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一个“蝇量级” C 语言协程库

一个“蝇量级” C 语言协程库

(感谢网友 @我的上铺叫路遥 投稿)

协程(coroutine)顾名思义就是“协作的例程”(co-operative routines)。跟具有操作系统概念的线程不一样,协程是在用户空间利用程序语言的语法语义就能实现逻辑上类似多任务的编程技巧。实际上协程的概念比线程还要早,按照 Knuth 的说法“子例程是协程的特例”,一个子例程就是一次子函数调用,那么实际上协程就是类函数一样的程序组件,你可以在一个线程里面轻松创建数十万个协程,就像数十万次函数调用一样。只不过子例程只有一个调用入口起始点,返回之后就结束了,而协程入口既可以是起始点,又可以从上一个返回点继续执行,也就是说协程之间可以通过 yield 方式转移执行权,对称(symmetric)、平级地调用对方,而不是像例程那样上下级调用关系。当然 Knuth 的“特例”指的是协程也可以模拟例程那样实现上下级调用关系,这就叫非对称协程(asymmetric coroutines)。

基于事件驱动模型

我们举一个例子来看看一种对称协程调用场景,大家最熟悉的“生产者-消费者”事件驱动模型,一个协程负责生产产品并将它们加入队列,另一个负责从队列中取出产品并使用它。为了提高效率,你想一次增加或删除多个产品。伪代码可以是这样的:

# producer coroutine
loop
while queue is not full
  create some new items
  add the items to queue
yield to consumer

# consumer coroutine
loop
while queue is not empty
  remove some items from queue
  use the items
yield to producer

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无锁队列的实现

无锁队列的实现

关于无锁队列的实现,网上有很多文章,虽然本文可能和那些文章有所重复,但是我还是想以我自己的方式把这些文章中的重要的知识点串起来和大家讲一讲这个技术。下面开始正文。

关于CAS等原子操作

在开始说无锁队列之前,我们需要知道一个很重要的技术就是CAS操作——Compare & Set,或是 Compare & Swap,现在几乎所有的CPU指令都支持CAS的原子操作,X86下对应的是 CMPXCHG 汇编指令。有了这个原子操作,我们就可以用其来实现各种无锁(lock free)的数据结构。

这个操作用C语言来描述就是下面这个样子:(代码来自Wikipedia的Compare And Swap词条)意思就是说,看一看内存*reg里的值是不是oldval,如果是的话,则对其赋值newval。

int compare_and_swap (int* reg, int oldval, int newval)
{
  int old_reg_val = *reg;
  if (old_reg_val == oldval)
     *reg = newval;
  return old_reg_val;
}

这个操作可以变种为返回bool值的形式(返回 bool值的好处在于,可以调用者知道有没有更新成功):

bool compare_and_swap (int *accum, int *dest, int newval)
{
  if ( *accum == *dest ) {
      *dest = newval;
      return true;
  }
  return false;
}

与CAS相似的还有下面的原子操作:(这些东西大家自己看Wikipedia吧)

注:在实际的C/C++程序中,CAS的各种实现版本如下:

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