C++20的协程：异步编程的新利器

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在C++20中，协程（coroutine）被正式纳入标准库，成为处理异步操作的一把利器。协程的核心在于“挂起”和“恢复”，通过这些机制，程序员可以写出像同步代码一样易读、易维护的异步程序。下面从协程的语法、实现原理以及实际应用几个方面进行介绍。

1. 协程的基本语法

协程的核心语法是co_await、co_yield和co_return。一个协程函数返回的类型必须满足“协程返回类型”协议，一般使用std::future、std::generator或自定义的awaitable等。 

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

struct Awaitable {
    bool await_ready() const noexcept { return false; }
    void await_suspend(std::coroutine_handle<> h) const noexcept {
        std::thread([h]{
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
            h.resume();
        }).detach();
    }
    int await_resume() const noexcept { return 42; }
};

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() {}
    };
};

Task example() {
    std::cout << "Before await\n";
    int value = co_await Awaitable{};
    std::cout << "After await, value = " << value << "\n";
}

上述示例展示了一个简单的协程example()，它在co_await时挂起，等到Awaitable内部线程完成后再恢复。

2. 协程的实现原理

C++协程在编译期会被转换为一个状态机。关键点包括：

  1. 协程句柄（std::coroutine_handle）：持有协程的状态（栈帧、局部变量等），可以在挂起点恢复执行。
  2. 挂起点：co_await、co_yield、co_return会生成不同的挂起点。await_ready()决定是否立即继续；await_suspend()在挂起时被调用，返回std::coroutine_handle可用于恢复。
  3. 生成器模式：co_yield可以生成值序列，适用于惰性迭代。

编译器在生成协程时会对局部变量进行“保留”或“移动”，确保在挂起恢复时能恢复完整的状态。

3. 在异步编程中的应用

3.1 网络 I/O

使用协程配合异步 I/O 库（如Boost.Asio、libuv）可以让网络代码保持同步风格。 

asio::awaitable <void> handle_client(tcp::socket sock) {
    std::array<char, 1024> buffer;
    std::size_t n = co_await sock.async_read_some(asio::buffer(buffer), asio::use_awaitable);
    co_await sock.async_write_some(asio::buffer(buffer.data(), n), asio::use_awaitable);
}

这里async_read_some返回一个awaitable，协程在 I/O 完成前挂起，I/O 线程完成后恢复。

3.2 并行计算

协程可以与线程池结合，实现在主线程中异步等待计算结果。 

std::future <int> heavy_computation() {
    return std::async(std::launch::async, []{ /* 计算 */ return 123; });
}

asio::awaitable <void> main_task() {
    int result = co_await std::move(heavy_computation()); // 在 async 线程完成后恢复
    std::cout << "Result: " << result << "\n";
}

3.3 UI 与事件循环

在 GUI 应用中，协程可以替代回调链，简化事件处理逻辑。

4. 与传统异步模型的比较

方式 代码可读性 开销 灵活性
回调 低，容易产生“回调地狱” 低 高
Future/Promise 中等，仍需链式操作 中 高
协程 高，接近同步写法 低到中 高

协程将同步代码的可读性与异步执行的性能优势相结合，是现代C++异步编程的主流选择。

5. 未来展望

C++23 将进一步完善协程功能，加入 std::generator、std::task 等更直观的协程返回类型，提升标准库对异步编程的支持。预计将有更多标准库组件（如文件 I/O、数据库访问）提供协程化接口，降低开发者的学习门槛。

小结

  • C++20 的协程是处理异步任务的强大工具。
  • 通过 co_await、co_yield、co_return 让代码保持同步的可读性。
  • 在网络、并行计算、UI 等领域已得到广泛应用。
  • 随着 C++23 的发布，协程将进一步成熟，成为 C++ 开发者不可或缺的技能。

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