C++20 协程（Coroutines）如何简化异步编程？

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C++20 引入了协程（coroutines）这一强大的语言特性，旨在让异步编程更加直观、易读，并减少手写状态机的复杂度。下面从协程的基本概念、实现机制以及实际应用场景三方面，系统阐述协程如何帮助我们简化异步编程。

1. 协程的基本概念

协程是一种能够暂停并恢复执行的函数，它在调用时可以中途挂起（co_await、co_yield、co_return），随后在某个条件满足时再恢复。相比传统的回调或 Promise，协程的代码更像同步流程，逻辑更连贯。

C++20 协程的关键特性：

  • co_await：等待一个异步操作完成，并在完成后恢复协程。
  • co_yield：生成一个值，像生成器那样逐个产出。
  • co_return：返回最终结果，终止协程。

2. 协程的实现机制

在幕后，C++编译器会把协程函数编译成一个状态机对象。这个对象保存了：

  • 协程的本地变量状态
  • 当前执行位置（即状态机的状态值）
  • 关联的 std::coroutine_handle

协程在挂起时会保存现场，然后将控制权返回给调用者；当等待的异步操作完成后，系统会调用 resume，恢复协程继续执行。

3. 使用协程简化异步编程

3.1 传统异步实现（回调示例）

void read_file_async(const std::string& path,
                     std::function<void(std::string)> callback) {
    std::thread([=]{
        std::string content = read_file(path); // 阻塞IO
        callback(content);
    }).detach();
}

read_file_async("example.txt", [](std::string data){
    std::cout << "文件内容: " << data << '\n';
});

上述代码需要额外的线程、回调函数以及线程安全考虑，代码结构较为分散。

3.2 协程实现（更简洁）

// 简单的异步文件读取协程包装
struct async_file_reader {
    struct promise_type;
    using handle_type = std::coroutine_handle <promise_type>;

    struct promise_type {
        std::string result;
        async_file_reader get_return_object() {
            return async_file_reader{handle_type::from_promise(*this)};
        }
        std::suspend_never initial_suspend() { return {}; }
        std::suspend_never final_suspend() noexcept { return {}; }
        void return_value(std::string r) { result = std::move(r); }
        void unhandled_exception() { std::exit(1); }
    };

    handle_type coro;

    std::string get() { return coro.promise().result; }
    ~async_file_reader() { coro.destroy(); }
};

async_file_reader read_file_async(const std::string& path) {
    std::string content = co_await async_io::read_file(path); // 假设存在 async_io 库
    co_return std::move(content);
}

int main() {
    auto reader = read_file_async("example.txt");
    std::cout << "文件内容: " << reader.get() << '\n';
}

此处 async_io::read_file 返回一个可以 co_await 的对象，协程在等待期间挂起，文件读取完成后自动恢复。代码像同步操作一样流畅，逻辑清晰。

3.3 组合多个异步操作

使用 co_await 可以按顺序组合多个异步任务，甚至并行等待：

async_task <void> download_and_process() {
    auto resp = co_await http_get("https://example.com/data");
    auto parsed = co_await json_parse(resp.body());
    co_await save_to_db(parsed);
}

无须显式 then 或回调链，错误处理也更集中。

4. 典型应用场景

场景 协程优势
网络IO 通过 co_await 处理连接、读写，保持单线程事件循环
文件IO 把阻塞读写包装成协程，主线程保持响应
UI事件 将用户操作与后台任务串联，避免卡顿
并行计算 通过 co_yield 生成可迭代的数据流，配合 std::ranges
微服务 轻量的异步请求链，提升吞吐量

5. 需要注意的坑

  1. 生命周期管理：协程内部的对象需确保在协程完成前保持有效，使用 std::shared_ptr 或 std::unique_ptr。
  2. 异常传播：协程内部抛出的异常会被包装进 promise_type::unhandled_exception，要做好异常捕获。
  3. 性能开销：状态机对象占用内存，过多小协程可能导致堆栈碎片。必要时使用 std::suspend_always 控制挂起。

6. 结语

C++20 的协程特性为异步编程提供了一种更加自然、可读性高的方式。通过协程，程序员可以像写同步代码一样组织异步逻辑，显著降低回调地狱、状态机实现的复杂度。随着生态库（如 cppcoro、asio）的成熟，协程将成为 C++ 高性能网络、IO 和并发编程的标准工具。

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