C语言中实现协程案例

下面我将为你详细讲解C语言中实现协程的完整攻略。

什么是协程

协程（Coroutines）又被称为协作式多任务处理（Cooperative multitasking），是一种计算机程序组件，协程意味着函数可以在中途停止执行，稍后再从停止的地方恢复执行。协与同步和异步执行的程序单元不同，协程通常是基于更高级和更具抽象性的概念。协程可以被视为子例程的泛化，因为它们允许多个入口点在函数中。

如何实现协程

实现协程需要依赖于两个概念：上下文切换和状态保存。

上下文切换

协程中函数的执行可以是互相协作的，并且可以在执行的过程中对执行权进行切换，这个过程称之为上下文切换。在协程中，上下文切换是由协程库负责完成的，我们只需要调用协程库中的功能即可。在C语言中，实现协程通常使用setjmp和longjmp函数实现上下文切换。

状态保存

协程中的函数可以在执行过程中中止执行，这时需要将协程函数的状态保存下来以备后续继续执行。在C语言中，这个状态就是函数的栈和寄存器，我们需要将栈和寄存器的状态保存到一个数据结构中，然后在恢复执行时再恢复这个状态。

综上所述，实现协程的关键就在于上下文切换和状态保存。下面我们来看一个具体的C语言中实现协程的案例。

例子1：使用C库ucontext实现协程

步骤1：定义上下文结构体

我们可以使用ucontext库定义一个协程上下文结构体，用来保存协程函数栈和寄存器的状态。

#include <ucontext.h>

typedef struct coroutine {
    ucontext_t ctx;
    void (*fun)(struct coroutine*);
    void *arg;
    char *stack;
} coroutine_t;

其中，fun是协程函数的入口地址，arg是传递给协程函数的参数，stack是协程函数的栈空间。

步骤2：初始化上下文

需要初始化上下文时，我们可以使用getcontext函数来读取当前上下文的信息，并将它保存到协程上下文结构体中。

void init_coroutine(coroutine_t *co, void (*fun)(coroutine_t*), void *arg) 
{
    co->fun = fun;
    co->arg = arg;
    co->stack = malloc(STACK_SIZE);

    getcontext(&co->ctx);
    co->ctx.uc_stack.ss_sp = co->stack;
    co->ctx.uc_stack.ss_size = STACK_SIZE;
    co->ctx.uc_link = NULL; 
    makecontext(&co->ctx, (void (*)(void))fun, 1, co);  
}

其中，STACK_SIZE是协程函数的栈空间大小。

步骤3：切换上下文

要在协程中切换上下文时，我们需要调用swapcontext函数，该函数会保存当前上下文的状态，并切换到指定的上下文状态中。

void coroutine_yield(coroutine_t *co) 
{
    swapcontext(&co->ctx, &main_ctx);
}

其中，main_ctx是主上下文，用来保存主线程的上下文。

步骤4：恢复上下文

要恢复上下文时，我们需要调用setcontext函数，该函数会恢复指定上下文的状态，并切换到指定的上下文中执行。

void coroutine_resume(coroutine_t *co)
{
    swapcontext(&main_ctx, &co->ctx);
}

步骤5：切换协程

在协程中切换时，需要先保存当前协程的状态，然后再恢复需要执行的协程的状态。

void coroutine_switch(coroutine_t *cur, coroutine_t *next) 
{
    cur->fun = (void (*)(coroutine_t*))coroutine_yield;
    next->fun(next);
}

其中，coroutine_yield是一个通用的协程切换函数，用来将当前协程切换到主线程中执行，这个函数的实现很简单，就是调用swapcontext函数切换到main_ctx中执行。

例子2：使用C库fiber实现协程

步骤1：引入头文件

在C程序中引入头文件<ffi.h>和<stdint.h>。

#include <ffi.h>
#include <stdint.h>

步骤2：定义fiber结构体

我们可以定义一个fiber结构体来保存协程函数的状态。

typedef struct fiber {
    ffi_closure *closure;
    ffi_cif cif;

    void (*fun)(struct fiber*, void*);
    void *arg;

    unsigned char *stack_start;
    size_t stack_size;
} fiber_t;

其中，fun是协程函数的入口地址，arg是传递给协程函数的参数，stack_start是协程函数的栈空间起始位置，stack_size是协程函数的栈空间大小。

步骤3：初始化fiber

要初始化一个fiber时，我们需要分配栈空间，并将fiber函数的入口地址写入该空间。

int init_fiber(fiber_t *fiber, void (*fun)(fiber_t*, void*), void *arg) 
{
    fiber->stack_start = malloc(4096 * 64);
    if (!fiber->stack_start) {
        return -1;
    }
    fiber->closure = ffi_closure_alloc(sizeof(ffi_closure), &fiber->fun);
    if (!fiber->closure) {
        return -1;
    }
    if (ffi_prep_cif(&fiber->cif,  FFI_DEFAULT_ABI, 2, &ffi_type_void, &ffi_type_pointer) != FFI_OK) {
        return -1;
    }
    if (ffi_prep_closure_loc(fiber->closure, &fiber->cif, (void (*)(void))fiber_func, fiber, fiber->fun) != FFI_OK) {
        return -1;
    }
    fiber->arg = arg;
    return 0;
}

其中，ffi_closure_alloc函数用于分配闭包用的内存，ffi_prep_cif函数用于预编译函数调用的CIF (Call Interface)，ffi_prep_closure_loc函数用于创建一个代码闭包，fiber_func函数是真正执行协程功能的函数。

步骤4：切换fiber

要切换到另一个fiber时，我们需要保存当前fiber的状态，并切换到指定的fiber中。

void fiber_switch(fiber_t *from, fiber_t *to) 
{
    ffi_call(&to->cif, FFI_FN(to->fun), NULL, &(to->arg));
}

其中，我们调用ffi_call函数来切换到指定的fiber中执行。

示例说明

上述例子1和例子2分别使用了C库ucontext和fiber来实现协程。两个例子的实现方式有所不同，但其本质都是利用上下文切换和状态保存的思想。需要注意的是，使用协程的一个重要的点就是如何切换上下文。只有正确地切换了上下文，才能够实现正确的协程功能。

总而言之，实现协程需要深入了解上下文切换和状态保存的原理，以及C语言中的协程库的实现方式。只有掌握了这些基础知识，才能够在实践中更好地使用协程。