C++协程和线程的区别
- 线程是操作系统级别的资源，由操作系统负责调度和切换，每个线程都有自己的堆栈和执行上下文。线程之间的切换需要保存和恢复线程的执行上下文，这个过程有一定的开销。
- 协程是用户态的轻量级线程，协程的调度完全由用户控制，一个线程可以拥有多个协程，协程之间的切换不需要操作系统的干预，因此开销更小。协程也有自己的堆栈和执行上下文，但是协程的堆栈是动态分配的，可以根据需要增长或缩小，协程的执行上下文是保存在协程状态中的，协程状态是分配在堆上的内部对象。
- 线程是同步机制，即线程在执行过程中如果遇到阻塞，比如IO操作，就会让出CPU，等待阻塞结束后再继续执行。这样会导致线程的资源浪费和调度开销的增加。线程之间如果要共享数据，还需要使用锁机制来避免竞争和冲突，这也会增加复杂度和开销。
- 协程是异步机制，即协程在执行过程中可以主动挂起，让出CPU，然后在适当的时候再恢复执行。这样可以避免无意义的等待和切换，提高CPU的利用率。协程之间如果要共享数据，不需要使用锁机制，只需要判断状态就可以了，这也会降低复杂度和开销。
C++协程的基本概念和用法
- C++协程是在C++20标准中引入的一个新特性，目的是为了简化异步编程的模式，提高性能和效率。C++协程的实现主要依赖于三个新的关键字：co_await, co_yield, co_return，以及一些新的类型和库函数。
- C++协程是一种特殊的函数，它的返回类型必须是一个有promise_type成员类型的类型，比如std::future, std::generator, std::task等。这个promise_type类型是一个承诺对象，它负责生成协程函数的返回对象，提交协程的结果或异常，以及控制协程的启动和终止行为。
- C++协程可以使用co_await关键字来调用一个等待体对象，根据其内部定义决定其操作是挂起还是继续，以及挂起和恢复时的行为。等待体对象必须有await_ready, await_suspend, await_resume三个成员函数，或者重载了operator co_await的类型。一般而言，等待体对象可以表示一个异步操作，比如网络IO，文件读写，定时器等。
- C++协程可以使用co_yield关键字来挂起协程，并且产生一个值，这个值会保存在承诺对象中，通过yield_value函数。在协程外部可以通过承诺对象得到这个值。这个机制可以用来实现生成器，即按需产生值的函数。
- C++协程可以使用co_return关键字来终止协程，并且返回一个值，这个值会保存在承诺对象中，通过return_value函数。在协程外部可以通过承诺对象得到这个值。这个机制可以用来实现异步函数，即返回一个未来值的函数。
- C++协程的唯一标识是协程句柄，它是一个std::coroutine_handle模板类的实例，它可以用来恢复或销毁协程。协程句柄可以通过承诺对象的get_return_object函数或者from_promise静态函数得到。协程句柄还可以访问协程状态，即保存协程的上下文和数据的对象。
以下是一个简单的C++协程的例子，实现了一个生成斐波那契数列的函数：
#include <iostream>
#include <coroutine>
// 定义一个生成器类型，用于返回协程函数的对象
template<typename T>
struct generator {
// 定义一个承诺类型，用于控制协程的行为
struct promise_type {
// 保存协程产生的值
T value;
// 生成协程函数的返回对象
generator get_return_object() {
// 从承诺对象中获取协程句柄
return generator{ std::coroutine_handle<promise_type>::from_promise(*this) };
}
// 表示协程启动后不立即挂起
std::suspend_never initial_suspend() {
return {};
}
// 表示协程终止后不再恢复
std::suspend_never final_suspend() noexcept {
return {};
}
// 处理协程的返回值
void return_void() {}
// 处理协程的异常
void unhandled_exception() {
std::terminate();
}
// 保存协程的产生的值
std::suspend_always yield_value(T val) {
value = val;
return {};
}
};
// 保存协程句柄
std::coroutine_handle<promise_type> handle;
// 构造函数，从协程句柄初始化
explicit generator(std::coroutine_handle<promise_type> h) : handle(h) {}
// 析构函数，销毁协程
~generator() {
if (handle) {
handle.destroy();
}
}
// 生成器不能被拷贝，只能被移动
generator(const generator&) = delete;
generator& operator=(const generator&) = delete;
generator(generator&& other) noexcept : handle(other.handle) {
other.handle = nullptr;
}
generator& operator=(generator&& other) noexcept {
handle = other.handle;
other.handle = nullptr;
return *this;
}
// 返回协程产生的值
T value() const {
return handle.promise().value;
}
// 恢复协程的执行
void resume() {
handle.resume();
}
// 判断协程是否结束
bool done() const {
return handle.done();
}
};
// 定义一个协程函数，返回一个生成器对象，用于生成斐波那契数列
generator<int> fibonacci(int n) {
int a = 0, b = 1;
for (int i = 0; i < n; i++) {
co_yield a; // 挂起协程，并产生一个值
auto tmp = a;
a = b;
b = tmp + b;
}
}
int main() {
// 调用协程函数，得到一个生成器对象
auto gen = fibonacci(10);
// 循环访问生成器产生的值，直到协程结束
while (!gen.done()) {
std::cout << gen.value() << " "; // 输出协程产生的值
gen.resume(); // 恢复协程的执行
}
std::cout << std::endl;
return 0;
}
输出结果：
0 1 1 2 3 5 8 13 21 34
