## C++ 中的协程：从 C++20 到未来的异步编程

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协程是 C++20 标准新增的特性，旨在简化异步编程与并发控制。通过协程，程序员可以像同步代码一样书写异步逻辑，显著提升代码可读性和维护性。下面我们从协程的基础概念、实现原理、典型使用场景以及未来可能的发展方向来展开讨论。

1. 协程的基本概念

  • 挂起点：协程在执行过程中可主动挂起，等待某些条件满足后再恢复。挂起点用 co_await、co_yield 或 co_return 表示。
  • 状态机：协程的执行过程在编译时被转换为状态机。每个挂起点对应状态机的一个状态，co_await 会导致状态机保存当前上下文并返回控制权。
  • 轻量级：协程不像线程那样占用完整的栈空间，协程的状态机仅保留必要的数据，因而资源占用更小。

2. 协程的实现机制

在 C++20 中，协程的核心是 coroutine traits 与 promise 机制。一个基本的协程需要实现：

struct MyPromise {
    MyPromise() = default;
    MyPromise(const MyPromise&) = delete;
    MyPromise& operator=(const MyPromise&) = delete;
    auto get_return_object() { return MyCo{}; }
    std::suspend_never initial_suspend() { return {}; }
    std::suspend_always final_suspend() noexcept { return {}; }
    void return_void() {}
    void unhandled_exception() { std::rethrow_exception(std::current_exception()); }
};

编译器会为 co_await、co_yield、co_return 等关键字生成对应的 await_transform、yield_value 等成员，从而把协程编译成一个可执行的状态机。

3. 协程在异步 I/O 中的应用

协程最常见的应用场景是与异步 I/O 框架结合，例如 Boost.Asio 的 co_spawn：

#include <boost/asio.hpp>
using namespace boost::asio;
namespace asio = boost::asio;

asio::awaitable <void> async_echo(tcp::socket socket) {
    char buffer[1024];
    std::size_t n = co_await socket.async_read_some(buffer, use_awaitable);
    co_await socket.async_write_some(buffer, n, use_awaitable);
}
  • 优点：代码结构直观，错误处理与同步代码保持一致；无需回调链。
  • 缺点：需要在支持协程的编译器与库上运行，迁移成本较高。

4. 与传统线程模型的比较

特点 线程 协程
调度 操作系统内核 用户空间
切换开销 较高 较低
资源占用 完整栈 仅状态机
错误处理 异常跨线程困难 与同步代码一致

在高并发 I/O 密集型场景下，协程往往能提供更好的性能与可维护性。

5. 进阶使用：自定义 awaitable

你可以通过实现 await_ready、await_suspend 与 await_resume 来创建自定义 awaitable 对象。例如：

struct Timer {
    Timer(std::chrono::milliseconds ms) : m_ms(ms) {}
    bool await_ready() const noexcept { return false; }
    void await_suspend(std::coroutine_handle<> h) {
        std::thread([=]{
            std::this_thread::sleep_for(m_ms);
            h.resume();
        }).detach();
    }
    void await_resume() const noexcept {}
private:
    std::chrono::milliseconds m_ms;
};

asio::awaitable <void> demo_timer() {
    co_await Timer(1000); // 等待1秒
    co_return;
}

通过这种方式，协程可以与多种同步/异步组件无缝对接。

6. 未来展望

  1. 协程调度器标准化
    目前标准库没有提供通用的协程调度器，依赖第三方实现。未来可能会有标准化的 std::co_spawn 与 std::awaitable 相关工具，以统一协程与事件循环的交互。

  2. 协程与并发容器
    如 std::experimental::parallel_algorithm 与协程结合，提供更高层次的并行/异步抽象。

  3. 语言级别的异常传播优化
    通过更细粒度的异常处理，协程能够在多挂起点之间安全地传播异常。

  4. 协程在 GPU 与异构计算中的应用
    随着异构计算日益普及，协程可能会被用于管理 GPU 任务与数据传输的异步过程。

7. 小结

C++20 协程为异步编程带来了更直观的语法和更低的资源消耗。虽然在生态与工具链支持上仍有提升空间，但其已成为处理高并发 I/O、网络协议和游戏逻辑等场景的强大工具。随着标准化进程的推进，协程将进一步融入 C++ 生态，成为现代 C++ 开发不可或缺的一部分。

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