协程（Coroutine）是C++20引入的一项重要特性，它为程序设计提供了更高层次的控制流抽象，允许非阻塞式的异步编程模型，而无需复杂的回调函数或者状态机。本文旨在深入浅出地介绍C++协程的基本概念、使用场景、常见问题、易错点及避免策略，并通过实例代码加深理解。
一、协程基础
什么是协程？
协程是一种比函数更轻量的子程序，它可以在执行过程中挂起（yield），保存当前状态，然后在稍后从同一位置恢复执行。与线程不同，协程共享栈空间，切换成本低，非常适合处理高并发、IO密集型任务。
协程的关键组件
- 协程函数：使用
co_await、co_return、co_yield关键字标记的特殊函数。 - 协程柄（Handle）：启动协程的实体，如
std::coroutine_handle。 - awaiter：实现了
std::suspend_always、std::suspend_never或自定义等待行为的类，用于控制协程的挂起和恢复。
二、使用场景
- 异步IO：网络请求、文件读写等，减少阻塞，提高系统吞吐量。
- 生成器：按需生成序列，如遍历大集合时节省内存。
- 协同多任务：实现轻量级的任务调度，替代传统的多线程模型。
三、常见问题与易错点
1. 混淆协程与线程
问题：误以为协程等同于线程，导致资源管理和同步机制选择错误。
解决：理解协程在单线程内运行，共享栈，适用于非阻塞异步操作，而非并发执行。
2. 不当使用co_await
问题：随意使用co_await可能导致不必要的协程挂起和恢复，影响性能。
解决：仅在确实需要等待异步操作完成时使用co_await，避免对同步操作使用协程。
3. 资源泄漏
问题：协程生命周期管理不当，可能导致协程柄未及时销毁，引发资源泄露。
解决：确保每个协程在不再使用时正确关闭其协程柄，使用智能指针管理资源。
四、代码示例：简单生成器协程
下面是一个简单的协程生成器示例，演示如何生成斐波那契数列：
#include <coroutine>
#include <iostream>
struct Fibonacci {
struct promise_type {
int current = 0;
int next = 1;
Fibonacci get_return_object() {
return {
std::coroutine_handle<promise_type>::from_promise(*this)};
}
std::suspend_always initial_suspend() {
return {
}; }
std::suspend_always final_suspend() noexcept {
return {
}; }
void return_void() {
}
void unhandled_exception() {
}
// 生成下一个值
int yield_value(int value) {
std::swap(current, next);
next += current;
return value;
}
};
std::coroutine_handle<promise_type> coro;
explicit Fibonacci(std::coroutine_handle<promise_type> h) : coro(h) {
}
bool next() {
if (coro.done()) return false;
std::cout << coro.promise().current << '\n';
coro();
return true;
}
};
Fibonacci fibonacci() {
for (int i = 0; i < 10; ++i)
co_yield i;
}
int main() {
Fibonacci fib = fibonacci();
while (fib.next()) {
// 打印斐波那契数列的前10项
}
// 确保协程柄正确销毁
fib.coro.destroy();
return 0;
}
五、总结
C++协程提供了一种优雅的解决方案，以应对异步编程的挑战，极大地简化了以往需要复杂状态机或回调地狱的场景。然而，正确使用协程需要对其原理有深刻的理解，避免常见的陷阱，如不当的协程生命周期管理、过度使用co_await以及混淆协程与线程的区别。通过实践和学习，开发者可以充分利用这一强大工具，编写出既高效又易于维护的代码。随着C++标准库对协程支持的不断完善，协程将在更多领域发挥重要作用。
