简介,
本文主要讲解协程的概念和对应的协程库。
一、线程的缺点
- 首先:线程分为用户线程和内核线程。(用户线程处于用户空间,内核线程处于内核空间)
- 其次:用户线程和内核线程可以是一对多或者一对一的关系。
- 再次:多线程编程时如果线程过多,会导致上下面的频繁切换,会有性能损耗。
二、协程
- 协程,可以被认为是在应用层模拟的线程。协程避免了线程上下面切换的部分额外损耗,同时具有并发运行的优点(本质上是串行执行),降低了编写并发程序的复杂度。
- 协程的概念早于线程提出,但它是非抢占式的调度,无法实现公平的任务调用,也无法直接利用多核cpu的优势。
- 操作系统的原生api并不支持协程。(但是我们可以利用操作系统提供的其他api达到协程类似的效果,比如Windows下的芊程,实现用户协程的效果)。
- 新生的一些高级语言,如golang都是在语言的运行环境中利用线程技术模拟了一套协程。
三、优点
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对于线程,其切换是由操作系统根据其系统内核中的调度器,抢占式地进行的,不能很好地保证线程间的先后顺序;
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协程可以理解为一种用户态的轻量级线程,切换由用户定义,各任务之间可以控制执行、暂停、恢复函数,来达到多任务协作的目的;
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协程上下文切换速度快, 不会陷入内核态;
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协程具有极高的执行效率,由于子程序切换不是线程切换,是由程序自身控制,故协程没有线程切换的开销
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访问共享资源不需要使用多线程的锁机制和变量冲突,由于只有一个线程;
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以同步代码的方式写异步逻辑;
四、个人理解
再此说下个人对协程的理解(非官方)
- 协程是语言级别的概念,线程是操作系统的概念。
- 协程可以理解为一个可以挂起和恢复的函数。
- 如果你这个可以挂起和恢复的函数推送到一个容器中,维护起来,就是协程池。
- 你挂起了,线程就可以切换、执行其他的协程逻辑,等你的协程中调用了恢复,我再来执行你的恢复后的逻辑。
五、协程库
1、window系统
- Fiber (芊程)
windows下提供的实现协程的方式。 - 参见我的上一篇博客【并发编程十九】芊程(fiber)
2、unix系统(包括linux的各个版本)
glibc是GNU发布的libc库
- ucontext
该库是在unix下提供的,使用是最安全可靠,但性能较差,大概200万次/秒- - 在<ucontext.h>中定义了两种数据类型:mcontext_t ,ucontext_t 以及四个函数:getcontext(), setcontext(), makecontext(3),swapcontext(3) 以实现用户级线程在其控制进程中进行上下文切换
typedef struct ucontext_t {
struct ucontext_t *uc_link;
sigset_t uc_sigmask;
stack_t uc_stack;
mcontext_t uc_mcontext;
...
} ucontext_t;
2.1、makecontext
相当于windows系统下的芊程的CreateFiber
- 设置为入口函数的地址
void makecontext(ucontext_t *ucp, (void *func)(), int argc, ...); // https://pubs.opengroup.org/onlinepubs/7908799/xsh/makecontext.html
extern void makecontext (ucontext_t *__ucp, void (*__func) (void), int __argc, ...) __THROW; // from my pc
2.2、swapcontext
相当于windows系统下,芊程的SwitchToFiber
- 协程切换
int swapcontext(ucontext_t *restrict oucp, const ucontext_t *restrict ucp)
2.3、setcontext
恢复到ucp 指向的用户上下文(即开始执行执行的上下文), 成功调用不会返回。上下文应该是通过调用 getcontext() 或 makecontext(3) 创建的
int setcontext(const ucontext_t *ucp);
参考
linux手册翻译——getcontext(2) setcontext(2):https://www.jianshu.com/p/54f5c9fb53cf
ucontext的简单介绍:https://www.shuzhiduo.com/A/QV5Z09AVzy/
使用 setcontext 类函数实现 mini 协程库https://blog.csdn.net/liushengxi_root/article/details/85142236
3、第三方库
3.1、Boost.Coroutine2
Boost库也发布了Boost.Coroutine2协程库,其中包含了stackless和stackful两种协程的封装。(boost.coroutine已经废弃),
3.2、Boost.Context
Boost.Context这现有工具来辅助栈空间和运行状态的管理,ucontext算是历史比较悠久的,通过ucontext_t结构体保存栈信息、CPU执行上下文、信号掩码以及resume所需要的下一个ucontext_t结构的地址,但是人家实测ucontext的性能要比Boost.Context慢的多,Boost.Context是今年来C++各大协程底层支撑库的主流,性能一直在被优化。
性能佳,推荐使用,切换性能可达到1.25亿次/秒.(该说法未验证)
参考链接:
Boost.Context库简介及Boost.Coroutine协程使用方式https://juejin.cn/post/6844903790831730702
3.3、libco
- 官网mirrors / Tencent / libco
- 腾讯开源的一套c/c++版本的协程库。
- libco是微信后台大规模使用的c/c++协程库,2013年至今稳定运行在微信后台的数万台机器上。
- libco通过仅有的几个函数接口 co_create/co_resume/co_yield 再配合 co_poll,可以支持同步或者异步的写法,如线程库一样轻松。同时库里面提供了socket族函数的hook,使得后台逻辑服务几乎不用修改逻辑代码就可以完成异步化改造。
3.4、libgo
- 官网:yyzybb537/libgo
libgo-- a coroutine library and a parallel Programming Library
Libgo is a stackful coroutine library for collaborative scheduling written in C++ 11, and it is also a powerful and easy-to-use parallel programming library.
Three platforms are currently supported:
Linux
MacOSX
Windows (Win7 or above,x86 or x64,complie with VS2015/2017)
3.5、libaco
- 官网:https://github.com/hnes/libaco
- libaco - A blazing fast and lightweight C asymmetric coroutine library.
- 轻量级 C 非对称协程库
中文解释:https://www.codingdict.com/os/software/48326
4、c++20
协程已经进入了c++20的标准,我们可以使用c++20的标准来实现协程了。具体使用我们下一篇文章介绍。
【并发编程二十一】c++20协程
参考:
1、《c++服务器开发精髓》张远龙 著
2、Linux【协程】 | 常见协程库简介https://blog.csdn.net/weixin_45926547/article/details/123482246
3、C/C++ 协程库boost.coroutine2、魅族libgo、腾讯libco、开源libaco详解https://blog.csdn.net/qq_23350817/article/details/116447916
4、什么是协程?https://blog.csdn.net/ThinPikachu/article/details/121325198