來(lái)源 | 碼農(nóng)的荒島求生
責(zé)編 | 晉兆雨
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作為程序員，想必你多多少少聽過協(xié)程這個(gè)詞，這項(xiàng)技術(shù)近年來(lái)越來(lái)越多的出現(xiàn)在程序員的視野當(dāng)中，尤其高性能高并發(fā)領(lǐng)域。當(dāng)你的同學(xué)、同事提到協(xié)程時(shí)如果你的大腦一片空白，對(duì)其毫無(wú)概念。。。

那么這篇文章正是為你量身打造的。

話不多說，今天的主題就是作為程序員，你應(yīng)該如何徹底理解協(xié)程。

普通的函數(shù)

我們先來(lái)看一個(gè)普通的函數(shù)，這個(gè)函數(shù)非常簡(jiǎn)單：

def?func():print("a")print("b")print("c")

這是一個(gè)簡(jiǎn)單的普通函數(shù)，當(dāng)我們調(diào)用這個(gè)函數(shù)時(shí)會(huì)發(fā)生什么？

調(diào)用func

func開始執(zhí)行，直到return

func執(zhí)行完成，返回函數(shù)A

是不是很簡(jiǎn)單，函數(shù)func執(zhí)行直到返回，并打印出：

a b c

So easy，有沒有，有沒有！

很好！

注意這段代碼是用python寫的，但本篇關(guān)于協(xié)程的討論適用于任何一門語(yǔ)言，因?yàn)閰f(xié)程并不是一種語(yǔ)言的特性。而我們只不過恰好使用了python來(lái)用作示例，因其足夠簡(jiǎn)單。

那么協(xié)程是什么呢？

從普通函數(shù)到協(xié)程

接下來(lái)，我們就要從普通函數(shù)過渡到協(xié)程了。

和普通函數(shù)只有一個(gè)返回點(diǎn)不同，協(xié)程可以有多個(gè)返回點(diǎn)。

這是什么意思呢？

void?func()?{print("a")暫停并返回print("b")暫停并返回print("c") }

普通函數(shù)下，只有當(dāng)執(zhí)行完print("c")這句話后函數(shù)才會(huì)返回，但是在協(xié)程下當(dāng)執(zhí)行完print("a")后func就會(huì)因“暫停并返回”這段代碼返回到調(diào)用函數(shù)。

有的同學(xué)可能會(huì)一臉懵逼，這有什么神奇的嗎？我寫一個(gè)return也能返回，就像這樣：

void?func()?{print("a")returnprint("b")暫停并返回print("c") }

直接寫一個(gè)return語(yǔ)句確實(shí)也能返回，但這樣寫的話return后面的代碼都不會(huì)被執(zhí)行到了。

協(xié)程之所以神奇就神奇在當(dāng)我們從協(xié)程返回后還能繼續(xù)調(diào)用該協(xié)程，并且是從該協(xié)程的上一個(gè)返回點(diǎn)后繼續(xù)執(zhí)行。

這足夠神奇吧，就好比孫悟空說一聲“定”，函數(shù)就被暫停了：

void?func()?{print("a")定print("b")定print("c") }

這時(shí)我們就可以返回到調(diào)用函數(shù)，當(dāng)調(diào)用函數(shù)什么時(shí)候想起該協(xié)程后可以再次調(diào)用該協(xié)程，該協(xié)程會(huì)從上一個(gè)返回點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行。

Amazing，有沒有，集中注意力，千萬(wàn)不要翻車。

只不過孫大圣使用的口訣“定”字，在編程語(yǔ)言中一般叫做yield(其它語(yǔ)言中可能會(huì)有不同的實(shí)現(xiàn)，但本質(zhì)都是一樣的)。

需要注意的是，當(dāng)普通函數(shù)返回后，進(jìn)程的地址空間中不會(huì)再保存該函數(shù)運(yùn)行時(shí)的任何信息，而協(xié)程返回后，函數(shù)的運(yùn)行時(shí)信息是需要保存下來(lái)的，那么函數(shù)的運(yùn)行時(shí)狀態(tài)到底在內(nèi)存中是什么樣子呢，關(guān)于這個(gè)問題你可以參考這里。

接下來(lái)，我們就用實(shí)際的代碼看一看協(xié)程。

Show?Me The Code

下面我們使用一個(gè)真實(shí)的例子來(lái)講解，語(yǔ)言采用python，不熟悉的同學(xué)不用擔(dān)心，這里不會(huì)有理解上的門檻。

在python語(yǔ)言中，這個(gè)“定”字同樣使用關(guān)鍵詞yield，這樣我們的func函數(shù)就變成了：

void?func()?{print("a")yieldprint("b")yieldprint("c") }

注意，這時(shí)我們的func就不再是簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的函數(shù)了，而是升級(jí)成為了協(xié)程，那么我們?cè)撛趺词褂媚?#xff0c;很簡(jiǎn)單：

def?A():co?=?func()?#?得到該協(xié)程next(co)????#?調(diào)用協(xié)程print("in?function?A")?#?do?somethingnext(co)????#?再次調(diào)用該協(xié)程

我們看到雖然func函數(shù)沒有return語(yǔ)句，也就是說雖然沒有返回任何值，但是我們依然可以寫co = func()這樣的代碼，意思是說co就是我們拿到的協(xié)程了。

接下來(lái)我們調(diào)用該協(xié)程，使用next(co)，運(yùn)行函數(shù)A看看執(zhí)行到第3行的結(jié)果是什么：

a

顯然，和我們的預(yù)期一樣，協(xié)程func在print("a")后因執(zhí)行yield而暫停并返回函數(shù)A。

接下來(lái)是第4行，這個(gè)毫無(wú)疑問，A函數(shù)在做一些自己的事情，因此會(huì)打印：

a in?function?A

接下來(lái)是重點(diǎn)的一行，當(dāng)執(zhí)行第5行再次調(diào)用協(xié)程時(shí)該打印什么呢？

如果func是普通函數(shù)，那么會(huì)執(zhí)行func的第一行代碼，也就是打印a。

但func不是普通函數(shù)，而是協(xié)程，我們之前說過，協(xié)程會(huì)在上一個(gè)返回點(diǎn)繼續(xù)運(yùn)行，因此這里應(yīng)該執(zhí)行的是func函數(shù)第一個(gè)yield之后的代碼，也就是print("b")。

a in?function?A b

看到了吧，協(xié)程是一個(gè)很神奇的函數(shù)，它會(huì)自己記住之前的執(zhí)行狀態(tài)，當(dāng)再次調(diào)用時(shí)會(huì)從上一次的返回點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行。

圖形化解釋

為了讓你更加徹底的理解協(xié)程，我們使用圖形化的方式再看一遍，首先是普通的函數(shù)調(diào)用：

在該圖中，方框內(nèi)表示該函數(shù)的指令序列，如果該函數(shù)不調(diào)用任何其它函數(shù)，那么應(yīng)該從上到下依次執(zhí)行，但函數(shù)中可以調(diào)用其它函數(shù)，因此其執(zhí)行并不是簡(jiǎn)單的從上到下，箭頭線表示執(zhí)行流的方向。

從圖中我們可以看到，我們首先來(lái)到funcA函數(shù)，執(zhí)行一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)調(diào)用了另一個(gè)函數(shù)funcB，這時(shí)控制轉(zhuǎn)移到該函數(shù)，執(zhí)行完成后回到main函數(shù)的調(diào)用點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行。

這是普通的函數(shù)調(diào)用。

接下來(lái)是協(xié)程。

在這里，我們依然首先在funcA函數(shù)中執(zhí)行，運(yùn)行一段時(shí)間后調(diào)用協(xié)程，協(xié)程開始執(zhí)行，直到第一個(gè)掛起點(diǎn)，此后就像普通函數(shù)一樣返回funcA函數(shù)，funcA函數(shù)執(zhí)行一些代碼后再次調(diào)用該協(xié)程，注意，協(xié)程這時(shí)就和普通函數(shù)不一樣了，協(xié)程并不是從第一條指令開始執(zhí)行而是從上一次的掛起點(diǎn)開始執(zhí)行，執(zhí)行一段時(shí)間后遇到第二個(gè)掛起點(diǎn)，這時(shí)協(xié)程再次像普通函數(shù)一樣返回funcA函數(shù)，funcA函數(shù)執(zhí)行一段時(shí)間后整個(gè)程序結(jié)束。

函數(shù)只是協(xié)程的一種特例

怎么樣，神奇不神奇，和普通函數(shù)不同的是，協(xié)程能知道自己上一次執(zhí)行到了哪里。

現(xiàn)在你應(yīng)該明白了吧，協(xié)程會(huì)在函數(shù)被暫停運(yùn)行時(shí)保存函數(shù)的運(yùn)行狀態(tài)，并可以從保存的狀態(tài)中恢復(fù)并繼續(xù)運(yùn)行。

很熟悉的味道有沒有，這不就是操作系統(tǒng)對(duì)線程的調(diào)度嘛，線程也可以被暫停，操作系統(tǒng)保存線程運(yùn)行狀態(tài)然后去調(diào)度其它線程，此后該線程再次被分配CPU時(shí)還可以繼續(xù)運(yùn)行，就像沒有被暫停過一樣。

只不過線程的調(diào)度是操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，這些對(duì)程序員都不可見，而協(xié)程是在用戶態(tài)實(shí)現(xiàn)的，對(duì)程序員可見。

這就是為什么有的人說可以把協(xié)程理解為用戶態(tài)線程的原因。

此處應(yīng)該有掌聲。

也就是說現(xiàn)在程序員可以扮演操作系統(tǒng)的角色了，你可以自己控制協(xié)程在什么時(shí)候運(yùn)行，什么時(shí)候暫停，也就是說協(xié)程的調(diào)度權(quán)在你自己手上。

在協(xié)程這件事兒上，調(diào)度你說了算。

當(dāng)你在協(xié)程中寫下yield的時(shí)候就是想要暫停該協(xié)程，當(dāng)使用next()時(shí)就是要再次運(yùn)行該協(xié)程。

現(xiàn)在你應(yīng)該理解為什么說函數(shù)只是協(xié)程的一種特例了吧，函數(shù)其實(shí)只是沒有掛起點(diǎn)的協(xié)程而已。

協(xié)程的歷史

有的同學(xué)可能認(rèn)為協(xié)程是一種比較新的技術(shù)，然而其實(shí)協(xié)程這種概念早在1958年就已經(jīng)提出來(lái)了，要知道這時(shí)線程的概念都還沒有提出來(lái)。

到了1972年，終于有編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了這個(gè)概念，這兩門編程語(yǔ)言就是Simula 67 以及Scheme。

但協(xié)程這個(gè)概念始終沒有流行起來(lái)，甚至在1993年還有人考古一樣專門寫論文挖出協(xié)程這種古老的技術(shù)。

因?yàn)檫@一時(shí)期還沒有線程，如果你想在操作系統(tǒng)寫出并發(fā)程序那么你將不得不使用類似協(xié)程這樣的技術(shù)，后來(lái)線程開始出現(xiàn)，操作系統(tǒng)終于開始原生支持程序的并發(fā)執(zhí)行，就這樣，協(xié)程逐漸淡出了程序員的視線。

直到近些年，隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，尤其是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，服務(wù)端對(duì)高并發(fā)的要求越來(lái)越高，協(xié)程再一次重回技術(shù)主流，各大編程語(yǔ)言都已經(jīng)支持或計(jì)劃開始支持協(xié)程。

那么協(xié)程到底是如何實(shí)現(xiàn)的呢？

協(xié)程是如何實(shí)現(xiàn)的

讓我們從問題的本質(zhì)出發(fā)來(lái)思考這個(gè)問題。

協(xié)程的本質(zhì)是什么呢？

其實(shí)就是可以被暫停以及可以被恢復(fù)運(yùn)行的函數(shù)。

那么可以被暫停以及可以被恢復(fù)意味著什么呢？

看過籃球比賽的同學(xué)想必都知道(沒看過的也能知道)，籃球比賽也是可以被隨時(shí)暫停的，暫停時(shí)大家需要記住球在哪一方，各自的站位是什么，等到比賽繼續(xù)的時(shí)候大家回到各自的位置，裁判哨子一響比賽繼續(xù)，就像比賽沒有被暫停過一樣。

看到問題的關(guān)鍵了嗎，比賽之所以可以被暫停也可以繼續(xù)是因?yàn)楸荣悹顟B(tài)被記錄下來(lái)了（站位、球在哪一方），這里的狀態(tài)就是計(jì)算機(jī)科學(xué)中常說的上下文，context。

回到協(xié)程。

協(xié)程之所以可以被暫停也可以繼續(xù)，那么一定要記錄下被暫停時(shí)的狀態(tài)，也就是上下文，當(dāng)繼續(xù)運(yùn)行的時(shí)候要恢復(fù)其上下文(狀態(tài))，那么接下來(lái)很自然的一個(gè)問題就是，函數(shù)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)是什么？

這個(gè)關(guān)鍵的問題的答案就在《函數(shù)運(yùn)行起來(lái)后在內(nèi)存中是什么樣子的》這篇文章中，函數(shù)運(yùn)行時(shí)所有的狀態(tài)信息都位于函數(shù)運(yùn)行時(shí)棧中。

函數(shù)運(yùn)行時(shí)棧就是我們需要保存的狀態(tài)，也就是所謂的上下文，如圖所示：

從圖中我們可以看出，該進(jìn)程中只有一個(gè)線程，棧區(qū)中有四個(gè)棧幀，main函數(shù)調(diào)用A函數(shù)，A函數(shù)調(diào)用B函數(shù)，B函數(shù)調(diào)用C函數(shù)，當(dāng)C函數(shù)在運(yùn)行時(shí)整個(gè)進(jìn)程的狀態(tài)就如圖所示。

現(xiàn)在我們已經(jīng)知道了函數(shù)的運(yùn)行時(shí)狀態(tài)就保存在棧區(qū)的棧幀中，接下來(lái)重點(diǎn)來(lái)了哦。

既然函數(shù)的運(yùn)行時(shí)狀態(tài)保存在棧區(qū)的棧幀中，那么如果我們想暫停協(xié)程的運(yùn)行就必須保存整個(gè)棧幀的數(shù)據(jù)，那么我們?cè)搶⒄麄€(gè)棧幀中的數(shù)據(jù)保存在哪里呢？

想一想這個(gè)問題，整個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存區(qū)中哪一塊是專門用來(lái)長(zhǎng)時(shí)間(進(jìn)程生命周期)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的？是不是大腦又一片空白了？

先別空白！

很顯然，這就是堆區(qū)啊，heap，我們可以將棧幀保存在堆區(qū)中，那么我們?cè)撛趺丛诙褏^(qū)中保存數(shù)據(jù)呢？希望你還沒有暈，在堆區(qū)中開辟空間就是我們常用的C語(yǔ)言中的malloc或者C++中的new。

我們需要做的就是在堆區(qū)中申請(qǐng)一段空間，讓后把協(xié)程的整個(gè)棧區(qū)保存下，當(dāng)需要恢復(fù)協(xié)程的運(yùn)行時(shí)再?gòu)亩褏^(qū)中copy出來(lái)恢復(fù)函數(shù)運(yùn)行時(shí)狀態(tài)。

再仔細(xì)想一想，為什么我們要這么麻煩的來(lái)回copy數(shù)據(jù)呢？

實(shí)際上，我們需要做的是直接把協(xié)程的運(yùn)行需要的棧幀空間直接開辟在堆區(qū)中，這樣都不用來(lái)回copy數(shù)據(jù)了，如圖所示。

從圖中我們可以看到，該程序中開啟了兩個(gè)協(xié)程，這兩個(gè)協(xié)程的棧區(qū)都是在堆上分配的，這樣我們就可以隨時(shí)中斷或者恢復(fù)協(xié)程的執(zhí)行了。

有的同學(xué)可能會(huì)問，那么進(jìn)程地址空間最上層的棧區(qū)現(xiàn)在的作用是什么呢？

這一區(qū)域依然是用來(lái)保存函數(shù)棧幀的，只不過這些函數(shù)并不是運(yùn)行在協(xié)程而是普通線程中的。

現(xiàn)在你應(yīng)該看到了吧，在上圖中實(shí)際上有3個(gè)執(zhí)行流：

一個(gè)普通線程

兩個(gè)協(xié)程

雖然有3個(gè)執(zhí)行流但我們創(chuàng)建了幾個(gè)線程呢？

一個(gè)線程。

現(xiàn)在你應(yīng)該明白為什么要使用協(xié)程了吧，使用協(xié)程理論上我們可以開啟無(wú)數(shù)并發(fā)執(zhí)行流，只要堆區(qū)空間足夠，同時(shí)還沒有創(chuàng)建線程的開銷，所有協(xié)程的調(diào)度、切換都發(fā)生在用戶態(tài)，這就是為什么協(xié)程也被稱作用戶態(tài)線程的原因所在。

掌聲在哪里？

因此即使你創(chuàng)建了N多協(xié)程，但在操作系統(tǒng)看來(lái)依然只有一個(gè)線程，也就是說協(xié)程對(duì)操作系統(tǒng)來(lái)說是不可見的。

這也許是為什么協(xié)程這個(gè)概念比線程提出的要早的原因，可能是寫普通應(yīng)用的程序員比寫操作系統(tǒng)的程序員最先遇到需要多個(gè)并行流的需求，那時(shí)可能都還沒有操作系統(tǒng)的概念，或者操作系統(tǒng)沒有并行這種需求，所以非操作系統(tǒng)程序員只能自己動(dòng)手實(shí)現(xiàn)執(zhí)行流，也就是協(xié)程。

現(xiàn)在你應(yīng)該對(duì)協(xié)程有一個(gè)清晰的認(rèn)知了吧。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的程序员应如何理解高并发中的协程的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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