协程这个概念,最近这几年可是相当地流行了。尤其 go 语言问世之后,内置的协程特性,完全屏蔽了操作系统线程的复杂细节。甚至使 go 开发者“只知有协程,不知有线程”了。当然 C++也有高性能的协程库,比如我了解到的微信的libco、魅族的libgo、以及libcopp,开源libaco、boost的 coroutine,cppcoro,阿里的雅兰亭库(基于c++20特性封装好用的库)。
协程简介
协程不是进程或线程,其执行过程更类似于子例程。一个程序可以包含多个协程,我们来比较下协程和线程,加深下对协程的理解。我们知道多个线程相对独立,有自己的上下文,切换受操作系统控制;而协程也相对独立,有自己的上下文,但是其切换由自己控制,由当前协程切换到其他协程由当前协程来控制。
协程的上下文切换相较线程有哪些提升?
协程上下文切换只涉及CPU上下文切换,而所谓的CPU上下文切换是指少量寄存器(PC / SP / DX)的值修改,协程切换非常简单,就是把当前协程的 CPU 寄存器状态保存起来,然后将需要切换进来的协程的 CPU 寄存器状态加载的 CPU 寄存器上就 ok 了。而对比线程的上下文切换则需要涉及模式切换(从用户态切换到内核态)、以及 16 个寄存器、PC、SP…等寄存器的刷新。线程栈空间通常是 2M, 协程栈空间最小 2K。
CPU 调度切换的是进程和线程。尽管线程看起来很美好,但实际上多线程开发设计会变得更加复杂,要考虑很多同步竞争等问题,如锁、竞争冲突等。
多进程、多线程已经提高了系统的并发能力,但是在当今互联网高并发场景下,为每个任务都创建一个线程是不现实的,因为会消耗大量的内存 (进程虚拟内存会占用 4GB [32 位操作系统],而线程也要大约 4MB)。大量的进程 / 线程出现了新的问题:系统线程会占用非常多的内存空间,过多的线程切换会占用大量的系统时间。
协程刚好可以解决上述2个问题。协程运行在线程之上,当一个协程执行完成后,可以选择主动让出,让另一个协程运行在当前线程之上。并且,协程并没有增加线程数量,只是在线程的基础之上通过分时复用的方式运行多个协程,而且协程的切换在用户态完成,切换的代价比线程从用户态到内核态的代价小很多。
c++20是把协程这一特性加入到语法中了。只是过于灵活,使用上不太友好。如果是c++20以上推荐阿里的雅兰亭库(yalantinglibs)。雅兰亭库这名字起的够优雅,只是百度一搜,还以为是酒店或乡村名居呢,但这并不代表这库不行或不出名。为了更好使用c++20的协程,咨询c++大佬祁宇,《深入应用c++11》作者,推荐c++20以上可使用雅兰亭库,里面不但有封装好用的协程库,还有高性能的coro_rpc 远程过程调用库,方便分布式和解耦应用的开发。
libgo介绍
libgo 是一个使用 C++ 编写的协作式调度的stackful有栈协程库, 同时也是一个强大的并行编程库。支持linux平台,MacOS和windows平台,在c++11以上的环境中都能用。
之前用过go,喜欢它的协程使用方式既简单又方便。而在c++中libgo,不但性能高,使用也简单,比其它几个更好用一些,使用起来比较顺手。这里着重介绍下libgo及其使用。
libgo库的github地址:GitHub - yyzybb537/libgo: Go-style concurrency in C++11
目前也收获了2.8k的星,也算是挺火了。使用libgo编写并行程序,即可以像golang一样开发迅速且逻辑简洁,又有C++原生的性能优势。它的特点有:
1.提供golang一般功能强大协程,基于corontine编写代码,可以以同步的方式编写简单的代码,同时获得异步的性能。
2.支持海量协程, 创建100万个协程只需使用2GB内存。
3.允许用户自由控制协程调度点,随时随地变更调度线程数。
4.支持多线程调度协程,极易编写并行代码,高效的并行调度算法,可以有效利用多个CPU核心。
5.可以让链接进程序的同步的第三方库变为异步调用,大大提升其性能。再也不用担心某些DB官方不提供异步driver了,比如hiredis、mysqlclient这种客户端驱动可以直接使用,并且可以得到不输于异步driver的性能。
6.动态链接和静态链接全都支持,便于使用C++11的用户静态链接生成可执行文件并部署至低版本的linux系统上。
7.提供协程锁(co_mutex), 定时器, channel等特性, 帮助用户更加容易地编写程序。
8.网络性能强劲,在Linux系统上超越ASIO异步模型,尤其在处理小包和多线程并行方面非常强大。
在源码的samples目录下有很多示例代码,内含详细的使用说明,让用户可以很轻易地学会使用libgo。与golang的性能对比:
与腾讯开源的ligco相比,不说性能高低,在易用性方面libgo完胜。
它的使用有多简单呢,可以看一个简单的例子。有种golang的感觉,难怪名字都叫libgo,像极了对golang协程的模仿。
#include <stdio.h> #include <libgo/coroutine.h> int main(int argc, char **argv) { go []{ printf("1\n"); co_yield; printf("2\n"); }; go []{ printf("3\n"); co_yield; printf("4\n"); }; return 0; }
libgo安装配置
引入和使用libgo也是很简单的,如果有vcpkg的话,可直接使用vcpkg安装。如:
$vcpkg.exe install libgo
在linux平台下,可以使用cmake编译和安装libgo。
$ mkdir build $ cd build $ cmake ..
在cmake下的libgo使用,CMakeLists.txt中增加以下配置就可以了。
find_package(libgo CONFIG REQUIRED) target_link_libraries(main PRIVATE libgo::libgo)
libgo简单使用
#include <libgo/coroutine.h> #include <stdio.h> #include <thread> void foo() { printf("function pointer\n"); } struct A { void fA() { printf("std::bind\n"); } void fB() { printf("std::function\n"); } }; int main() { //---------------------------------- // 使用关键字go创建协程, go后面可以使用: // 1.void(*)()函数指针, 比如:foo. // 2.也可以使用无参数的lambda, std::bind对象, function对象, // 3.以及一切可以无参调用的仿函数对象 // 注意不要忘记句尾的分号";". go foo; go []{ printf("lambda\n"); }; go std::bind(&A::fA, A()); std::function<void()> fn(std::bind(&A::fB, A())); go fn; // 也可以使用go_stack创建指定栈大小的协程 // 创建拥有10MB大栈的协程 go co_stack(10 * 1024 * 1024) []{ printf("large stack\n"); }; // 协程创建以后不会立即执行,而是暂存至可执行列表中,等待调度器调度。 // co_sched是默认的协程调度器,用户也可以使用自创建的协程调度器。 // 当仅使用一个线程进行协程调度时, 协程地执行会严格地遵循其创建顺序. // 仅使用主线程调度协程. // co_sched.Start(); // 以下代码可以使用等同于cpu核心数的线程调度协程.(包括主线程) // co_sched.Start(0); // 以下代码允许调度器自由扩展线程数,上限为1024. // 当有线程被协程阻塞时, 调度器会启动一个新的线程, 以此保障 // 可用线程数总是等于Start的第一个参数(0表示cpu核心数). // co_sched.Start(0, 1024); // 如果不想让调度器卡住主线程, 可以使用以下方式: std::thread t([]{ co_sched.Start(); }); t.detach(); co_sleep(100); //---------------------------------- //---------------------------------- // 除了上述的使用默认的调度器外, 还可以自行创建额外的调度器, // 协程只会在所属的调度器中被调度, 创建额外的调度器可以实现业务间的隔离. // 创建一个调度器 co::Scheduler* sched = co::Scheduler::Create(); // 启动4个线程执行新创建的调度器 std::thread t2([sched]{ sched->Start(4); }); t2.detach(); // 在新创建的调度器上创建一个协程 go co_scheduler(sched) []{ printf("run in my scheduler.\n"); }; co_sleep(100); return 0; }
libgo定时器使用
有时候需要定时执行一些任务,libgo的定时器使用真清爽,有一种使用高级语言的感觉。
/************************************************ * libgo库原生提供了一个线程安全的定时器 * 还提供了休眠当前协程的方法co_sleep,类似于系统调用sleep, 不过时间单 * 位是毫秒. * 同时HOOK了系统调用sleep、usleep、nanosleep, 在协程中使用这几个系统 * 调用, 会在等待期间让出cpu控制权, 执行其他协程, 不会阻塞调度线程. ************************************************/ #include <libgo/coroutine.h> int main() { // 创建一个定时器 // 第一个参数: 精度 // 第二个参数: 绑定到一个调度器(Scheduler) // 两个参数都有默认值, 可以简便地创建一个定时器: co_timer timer; co_timer timer(std::chrono::milliseconds(1), &co_sched); // 使用timer.ExpireAt接口设置一个定时任务 // 第一个参数可以是std::chrono中的时间长度,也可以是时间点。 // 第二个参数是定时器回调函数 // 返回一个co_timer_id类型的ID, 通过这个ID可以撤销还未执行的定时函数 co_timer_id id1 = timer.ExpireAt(std::chrono::seconds(1), []{ printf("Timer Callback.\n"); }); // co_timer_id::StopTimer接口可以撤销还未开始执行的定时函数 // 它返回bool类型的结果,如果撤销成功,返回true; // 如果未来得及撤销,返回false, 此时不保证回调函数已执行完毕。 bool cancelled = id1.StopTimer(); printf("cancelled:%s\n", cancelled ? "true" : "false"); timer.ExpireAt(std::chrono::seconds(2), [&]{ printf("Timer Callback.\n"); co_sched.Stop(); }); for (int i = 0; i < 100; ++i) go []{ // 休眠当前协程 1000 milliseconds. // 不会阻塞线程, 因此100个并发的休眠, 总共只需要1秒. co_sleep(1000); }; #if !defined(_WIN32) // 系统调用提供的sleep usleep nanosleep都使用HOOK技术, // 使其在协程中运行时, 能达到和co_sleep相同的效果. go []{ // 休眠当前协程 1 second sleep(1); }; go []{ // 休眠当前协程 100 milliseconds usleep(100 * 1000); }; #endif co_sched.Start(); return 0; }
需要注意的一点是协程的调度是协作式调度,需要协程主动让出执行权,推荐在耗时很长的循环中插入一些yield。除网络IO、sleep等这些是已经被libgo封装hook过的系统调用不会产生阻塞,其它耗时操作会阻塞调度线程的运行,这时请使用co_await, 并启动几个线程去Run内置的线程池中。
编译报错问题
需要注意的一个坑是编译报错问题,这并非是作者的原因。由UTF8和UTF8-BOM编码引起的vc工具链编译报错问题,这真是个巨坑,如果没想到的话,会让人百思不得姐。
VC++ 编译器默认对源文件要求是使用UTF8 BOM模式的。微软vs套件vc++为什么使用GBK和UTF8BOM模式? vs不能识别无BOM头的unicode文件编码,所以如果使用utf-8记得要加上BOM(Byte Order Mark 字节流标记 utf-8 的BOM是 0xEFBBBF).vs新建工程默认的编码也是这个。如果你的源代码想在多个平台上编译,mac, unix等,那么在windows平台上需要在命令行中加入这个参数 /utf-8。
很多人经常需要把代码分别在linux、windows上编译。在linux中gcc编译的时候,文件格式为utf-8无bom格式,可是如果将文件拿到windows上,用vs编译的时候,发现各种报错,且都是不知道原因的错。这个时候就要考虑代码中注释部分含有中文汉字,导致的。
\libgo\common\util.h: warning C4819: The file contains a character that cannot be represented in the current code page (936) libgo\common\util.h(28): error C2061: syntax error: identifier 'RefObject'
解决方式
在cmake编译命令指定UTF-8,参考如下:
-D CMAKE_CXX_FLAGS="/utf-8"
CLion 默认使用 UTF-8 编码,MSVC 继承了 MS 家族的一贯传统,除非明确指定否则要么 UTF-8 with BOM 要么当前代码页。解决办法也简单,加上命令行开关就行了: \utf-8
或者CMakeLists.txt增加以下内容:
if(MSVC) set(CMAKE_CXX_FLAGS "${CMAKE_CXX_FLAGS} /utf-8") endif()
还有个可能出现的编译报错问题是,从git拉取下来的代码直接编译可能出现的。需要配置下:
git config --global core.autocrlf true
未做git config --global core.autocrlf true 设置时,checkout出来的代码行尾是LR,而在windows下,有效的换行符是CRLF。
还有个编译报错:
libgo.lib(processer.cpp.obj) : error LNK2019: unresolved external symbol __imp__WSASetLastError@4
原因是需要链接 ws2_32.lib。代码中加入 #pragma comment(lib, "ws2_32.lib")
或者CMakeLists.txt文件中增加 link_libraries(ws2_32),需要注意的是,必须在add_executable之前添加才行。如:
link_libraries(ws2_32) add_executable(${PROJECT_NAME} ${SRC_FILES} )
最后附上我的CMakeLists.txt配置:
cmake_minimum_required(VERSION 3.12) project(untitled VERSION 0.0.1) set(CMAKE_CXX_STANDARD 11) set(BUILD_DIR ${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR}/build) set(STATIC_LIB_DIR ${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR}/lib) set(SRC_PATH ${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR}/src ) include_directories( ${SRC_PATH} ${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR}/include ) add_definitions( ) if(MSVC) set(CMAKE_CXX_FLAGS "${CMAKE_CXX_FLAGS} /utf-8") endif() #################### scan source files #################### foreach (path ${SRC_PATH}) aux_source_directory(${path} SRC_FILES) endforeach () link_libraries(ws2_32) add_executable(${PROJECT_NAME} ${SRC_FILES} ) set(LIBGO_LIB ${STATIC_LIB_DIR}/libgo.lib) target_link_libraries(${PROJECT_NAME} PRIVATE ${LIBGO_LIB} ) #find_package(libgo CONFIG REQUIRED) #target_link_libraries(${PROJECT_NAME} PRIVATE libgo::libgo)
引用
C++libco协程_adce9的博客-CSDN博客_c++协程库
一文彻底弄懂C++开源协程库libco——原理及应用 - 知乎
libgo 源码剖析(1. libgo简介与调度浅谈)_尚先生的博客的博客-CSDN博客
C++|并发|libco协程剖析 - 腾讯云开发者社区-腾讯云
https://github.com/lewissbaker/cppcoro
GitHub - yyzybb537/libgo: Go-style concurrency in C++11
C/C++ 协程库boost.coroutine2、魅族libgo、腾讯libco、开源libaco详解_Hello,C++!的博客-CSDN博客_c++ 协程库
/utf-8 (Set source and execution character sets to UTF-8) | Microsoft Learn
C/C++报错——关于utf-8 BOM的问题_aRooooooba的博客-CSDN博客_c++ bom文件 结尾
关于vc对utf8源码文件的CRLF、LF 换行格式,出现的BOM问题的大坑_RelicOfTesla的博客-CSDN博客_crlf 缺点 uft-8 BOM 导致编译问题_jeff-wall的博客-CSDN博客
https://www.jianshu.com/p/78c451b214c4
git换行符之autoCRLF配置的意义 - 一人浅醉- - 博客园
c++协程库libfiber之1:简单介绍_yuanlulu的博客-CSDN博客
C++第三方库管理工具vcpkg使用教程_c++ 库管理_令狐掌门的博客-CSDN博客
https://blog.csdn.net/zsxxsz/category_8736935.html