21 C++20新特性之协程引入

在上一篇文章中，我们探讨了C++20引入的模块化编程特性。这一篇将重点讨论C++20的新特性之一——协程（coroutines）。协程是现代编程语言中越来越受到关注的特性，它能够让异步编程变得更加简单和高效，下面我们将逐步深入理解协程的概念及其在C++20中的应用。

什么是协程？

协程是一种控制结构，可以让程序在执行过程中挂起和恢复。与传统的函数调用模式相比，协程允许在执行中间状态时“暂停”并在后续继续执行。协程通常用于异步编程和生成器（generators）等场景。

在C++中，协程的引入使得编写高效的异步代码变得更加直接，程序员无需再使用复杂的状态机或回调函数。

协程的基本概念

在C++20中，协程的核心概念包括：

1. 协程函数：以co_await、co_return和co_yield为关键字定义的函数。
2. **co_await**：在协程中等待一个异步操作的完成。
3. **co_return**：在协程中返回一个值。
4. **co_yield**：在协程中返回一个值，但保持协程的状态，以便稍后恢复执行。

协程的基本使用示例

为了更好地理解协程，让我们看一个简单的例子。这个例子演示了如何使用协程创建一个简单的生成器。

代码示例：简单的生成器

#include <iostream>
#include <coroutine>
#include <optional>

template<typename T>
struct Generator {
    struct promise_type {
        T current_value;
        
        auto get_return_object() {
            return Generator{ std::coroutine_handle<promise_type>::from_promise(*this) };
        }
        
        auto initial_suspend() { return std::suspend_always{}; }
        auto final_suspend() noexcept { return std::suspend_always{}; }

        void unhandled_exception() { std::exit(1); }

        auto yield_value(T value) {
            current_value = value;
            return std::suspend_always{};
        }

        void return_void() {}
    };

    using coroutine_handle = std::coroutine_handle<promise_type>;
    coroutine_handle handle;

    Generator(coroutine_handle h) : handle(h) {}
    ~Generator() { handle.destroy(); }

    bool next() {
        handle.resume();
        return !handle.done();
    }

    T current() const {
        return handle.promise().current_value;
    }
};

Generator<int> count_up_to(int max) {
    for (int i = 0; i <= max; ++i) {
        co_yield i; // 暂停并返回当前值
    }
}

int main() {
    auto gen = count_up_to(5);
    while (gen.next()) {
        std::cout << gen.current() << std::endl;
    }
    return 0;
}

代码解析

在上述示例中，我们定义了一个名为 Generator 的类，它负责管理协程的执行和状态：

• **promise_type**：定义了协程的状态，包括获取返回对象的逻辑、初始和最终的挂起逻辑，以及如何处理返回值和异常。
• **yield_value**：这是关键部分，使用co_yield允许协程在生成每个值时挂起自身，直到再次被唤醒。
• 使用 coroutine_handle 来管理协程的生命周期。

在主函数中，我们调用 count_up_to 协程，它生成并输出从0到5的数值。每次通过 gen.next() 来恢复协程的执行，并通过 gen.current() 获取当前的数值。

协程的优势

使用协程的主要优势包括：

• 简洁性：相较于传统的异步编程方式，协程使得代码更加直观和易读。
• 高效性：协程在许多情况下比线程更加轻量级，减少了上下文切换的开销。
• 可维护性：协程的控制流接近于同步代码，使得程序逻辑更清晰，降低了维护成本。

总结

C++20的协程特性为异步编程提供了一种新的解决方案，使得编写非阻塞代码变得简单直观。在本篇文章中，我们详细介绍了协程的基本概念和实现，通过示例展示了协程的使用。在下篇文章中，我们将继续探索C++20的其他新特性，敬请期待！