[转贴]协程的C实现 by A WING BY WIND

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from:http://www.hawkwithwind.net/blog/2011/02/18/%E5%8D%8F%E7%A8%8B%E7%9A%84c%E5%AE%9E%E7%8E%B0/
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今天正好跟ownwaterloo聊到协程，于是查了查资料，顺便写个博客记录一下吧。

我主要参考的是这篇资料http://www.chiark.greenend.org.uk/~sgtatham/coroutines.html，是Simon Tatham提出的一个协程的C实现，非常有意思。

协程的思想主要是为了解决多个任务如何分享CPU这个问题的。线程在很多协作问题上处理的不好，而且需要锁机制，导致运行缓慢，不易理解，容易出错。协程的思想是，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。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（或者说他本身就是一个全局锁）。

Simon的举例是一个生产者消费者例子。传统的程序可能是生产者一个循环不断产生字符，之后退出。而消费者一个循环不断读取字符，并处理之。使用时或许会用一个管道，将生产者的输出重定向到消费者的输入。从而使两者协作。

Simon提出，如何使这样的简单任务无需通过管道这类操作系统相关的重型机制，就能完成。他提出，生产者或者消费者之间，有一方需要改变自己的工作模式。不再是在循环中不断处理任务，而是一次只处理一个字符然后立刻返回。而另一方依旧保持原状，只需在原本输出到或读取自标准IO的地方修改为调用对方的那个函数就可以了。

但这种写法难以维护。他提出了协程的概念，并期待写出类似这样的代码：

1. int function(void) {
   
2.     int i;
   
3.     for (i = 0; i < 10; i++)
   
4.         return i;   /* won't work, but wouldn't it be nice */
   
5. }

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在这里return语句并不是终止函数，而是将函数转入睡眠的状态，并将CPU交付给另一个函数执行。例如生产者写入一个字符后，调用类似的return语句，交付消费者处理这个字符。稍后当消费者处理完并调用return语句后，能重新激活生产者协程，并继续这个for循环。

如何在C语言中实现这样的功能而不需使用汇编代码去hack堆栈和寄存器呢？他给出的最初的实现是使用goto语句。

1. int function(void) {
   
2.     static int i, state = 0;
   
3.     switch (state) {
   
4.         case 0: goto LABEL0;
   
5.         case 1: goto LABEL1;
   
6.     }
   
7.     LABEL0: /* start of function */
   
8.     for (i = 0; i < 10; i++) {
   
9.         state = 1; /* so we will come back to LABEL1 */
   
10.         return i;
    
11.         LABEL1:; /* resume control straight after the return */
    
12.     }
    
13. }

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巧妙的使用静态变量存储函数状态，并使用goto语句来继续for循环。但这种写法不够优美，于是又引入了Duff’s device。

1. switch (count % 8) {
   
2.         case 0:        do {  *to = *from++;
   
3.         case 7:              *to = *from++;
   
4.         case 6:              *to = *from++;
   
5.         case 5:              *to = *from++;
   
6.         case 4:              *to = *from++;
   
7.         case 3:              *to = *from++;
   
8.         case 2:              *to = *from++;
   
9.         case 1:              *to = *from++;
   
10.                        } while ((count -= 8) > 0);
    
11.     }

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使用这种trick来将switch-case语句作为循环中的跳转。这就避免了goto-label语句需要同时维护goto和label两处代码的麻烦。于是前面的代码可以变成这个样子。

1. int function(void) {
   
2.     static int i, state = 0;
   
3.     switch (state) {
   
4.         case 0: /* start of function */
   
5.         for (i = 0; i < 10; i++) {
   
6.             state = 1; /* so we will come back to "case 1" */
   
7.             return i;
   
8.             case 1:; /* resume control straight after the return */
   
9.         }
   
10.     }
    
11. }

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他的文章后面还有一些内容，例如如何使用宏包装这套机制。如何使用__LINE__宏避免state被赋予相同的数值。如何避免多线程调用下干扰静态变量等等。我这里就不赘述了，大家有兴趣可参考原文。
总之读此文的两个收获一个是认识协程，一个是学习到了一种诡谲的C语言用法。非常开心。