C++20，boost协程

协程（Coroutines）详解

1. 协程的基本概念

• 暂停和恢复: 协程可以在某个点暂停执行，并在稍后从暂停的地方继续执行。这与传统的函数调用不同，传统函数一旦开始执行就会一直运行到结束。
• 异步编程: 协程非常适合处理异步操作，比如网络请求、文件I/O等。它们可以在等待I/O操作完成时暂停，从而避免阻塞线程。
• 轻量级: 协程比线程更轻量级，因为它们不需要操作系统的线程管理，切换上下文的开销也更小。

2. 协程的执行流程

• 启动协程: 使用 co_spawn 启动协程，并将其提交给执行器。
• 遇到 co_await: 协程在 co_await 处暂停执行，将控制权交还给执行器。
• 异步操作继续进行: 异步操作在后台继续进行，不会阻塞线程。执行器可以调度其他任务或协程。
• 恢复执行: 当异步操作完成时，执行器将控制权交还给协程，协程从暂停的地方继续执行。

3. 关键概念和术语

co_await

• 作用: 用于在协程中等待一个异步操作完成。它会暂停协程的执行，直到被等待的操作完成，然后恢复执行。

awaitable

• 定义: 表示可以被 co_await 等待的对象，封装了异步操作的状态和结果。
• 作用: 与 co_await 一起使用，协程会在 co_await 处暂停，直到 awaitable 对象表示的异步操作完成。

co_spawn

• 作用: 启动一个新的协程。接受一个执行器（executor）、一个协程函数和一个分离策略（detached），并启动协程的执行。

执行器（executor）

• 定义: 用于管理协程执行的对象。它负责调度协程的执行。在 Boost.Asio 中，io_context 就是一个执行器。

use_awaitable

• 作用: 一个标记，用于指示异步操作应该返回一个 awaitable 对象，从而可以在协程中使用 co_await 来等待这些操作的完成。

4. 示例代码解析

echo 协程

awaitable<void> echo(ip::tcp::socket socket)
{
    try
    {
        char data[1024];
        for (;;)
        {
            std::size_t n = co_await socket.async_read_some(buffer(data), use_awaitable);
            co_await async_write(socket, buffer(data, n), use_awaitable);
        }
    }
    catch (const std::exception& e)
    {
        std::cout << "Exception is " << e.what() << std::endl;
    }
}

• 功能: 实现一个简单的回显服务器，接收客户端发送的数据并将其原样返回。
• 流程: 使用 co_await 等待异步读取和写入操作，通过无限循环持续处理客户端的数据，捕获并打印任何异常。

listener 协程

awaitable<void> listener()
{
    auto executor = co_await this_coro::executor;
    ip::tcp::acceptor acceptor(executor, { ip::tcp::v4(), 10086 });
    for (;;)
    {
        ip::tcp::socket socket = co_await acceptor.async_accept(use_awaitable);
        co_spawn(executor, echo(std::move(socket)), detached);
    }
}

• 功能: 负责监听端口并接受新的TCP连接。
• 流程: 获取当前协程的执行器，创建TCP接受器，使用 co_await 等待异步接受连接，每当接受到一个新的连接时，使用 co_spawn 启动一个新的 echo 协程来处理该连接。

main 函数

int main()
{
    try
    {
        io_context io_context(1);
        signal_set signals(io_context, SIGINT, SIGTERM);
        signals.async_wait(& 
            {
                io_context.stop();
            }
        );
        co_spawn(io_context, listener(), detached);
        io_context.run();
    }
    catch (const std::exception& e)
    {
        std::cout << "Exception is " << e.what() << std::endl;
    }
}

• 功能: 程序的入口点，负责初始化I/O上下文并启动监听协程。
• 流程: 创建 io_context 对象，设置信号处理器，捕捉 SIGINT 和 SIGTERM 信号，并在接收到信号时停止 io_context，使用 co_spawn 启动 listener 协程，调用 io_context.run() 开始事件循环，处理异步操作。

5. 协程与线程的对比

• 协程: 轻量级、用户态、非抢占式，适用于I/O密集型任务。
• 线程: 重量级、内核态、抢占式，适用于CPU密集型任务。

6. 常见问题解答

• 为什么在 co_spawn 中传递 coroutine() 而不是 coroutine: 传递 coroutine() 是因为 co_spawn 需要一个 awaitable 对象，而不是一个可调用对象。coroutine() 调用协程函数并返回一个 awaitable 对象。