协程实现单线程并发（入门）

协程源码：https://github.com/wuj1nquan/bitco ，每一行都有详细注释

进阶篇：

协程源码剖析进阶（一）

协程如何解决单线程并发？

首先作者尊重历史，协程的提出及最初实现者是Melvin Conway

先解释什么是协程：

协程（Coroutine）是一种计算机程序组件，它允许在特定的位置暂停执行，并在稍后恢复执行。

协程组件通常由以下几个主要部分组成：

1. 协程对象（Coroutine Object）：表示一个协程，它可以在特定的位置暂停执行，并在稍后恢复执行。协程对象通常由编程语言或框架提供的特殊语法或函数创建。

2. 调度器（Scheduler）：负责管理和调度多个协程的执行。调度器决定何时暂停一个协程并切换到另一个协程，以实现并发执行。

3. 事件循环（Event Loop）：是调度器的一种实现，它负责监控协程的状态并决定何时执行哪个协程。事件循环通常是异步编程中的核心组件，它驱动整个协程的执行过程。

4. 协程间通信机制（Inter-coroutine Communication Mechanism）：用于协程之间的通信和数据交换。这可以是通过共享变量、消息传递、管道等方式实现的。

5. 异常处理机制（Exception Handling Mechanism）：处理协程执行过程中可能出现的异常情况。异常处理机制可以捕获和处理协程中的异常，并根据需要采取适当的措施。

这些组件共同构成了协程的基本框架，使得程序员可以使用协程来编写高效、可维护的异步代码，实现并发执行和异步操作。不同的编程语言和框架可能提供不同的实现方式和特性，但通常都会包含类似的组件来支持协程。

而一个协程对象实际上就是一个支持被调度器调度的函数

本文讨论目前需要协程的原因：

在高并发的服务器请求下，我们想尽可能提高效率，当然可以通过多线程解决，但这是人傻钱多的举动，如果创建销毁一个线程只为了处理一个简单的请求，我们觉得这样很不划算，甚至是一种性能浪费。

答案：单线程处理多任务

这可能吗？单线程一次只能处理一个任务，同时处理多个任务不是并发吗，确定没搞错成多线程和多进程吗？

首先，没搞错，我们的目的是用单线程处理多任务，但不是同时，考虑操作系统是如何实现并发的，单个cpu上多个进程也不是同时运行的，而是时间分片为我们造成了多个进程同时运行的假象。

解决方案：模拟时间分片

先来看看没有协程的单线程中多任务是如何处理的（伪代码）

↓ 时间线

↓

任务1

send（request）; //客户端发送请求 1

等待服务端回复; time...

recv（）；//接收数据

任务2

send（request）; //客户端发送请求 2

等待服务端回复; time...

recv（）；//接收数据

任务3

send（request）; //客户端发送请求 3

等待服务端回复; time...

recv（）；//接收数据

重点在这里！！！

可以看到这三个请求是按顺序依次执行的，任务二需要等待任务一执行完后开始执行，然而任务一在运行时也需要等待，这样一来，不只是任务一在等待time，而是三个任务都在等待任务一的time，这时整个线程都在等待，什么都没有做！

就像你需要烧水，洗衣服，做饭。先打水、烧水然后什么也不干，等着水烧开再去洗衣服！

第二个例子我们都会解决：先烧上水，然后去开洗衣机、再去做饭，做饭时找空闲时间，每隔几分钟看看水烧开了没有，衣服洗好了没有

所以，单线程能不能也这样做呢？

答案是肯定的，我们需要在任务一等待时切换到任务二...切换回任务一... 如此一来，我们避免了大量的等待时间！

核心问题：

如何实现任务切换（调度器）？

• 利用 glibc 的 ucontext 组件(使用起来最简单)

• 使用汇编代码来切换上下文（效率最高）

• 利用 C 语言的 setjmp 和 longjmp（可移植性最好）

实现任务切换

这里用ucontext举例说明（因为我不会汇编0.0）

// ucontext_t结构体 用于保存线程的执行状态（上下文）
ucontext_t ctx[3];
ucontext_t main_ctx;
​
int count = 0;
​
​
// coroutine 1
void func1(void) {
    while(count++ < 30) {
        printf("1\n");
        swapcontext(&ctx[0], &main_ctx);// context switch
         printf("2\n");
    }
}
​
// coroutine 2
void func2(void) {
​
    while(count++ < 30) {
        printf("3\n");
        swapcontext(&ctx[1], &main_ctx);// context switch
        printf("4\n");
    }
}
​
//coroutine 3
void func3(void) {
​
    while(count++ < 30) {
        printf("5\n");
        swapcontext(&ctx[2], &main_ctx);// context switch
        printf("6\n");
    }
}
​
// schedule
int main() {
​
    // 每个上下文的栈空间
    char stack1[STACK_SIZE] = {0};
    char stack2[STACK_SIZE] = {0};
    char stack3[STACK_SIZE] = {0};
​
    // getcontext初始化结构体全部属性
    getcontext(&ctx[0]);// 将当前线程的执行状态保存到ctx[0]结构体中
​
    // 自定义设置结构体部分属性
    ctx[0].uc_stack.ss_sp = stack1;
        ctx[0].uc_stack.ss_size = sizeof(stack1);
        ctx[0].uc_link = &main_ctx;
        makecontext(&ctx[0], func1, 0); //修改ctx[0]的上下文为func1的上下文
​
​
    getcontext(&ctx[1]);
    ctx[1].uc_stack.ss_sp = stack2;
    ctx[1].uc_stack.ss_size = sizeof(stack2);
    ctx[1].uc_link = &main_ctx;
    makecontext(&ctx[1], func2, 0);
    
    getcontext(&ctx[2]);
    ctx[2].uc_stack.ss_sp = stack3;
    ctx[2].uc_stack.ss_size = sizeof(stack3);
    ctx[2].uc_link = &main_ctx;
    makecontext(&ctx[2], func3, 0);
​
    printf("swapcontext\n");
​
​
    while (count <= 30) {  // scheduler
        swapcontext(&main_ctx, &ctx[count%3]);
        // 这里的main_ctx未被初始化，仅用作其他上下文之间的调度
    }
​
    printf("\n");
​
    return 0;
}
​

部分运行结果：

swapcontext 1 3 5 2 1 4 3 6 5 2 1 4 3 6 5 2 1

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