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C++ Coroutines异步编程_C++ Coroutines如何实现轻量级并发

冰川箭仙

冰川箭仙

发布时间:2025-12-22 11:27:43

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来源于php中文网

原创

C++20协程是可挂起、可恢复的轻量级执行流,非线程,需配合调度器与异步I/O实现并发;其轻量体现在内存开销小、切换成本低、无需OS线程资源。

c++ coroutines异步编程_c++ coroutines如何实现轻量级并发 - php中文网

在C++20中,Coroutines不是线程,也不直接提供并发能力,而是通过协程机制实现可挂起、可恢复的函数执行流,配合调度器(如io_context、executor)和异步I/O设施(如asio),才能构建轻量级并发模型。它的“轻量”体现在:协程对象内存开销小(通常几百字节)、切换成本远低于线程上下文切换、且无需操作系统线程资源。

协程本身不并发,靠调度器驱动执行

一个co_await表达式会让协程挂起,把控制权交还给调度器;当异步操作就绪(如socket读就绪、定时器超时),调度器再唤醒对应协程继续执行。这意味着:

  • 多个协程可运行在同一个OS线程上(单线程事件循环),避免线程创建/切换开销
  • 协程是堆分配的(默认使用operator new),但可定制为栈内或内存池分配,进一步降低分配压力
  • 有锁竞争——若所有协程都在同一线程执行,天然无数据竞争(需注意跨协程共享状态仍需同步)

关键组件:promise_type + awaitable + executor

要让协程支持异步行为,需自定义三部分:

  • promise_type:决定协程如何启动、挂起、返回值、异常处理。例如返回task时,其内部promise_type负责管理协程帧与结果存储
  • awaitable类型(含await_ready/await_suspend/await_resume):封装异步操作。比如asio::awaitable或自定义的tcp_socket::async_read_some,它们在await_suspend中将协程handle注册到io_context
  • executor(如net::io_context::executor_type):决定协程被唤醒后在哪执行——可绑定到特定线程、线程池,甚至切换执行上下文(如从IO线程切到计算线程)

典型轻量并发模式:每个连接一个协程

相比传统Reactor中用回调嵌套或状态机处理连接,协程让逻辑线性化:

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  • accept一个新连接后,立即启动一个协程处理该连接的整个生命周期(read→parse→compute→write→close)
  • 遇到阻塞点(如等待数据到达、等待数据库响应),用co_await挂起,不阻塞线程,当前线程可立刻服务其他连接
  • 1万个并发连接 ≈ 1万个协程对象 + 1个或几个OS线程,而非1万个pthread

注意事项:避免隐式阻塞和资源泄漏

协程轻量不等于无代价:

  • 不要在协程中调用std::this_thread::sleep_for、阻塞IO(如read/write未设非阻塞)、或同步mutex lock——这会卡住整个调度线程
  • 确保每个co_await的awaitable最终被唤醒(否则协程永久挂起),尤其注意超时和取消逻辑
  • 手动管理协程帧内存时(如使用自定义allocator),需保证promise_type析构时正确释放资源

不复杂但容易忽略:协程的价值不在语法糖,而在把异步流程写成同步风格的同时,保持高并发吞吐能力。它需要与成熟的异步运行时(如Boost.Asio、libunifex、cppcoro)协同工作,而非单独存在。

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