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C语言使用setjmp和longjmp实现一个简单的协程

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正文

协程是什么呢，有人说是轻量级线程，有人说的用户级线程，其和线程的区别可能就是更轻量、操作系统无感的。 其实从根本来说的话，协程本质上就是在一个进程上的程序而已，外部感知不到它的存在。

协程其实我感觉对理解函数压栈入栈、进程的上下文切换也是非常有帮助的。

以下内容均在 Linux的 x86_64 环境下实现。 这里不讨论其他的实现。

(C/C++)函数的工作原理

对于汇编上的函数来说，就是一个过程。

汇编执行的逻辑就是一条指令一条指令的去执行，去处理。

这里分为两个地方，第一个是代码区，我们的pc指针指向当前指向的指令。

在x86_64下，寄存器$rip存放着 pc 指针。

第二个是栈区(别杠，这里不讨论堆区、静态区、常量区等等等)，栈是一种先进后出的结构。一般用来存放数据。

在x86_64下，栈顶指针放在$rsp的位置。

$rbp用来存放栈帧的起始。

看一个最简单的汇编代码：

int fun() {
    return 0;
}

fun:
        pushq   %rbp
        movq    %rsp, %rbp
        movl    $0, %eax
        popq    %rbp
        ret

pushq 指令是将 $rbp的值压入栈中，然后$rsp指针移动。

movq 指令就是将 A 移动到 B 位置去。

popq 指令就是把东西从栈中弹出到A，栈指针移动。

函数入栈示意图

具体函数传参和栈帧请看这一篇文章 https:

(C/C++)内嵌汇编

C/C++支持我们内嵌汇编在代码中。 形如：

asm volatile("", :::)

（volatile是为了防止被优化掉)

格式为：

asm volatile("InSTructiON List" : Output : Input : Clobber/Modify);

你可以利用汇编来完成赋值操作

int a=114514, b;
asm volatile("movl %1, %%eax; 
      movl %%eax, %0;"
      :"=r"(b)        /* output */
      :"r"(a)         /* input */
      :"%eax"         /* clobbered register */
     );

(linux下)setjmp和longjmp

如何用可以看这一篇文章 https:

setjmp和longjmp在本文中主要起到什么作用呢？

切换上下文

啊，好高大上啊，听不懂。

说人话，就是保存一下当前的寄存器（因为是协程，只有寄存器够了）

setjmp原理就是保存好当前时刻的寄存器。

然后在longjmp调用的时候，将恢复 jmp_buf所存放的寄存器的值，以达到跨函数跳转的目的。

这两个东西就非常适合用来做我们这个的上下文切换。

当然，你也可以用 ucontext来做这一件事情，只不过，我们这个是个简单的例子罢了。

协程的实现

首先，抛开调度器不谈，我们只用关心什么？

独立的运行空间、上下文...?

对于每一个协程来说，我们自然是不希望开辟在栈上的，(当前栈帧被摧毁\从新利用怎么办？)

我们可以动态的分配在堆上，将这一块内存当为这个协程的栈。

当然，协程是一个函数，并且可以调用另外的函数，(调用另外的函数的时候分配的内存就是这个协程所在的这一块内存)

现在我们要做三件事情。

有点像什么呢？

正常的调用是这样：

我们将push一个新的函数地址进去。

下面是汇编实现:

asm volatile(
        "movq %0, %%rsp;" // 更改 %rsp 为 当前分配的堆地址 now
        "movq %2, %%rdi;" // 传参
        "pushq %3;"       // 拆分call指令，将 自定义的新函数压入返回地址 
        "jmp  *%1;"       // 跳转到协程执行
        :
        : "b"(now), "d"(func), "a"(arg), "c"(exit_)
        : "memory");

结构体定义

#define alignment16(a) ((a) & (~(16 - 1)))  // 向前对齐
#define STACK_SIZE 4096
enum co_status {
  CO_NEW = 1,
  CO_DEAD,
};
struct co {
  void (*func)(void *);
  void *arg;
  enum co_status status;
  jmp_buf context;
  uint8_t stack[STACK_SIZE];
};

上下文管理

std::vector<co *> context;
std::unordered_map<co *, int> has_context;
co main_co;
co *now_co;

辅助函数

void refresh_context(co *buf) {
  if (!has_context.count(buf)) {
    context.push_back(buf);
    has_context[buf] = context.size() - 1;
  }
}

void exit_() {
  now_co->status = CO_DEAD;
  while (1) {
    yield();
  }
}

新建协程

注意到rsp的对齐，不对齐rsp会段错误

注意堆和栈的增长是反的

co *coroutine(void (*func)(void *), void *arg) {
  co *cur = new co;
  cur->arg = arg;
  cur->func = func;
  cur->status = CO_NEW;
  void *now = (void *)(alignment16(((uintptr_t)cur->stack + STACK_SIZE)));
  int res = setjmp(main_co.context); // 保存当前上下文
  refresh_context(&(main_co));       // 刷新上下文
  if (res == 0) {
    now_co = cur;                    // 协程创建成功，立马开始执行，直到第一次 yield
    asm volatile(
        "movq %0, %%rsp;"
        "movq %2, %%rdi;"
        "pushq %3;"
        "jmp  *%1;"
        :
        : "b"(now), "d"(func), "a"(arg), "c"(exit_)
        : "memory");
  }
  return cur;
}

协程让步

这里用的 0 和 1来区分是否为切换上下中的让步和苏醒操作。

void yield() {
  assert(now_co != NULL);
  int res = setjmp(now_co->context);             // 保存上下文
  refresh_context(now_co);
  if (res == 0) {
    now_co = context[(rand()) % context.size()]; // 挑选幸运观众
    longjmp(now_co->context, 1);                 // 跳转到其他上下文继续执行
  }
}

协程回收

这里，当协程没有执行完，状态不为 CO_DEAD 时，当前调用wait的程序就得一直让出

直到等到 CO_DEAD时 ，将其回收掉。

void wait(co *co_) {
  while (co_->status != CO_DEAD) yield();
  for (auto v = context.begin(); v != context.end();
       v++)  // 比较慢，可改用红黑树引用删除节点
    if (*v == co_) {
      context.erase(v);
      break;
    }
  has_context.erase(co_);
  delete co_;
}

总体代码和测试代码

#include <assert.h>
#include <setjmp.h>
#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include <queue>
#include <unordered_map>
#define alignment16(a) ((a) & (~(16 - 1)))  // 向前对齐
#define STACK_SIZE 4096
enum co_status {
  CO_NEW = 1,
  CO_DEAD,
};
struct co {
  void (*func)(void *);
  void *arg;
  enum co_status status;
  jmp_buf context;
  uint8_t stack[STACK_SIZE];
};
std::vector<co *> context;
std::unordered_map<co *, int> has_context;
co main_co;
co *now_co;
char __init_time__ = [] {
  srand(time(NULL));
  return 0;
}();
void refresh_context(co *buf) {
  if (!has_context.count(buf)) {
    context.push_back(buf);
    has_context[buf] = context.size() - 1;
  }
}
void exit_();
co *coroutine(void (*func)(void *), void *arg) {
  co *cur = new co;
  cur->arg = arg;
  cur->func = func;
  cur->status = CO_NEW;
  void *now = (void *)(alignment16(((uintptr_t)cur->stack + STACK_SIZE)));
  int res = setjmp(main_co.context);
  refresh_context(&(main_co));
  if (res == 0) {
    now_co = cur;
    asm volatile(
        "movq %0, %%rsp;"
        "movq %2, %%rdi;"
        "pushq %3;"
        "jmp  *%1;"
        :
        : "b"(now), "d"(func), "a"(arg), "c"(exit_)
        : "memory");
  }
  return cur;
}
void yield() {
  assert(now_co != NULL);
  int res = setjmp(now_co->context);
  refresh_context(now_co);
  if (res == 0) {
    now_co = context[(rand()) % context.size()];
    longjmp(now_co->context, 1);
  }
}
void wait(co *co_) {
  while (co_->status != CO_DEAD) yield();
  for (auto v = context.begin(); v != context.end();
       v++)  // 比较慢，可改用红黑树引用删除节点
    if (*v == co_) {
      context.erase(v);
      break;
    }
  has_context.erase(co_);
  delete co_;
}
void exit_() {
  now_co->status = CO_DEAD;
  while (1) {
    yield();
  }
}
int count = 1;
void entry(void *arg) {
  for (int i = 0; i < 5; i++) {
    printf("task: [%s] seq:[%d] \n", (const char *)arg, count++);
    yield();
  }
}
int main() {
  co *co1 = coroutine(entry, (void *)"a");
  co *co2 = coroutine(entry, (void *)"b");
  co *co3 = coroutine(entry, (void *)"c");
  wait(co1);
  wait(co2);
  wait(co3);
  printf("%d over\n", count);
  return 0;
}

效果

task: [a] seq:[1] 
task: [b] seq:[2] 
task: [a] seq:[3] 
task: [a] seq:[4] 
task: [a] seq:[5] 
task: [b] seq:[6] 
task: [a] seq:[7] 
task: [c] seq:[8] 
task: [c] seq:[9] 
task: [b] seq:[10] 
task: [b] seq:[11] 
task: [c] seq:[12] 
task: [b] seq:[13] 
task: [c] seq:[14] 
task: [c] seq:[15] 
16 over

调度顺序是随机的。

总结

本文主要简单介绍了一个一种可能的协程的实现方法，但是极其简陋和不规范，如有纰漏，请指正。

通过对协程的学习和理解，可以大概明白线程的工作原理，进程的工作原理，为什么线程要比进程耗费资源。

可以了解到C/C++函数调用的基础流程，以及如何搞一个函数让其不返回等操作。

本文没有涉及调度，涉及得很简陋，协程的状态只有 新建和死亡。中间的其他状态没有标注。

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