(const fs::path& path, std::size_t size) { auto data = co_await async_read{path, {}, size, nullptr}; std::cout (10, data.size()); ++i) std::cout (static_cast(data[i]))

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