協(xié)程

協(xié)程，即協(xié)作式程序，其思想是，一系列互相依賴的協(xié)程間依次使用CPU，每次只有一個(gè)協(xié)程工作，而其他協(xié)程處于休眠狀態(tài)。協(xié)程可以在運(yùn)行期間的某個(gè)點(diǎn)上暫停執(zhí)行，并在恢復(fù)運(yùn)行時(shí)從暫停的點(diǎn)上繼續(xù)執(zhí)行。 協(xié)程已經(jīng)被證明是一種非常有用的程序組件，不僅被python、lua、ruby等腳本語言廣泛采用，而且被新一代面向多核的編程語言如golang rust-lang等采用作為并發(fā)的基本單位。 協(xié)程可以被認(rèn)為是一種用戶空間線程，與傳統(tǒng)的線程相比，有2個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)：

• 與線程不同，協(xié)程是自己主動(dòng)讓出CPU，并交付他期望的下一個(gè)協(xié)程運(yùn)行，而不是在任何時(shí)候都有可能被系統(tǒng)調(diào)度打斷。因此協(xié)程的使用更加清晰易懂，并且多數(shù)情況下不需要鎖機(jī)制。
• 與線程相比，協(xié)程的切換由程序控制，發(fā)生在用戶空間而非內(nèi)核空間，因此切換的代價(jià)非常小。

網(wǎng)絡(luò)編程模型

首先來簡單回顧一下一些常用的網(wǎng)絡(luò)編程模型。網(wǎng)絡(luò)編程模型可以大體的分為同步模型和異步模型兩類。

• 同步模型：

同步模型使用阻塞IO模式,在阻塞IO模式下調(diào)用read等IO函數(shù)時(shí)會(huì)阻塞線程直到IO完成或失敗。

同步模型的典型代表是thread per connection模型，每當(dāng)阻塞在主線程上的accept調(diào)用返回時(shí)則創(chuàng)建一個(gè)新的線程去服務(wù)于新的socket的讀/寫。這種模型的優(yōu)點(diǎn)是程序簡潔，編寫簡單；缺點(diǎn)是可伸縮性收到線程數(shù)的限制，當(dāng)連接越來越多時(shí)，線程也越來越多，頻繁的線程切換會(huì)嚴(yán)重拖累性能。

• 異步模型：

異步模型一般使用非阻塞IO模式，并配合epoll/select/poll等多路復(fù)用機(jī)制。在非阻塞模式下調(diào)用read，如果沒有數(shù)據(jù)可讀則立即返回并通知用戶沒有可讀（EAGAIN/EWOULDBLOCK），而非阻塞當(dāng)前線程。異步模型可以使一個(gè)線程同時(shí)服務(wù)于多個(gè)IO對象。

異步模型的典型代表是reactor模型。在reactor模型中，我們將所有要處理的IO事件注冊到一個(gè)中心的IO多路復(fù)用器中（一般為epoll/select/poll），同時(shí)主線程阻塞在多路復(fù)用器上。一旦有IO事件到來或者就緒，多路復(fù)用器返回并將對應(yīng)的IO事件分發(fā)到對應(yīng)的處理器（即回調(diào)函數(shù)）中，最后處理器調(diào)用read/write函數(shù)來進(jìn)行IO操作。

異步模型的特點(diǎn)是性能和可伸縮性比同步模型要好很多，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易于編寫和維護(hù)。在異步模型中，IO之前的代碼（IO任務(wù)的提交者）和IO之后的處理代碼（回調(diào)函數(shù)）是割裂開來的。

協(xié)程與網(wǎng)絡(luò)編程

協(xié)程為克服同步模型和異步模型的缺點(diǎn)，并結(jié)合他們的優(yōu)點(diǎn)提供了可能： 現(xiàn)在假設(shè)我們有3個(gè)協(xié)程A,B,C分別要進(jìn)行數(shù)次IO操作。這3個(gè)協(xié)程運(yùn)行在同一個(gè)調(diào)度器或者說線程的上下文中，并依次使用CPU。調(diào)度器在其內(nèi)部維護(hù)了一個(gè)多路復(fù)用器（epoll/select/poll）。

協(xié)程A首先運(yùn)行，當(dāng)它執(zhí)行到一個(gè)IO操作，但該IO操作并沒有立即就緒時(shí)，A將該IO事件注冊到調(diào)度器中，并主動(dòng)放棄CPU。這時(shí)調(diào)度器將B切換到CPU上開始執(zhí)行，同樣，當(dāng)它碰到一個(gè)IO操作的時(shí)候?qū)O事件注冊到調(diào)度器中，并主動(dòng)放棄CPU。調(diào)度器將C切換到cpu上開始執(zhí)行。當(dāng)所有協(xié)程都被“阻塞”后，調(diào)度器檢查注冊的IO事件是否發(fā)生或就緒。假設(shè)此時(shí)協(xié)程B注冊的IO時(shí)間已經(jīng)就緒，調(diào)度器將恢復(fù)B的執(zhí)行，B將從上次放棄CPU的地方接著向下運(yùn)行。A和C同理。

這樣，對于每一個(gè)協(xié)程來說，是同步的模型；但是對于整個(gè)應(yīng)用程序來說，卻是異步的模型。

好了，原理說完了，我們來看一個(gè)實(shí)際的例子，echo server。

echo server

在這個(gè)例子中，我們將使用orchid庫來編寫一個(gè)echo server。orchid庫是一個(gè)構(gòu)建于boost基礎(chǔ)上的 協(xié)程/網(wǎng)絡(luò)IO 庫。

echo server首先必須要處理連接事件，我們創(chuàng)建一個(gè)協(xié)程來專門處理連接事件：

typedef boost::shared_ptr<orchid::socket> socket_ptr; 
//處理ACCEPT事件的協(xié)程 
void handle_accept(orchid::coroutine_handle co) {
     try {         
         orchid::acceptor acceptor(co -> get_scheduler().get_io_service());//構(gòu)建一個(gè)acceptor
         acceptor.bind_and_listen("5678",true);         
         for(;;) {             
            socket_ptr sock(new orchid::socket(co -> get_scheduler().get_io_service()));
            acceptor.accept(*sock,co);             
            //在調(diào)度器上創(chuàng)建一個(gè)協(xié)程來服務(wù)新的socket。第一個(gè)參數(shù)是要?jiǎng)?chuàng)建的協(xié)程的main函數(shù)，第二個(gè)參數(shù)是要?jiǎng)?chuàng)建的協(xié)程的棧的大小。
            co -> get_scheduler().spawn(boost::bind(handle_io,_1,sock),orchid::minimum_stack_size());
         }
     } catch(boost::system::system_error& e) {
            cerr<<e.code()<<" "<<e.what()<<endl;
     } 
} 

在orchid中，協(xié)程的main函數(shù)必須滿足函數(shù)簽名void(orchid::coroutine_handle)，如handle_accept所示，其中參數(shù)co是協(xié)程句柄，代表了當(dāng)前函數(shù)所位于的協(xié)程。

在上面的代碼中，我們創(chuàng)建了一個(gè)acceptor，并讓它監(jiān)聽5678端口，然后在"阻塞"等待連接到來，當(dāng)連接事件到來時(shí)，創(chuàng)建一個(gè)新的協(xié)程來服務(wù)新的socket。處理套接字IO的協(xié)程如下：

//處理SOCKET IO事件的協(xié)程 
void handle_io(orchid::coroutine_handle co,socket_ptr sock) {     
   orchid::tcp_ostream out(*sock,co);     
   orchid::tcp_istream in(*sock,co);     
   for(std::string str;std::getline(in, str) && out;) {
      out<<str<<endl;     
   }  
} 

IO處理協(xié)程首先在傳入的套接字上創(chuàng)建了一個(gè)輸入流和一個(gè)輸出流，分別代表了TCP的輸入和輸出。然后不斷地從輸入流中讀取一行，并輸出到輸出流當(dāng)中。當(dāng)socket上的TCP連接斷開時(shí)，輸入流和輸出流的eof標(biāo)志為會(huì)被置位，因此循環(huán)結(jié)束，協(xié)程退出。

orchid可以使用戶以流的形式來操作套接字。輸入流和輸出流分別提供了std::istream和std::ostream的接口；輸入流和輸出流是帶緩沖的，如果用戶需要無緩沖的讀寫socket或者自建緩沖，可以直接調(diào)用orchid::socket的read和write函數(shù)。但是需要注意這兩個(gè)函數(shù)會(huì)拋出boost::system_error異常來表示錯(cuò)誤。

細(xì)心的讀者可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，handle_io的函數(shù)簽名并不滿足void(orchid::coroutine_handle)，回到handle_accept中，可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上我們使用了boost.bind對handle _ io函數(shù)進(jìn)行了適配，使之符合函數(shù)簽名的要求。

最后是main函數(shù)：

int main() {     
   orchid::scheduler sche;     
   sche.spawn(handle_accept,orchid::coroutine::minimum_stack_size());//創(chuàng)建協(xié)程     
   sche.run(); 
} 

在上面這個(gè)echo server的例子中，我們采用了一種 coroutine per connection 的編程模型，與傳統(tǒng)的 thread per connection 模型一樣的簡潔清晰，但是整個(gè)程序?qū)嶋H上運(yùn)行在同一線程當(dāng)中。

由于協(xié)程的切換開銷遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于線程，因此我們可以輕易的同時(shí)啟動(dòng)上千協(xié)程來同時(shí)服務(wù)上千連接，這是 thread per connection的模型很難做到的；在性能方面，整個(gè)底層的IO系統(tǒng)實(shí)際上是使用boost.asio這種高性能的異步io庫實(shí)現(xiàn)的。而且與IO所費(fèi)的時(shí)間相比，協(xié)程切換的開銷基本可以忽略。

因此通過協(xié)程，我們可以在保持同步IO模型簡潔性的同時(shí)，獲得近似于異步IO模型的高性能。