C++ 协程与网络编程

C++ 协程与网络编程

协程

协程，即协作式程序，其思想是，一系列互相依赖的协程间依次使用CPU，每次只有一个协程工作，而其他协程处于休眠状态。协程可以在运行期间的某个点上暂停执行，并在恢复运行时从暂停的点上继续执行。 协程已经被证明是一种非常有用的程序组件，不仅被python、lua、ruby等脚本语言广泛采用，而且被新一代面向多核的编程语言如golang rust-lang等采用作为并发的基本单位。 协程可以被认为是一种用户空间线程，与传统的线程相比，有2个主要的优点：

• 与线程不同，协程是自己主动让出CPU，并交付他期望的下一个协程运行，而不是在任何时候都有可能被系统调度打断。因此协程的使用更加清晰易懂，并且多数情况下不需要锁机制。
• 与线程相比，协程的切换由程序控制，发生在用户空间而非内核空间，因此切换的代价非常小。

网络编程模型

首先来简单回顾一下一些常用的网络编程模型。网络编程模型可以大体的分为同步模型和异步模型两类。

• 同步模型：

同步模型使用阻塞IO模式,在阻塞IO模式下调用read等IO函数时会阻塞线程直到IO完成或失败。

同步模型的典型代表是thread per connection模型，每当阻塞在主线程上的accept调用返回时则创建一个新的线程去服务于新的socket的读/写。这种模型的优点是程序简洁，编写简单；缺点是可伸缩性收到线程数的限制，当连接越来越多时，线程也越来越多，频繁的线程切换会严重拖累性能。

• 异步模型：

异步模型一般使用非阻塞IO模式，并配合epoll/select/poll等多路复用机制。在非阻塞模式下调用read，如果没有数据可读则立即返回并通知用户没有可读（EAGAIN/EWOULDBLOCK），而非阻塞当前线程。异步模型可以使一个线程同时服务于多个IO对象。

异步模型的典型代表是reactor模型。在reactor模型中，我们将所有要处理的IO事件注册到一个中心的IO多路复用器中（一般为epoll/select/poll），同时主线程阻塞在多路复用器上。一旦有IO事件到来或者就绪，多路复用器返回并将对应的IO事件分发到对应的处理器（即回调函数）中，最后处理器调用read/write函数来进行IO操作。

异步模型的特点是性能和可伸缩性比同步模型要好很多，但是其结构复杂，不易于编写和维护。在异步模型中，IO之前的代码（IO任务的提交者）和IO之后的处理代码（回调函数）是割裂开来的。

协程与网络编程

协程为克服同步模型和异步模型的缺点，并结合他们的优点提供了可能：

首先简单认识一下调度器：一个线程运行一个调度器，可以在一个调度器上创建若干个协程。调度器负责调度这些协程。并且调度器在其内部维护了一个多路复用器（epoll/select/poll）。

现在假设我们有3个协程A,B,C分别要进行数次IO操作。这3个协程运行在同一个调度器(线程)的上下文中，并依次使用CPU。

协程A首先运行，当它执行到一个IO操作，但该IO操作并没有立即就绪时，A将该IO事件注册到调度器中，并主动放弃CPU。这时调度器将B切换到CPU上开始执行，同样，当它碰到一个IO操作的时候将IO事件注册到调度器中，并主动放弃CPU。调度器将C切换到cpu上开始执行。当所有协程都被“阻塞”后，调度器检查注册的IO事件是否发生或就绪。假设此时协程B注册的IO事件已经就绪，调度器将恢复B的执行，B将从上次放弃CPU的地方接着向下运行。A和C同理。

这样，对于某个协程而言，我们采用的是同步的模型；但是对于整个调度器（线程）而言，实际上却是异步的模型。

好了，原理说完了，我们来看一个实际的例子，echo server。