如今雖不敢說協(xié)程已經(jīng)是紅的發(fā)紫，但確實(shí)是越來越受到了大家的重視。Golang中的已經(jīng)是只有g(shù)oroutine，以至于很多go程序員是只知有協(xié)程，不知有線程了。就連C++也在最新的C++20中原生支持協(xié)程。更不用說很多活躍的語(yǔ)言如python，java等，也都是支持協(xié)程的。盡管這些協(xié)程可能名稱不同，甚至用法也不同，但它們都可以被劃分為兩大類，一類是有(stackful) 協(xié)程，例如 goroutine，libco；一類是無棧 (stackless) 協(xié)程，例如C++的協(xié)程。

這里我們想說的一點(diǎn)是所謂的有棧，無棧并不是說這個(gè)協(xié)程運(yùn)行的時(shí)候有沒有棧，而是說協(xié)程之間是否存在調(diào)用棧（callbackStack）。其實(shí)仔細(xì)一想即可，但凡是個(gè)正在運(yùn)行的程序，不管你是協(xié)程也好，線程也好，怎么可能在運(yùn)行的時(shí)候不使用棧空間呢，調(diào)用參數(shù)往哪擱，局部變量往哪擱。我們知道基本所有的主流語(yǔ)言在調(diào)用另外一個(gè)函數(shù)的時(shí)候都存在一個(gè)調(diào)用棧，我們來解釋一下調(diào)用棧這個(gè)詞：

這幅圖是有兩個(gè)棧幀的調(diào)用棧，我在這篇文章中對(duì)棧幀下過定義，即：函數(shù)的棧幀是指esp和ebp之間的一塊地址。拿上圖來說ebp存儲(chǔ)著Frame Pointer指向的地址，Return Address當(dāng)然就是我們?cè)趫?zhí)行完最新的棧幀以后下一步要執(zhí)行的指令地址。esp當(dāng)然就是當(dāng)前指向棧頂?shù)闹羔樍恕?/p>

有棧協(xié)程

很多地方又把協(xié)程稱為subroutine，subroutine是什么，就是函數(shù)。上古時(shí)期的計(jì)算機(jī)科學(xué)家們?cè)缇徒o出了概念，coroutine就是可以中斷并恢復(fù)執(zhí)行的subroutine，從這個(gè)角度來看協(xié)程擁有調(diào)用棧并不是一個(gè)奇怪的事情。我們?cè)賮硭伎糲oroutine與subroutinue相比有什么區(qū)別，你會(huì)發(fā)現(xiàn)區(qū)別僅有一個(gè)，就是coroutinue可以中斷并恢復(fù)，對(duì)應(yīng)的操作就是yield/resume，這樣看來subroutinue不過是coroutinue的一個(gè)子集罷了。也就是說把協(xié)程當(dāng)做一個(gè)特殊的函數(shù)調(diào)用，有棧協(xié)程就是我們理想中協(xié)程該有的模樣。

既然把其當(dāng)做一個(gè)特殊的函數(shù)調(diào)用，對(duì)我們來說最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)就是如何像切換函數(shù)一樣去切換協(xié)程，難點(diǎn)在于除了像函數(shù)一樣切換出去，還要在某種條件滿足的時(shí)候切換回來，我們的做法可以是在協(xié)程內(nèi)部存儲(chǔ)自身的上下文，并在需要切換的時(shí)候把上下文切換就可以了，我們知道上下文其實(shí)本質(zhì)上就是寄存器，所以保存上下文實(shí)際上就是把寄存器的值保存下來，有兩種方法，一種是使用匯編，libco就使用了這種方法。還有一種是使用ucontext.h，這個(gè)封裝好的庫(kù)也可以幫我們完成相關(guān)工作。

匯編的話我們來看一看libco中對(duì)于32位機(jī)器的上下文切換操作是如何完成的：

// 獲取第一個(gè)參數(shù)
    movl 4(%esp), %eax 
    // 參數(shù)的類型我們暫且理解為一個(gè)擁有八個(gè)指針的數(shù)組，即regs
	| regs[7] |
	| regs[6] |
	| regs[5] |
	| regs[4] |
	| regs[3] |
	| regs[2] |
	| regs[1] |
	| regs[0] |
	--------------   < ---EAX

    movl %esp,  28(%eax)  
    movl %ebp, 24(%eax)
    movl %esi, 20(%eax)
    movl %edi, 16(%eax)
    movl %edx, 12(%eax)
    movl %ecx, 8(%eax)
    movl %ebx, 4(%eax)
	// 想想看，這里eax加偏移不就是對(duì)應(yīng)了regs中的值嗎？這樣就把所有寄存器中的值保存在了參數(shù)中

	
	// ESP偏移八位就是第二個(gè)參數(shù)的偏移了，這樣我們就可以把第二個(gè)參數(shù)regs中的上下文切換到寄存器中了
    movl 8(%esp), %eax 
    movl 4(%eax), %ebx
    movl 8(%eax), %ecx
    movl 12(%eax), %edx  
    movl 16(%eax), %edi
    movl 20(%eax), %esi
    movl 24(%eax), %ebp
    movl 28(%eax), %esp

	ret
	// 這樣我們就完成了一次協(xié)程的切換

我們可以看到其實(shí)就是參數(shù)中傳入兩個(gè)協(xié)程的上下文結(jié)構(gòu)，然后第一個(gè)參數(shù)執(zhí)行保存上下文，然后把第二個(gè)參數(shù)的上下文存入寄存器，這樣就執(zhí)行了兩個(gè)協(xié)程的切換。

當(dāng)然我們上面提到了調(diào)用棧，那么既然有調(diào)用棧，那么肯定有一個(gè)執(zhí)行的順序，即一定要把棧頂?shù)膮f(xié)程全部運(yùn)行完才可以運(yùn)行下一層的協(xié)程，這樣說可能比較抽象，我們舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子：

主協(xié)程A中執(zhí)行協(xié)程B，此時(shí)調(diào)用棧是在[A，B]和[A]之間切換，因?yàn)锽會(huì)主動(dòng)讓出執(zhí)行權(quán)，然后調(diào)用棧上此時(shí)就只有一個(gè)A了

B協(xié)程中執(zhí)行C,D協(xié)程,此時(shí)調(diào)用棧是在[A，B，C]，[A，B]，[A，B，D]之間轉(zhuǎn)換的，

這樣看來我們總是只能在調(diào)用棧頂?shù)膮f(xié)程運(yùn)行完以后才能去執(zhí)行更低一層的協(xié)程，當(dāng)然，這也是典型的非對(duì)稱協(xié)程，即協(xié)程之間有明顯的調(diào)用關(guān)系。

當(dāng)然在我的描述中也可以看出有棧協(xié)程涉及到對(duì)于寄存器的保存和修改，也涉及到對(duì)每一個(gè)協(xié)程棧（實(shí)際運(yùn)行的棧）的分配。對(duì)于寄存器來說，現(xiàn)代寄存器基本都是上百個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，還有每一個(gè)協(xié)程的棧，如果選擇了共享?xiàng)＃稚婕暗綄?duì)棧上數(shù)據(jù)的拷貝，顯然在效率上來說相比無棧協(xié)程的確是有一些損失的。

無棧協(xié)程

那么所謂的無棧協(xié)程是什么呢？其實(shí)無棧協(xié)程的本質(zhì)就是一個(gè)狀態(tài)機(jī)（state machine），它可以理解為在另一個(gè)角度去看問題，即同一協(xié)程協(xié)程的切換本質(zhì)不過是指令指針寄存器的改變。這里推薦一篇文章，其內(nèi)容是用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)一個(gè)協(xié)程，其實(shí)就是一個(gè)無棧協(xié)程的實(shí)現(xiàn)。

我們來看一個(gè)使用libco的協(xié)程的例子，當(dāng)然libco是一個(gè)有棧協(xié)程：

void* test(void* para){
	co_enable_hook_sys();
	int i = 0;
	poll(0, 0, 0. 1000); // 協(xié)程切換執(zhí)行權(quán)，1000ms后返回
	i++;
	poll(0, 0, 0. 1000); // 協(xié)程切換執(zhí)行權(quán)，1000ms后返回
	i--;
	return 0;
}

int main(){
	stCoRoutine_t* routine;
	co_create(&routine, NULL, test, 0);// 創(chuàng)建一個(gè)協(xié)程
	co_resume(routine); 
	co_eventloop( co_get_epoll_ct(),0,0 );
	return 0;
}

這段代碼實(shí)際的意義就是主協(xié)程跑一個(gè)協(xié)程去執(zhí)行test函數(shù)，在test中我們需要兩次從協(xié)程中切換出去，這里對(duì)應(yīng)了兩個(gè)poll操作（hook機(jī)制，有興趣的朋友可以點(diǎn)擊這里），hook后的poll所做的事情就是把當(dāng)前協(xié)程的CPU執(zhí)行權(quán)切換到調(diào)用棧的上一層，并在超時(shí)或注冊(cè)的fd就緒時(shí)返回（當(dāng)然樣例這里就只是超時(shí)了）。那么無棧協(xié)程跑相同的代碼是怎么樣的呢？其實(shí)就是翻譯成類似于以下代碼：

struct test_coroutine {
    int i;
    int __state = 0;
    void MoveNext() {
        switch(__state) {
        case 0:
            return frist();
        case 1:
            return second();
        case 2:
        	return third();
        }
    }
    void frist() {
        i = 0;
        __state = 1;
    }
    void second() {
        i++;
        _state = 2;
    }
    void third() {
    	i--;
    }
};

我們可以看到相比與有棧協(xié)程中的test函數(shù)，這里把整個(gè)協(xié)程抽象成一個(gè)類，以原本需要執(zhí)行切換的語(yǔ)句處為界限，把函數(shù)劃分為幾個(gè)部分，并在某一個(gè)部分執(zhí)行完以后進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移，在下一次調(diào)用此函數(shù)的時(shí)候就會(huì)執(zhí)行下一部分，這樣的話我們就完全沒有必要像有棧協(xié)程那樣顯式的執(zhí)行上下文切換了，我們只需要一個(gè)簡(jiǎn)易的調(diào)度器來調(diào)度這些函數(shù)即可。

從執(zhí)行時(shí)棧的角度來看，其實(shí)所有的協(xié)程共用的都是一個(gè)棧，即系統(tǒng)棧，也就也不必我們自行去給協(xié)程分配棧，因?yàn)槭呛瘮?shù)調(diào)用，我們當(dāng)然也不必去顯示的保存寄存器的值，而且相比有棧協(xié)程把局部變量放在新開的空間上，無棧協(xié)程直接使用系統(tǒng)棧使得CPU cache局部性更好，同時(shí)也使得無棧協(xié)程的中斷和函數(shù)返回幾乎沒有區(qū)別，這樣也可以凸顯出無棧協(xié)程的高效。

對(duì)稱協(xié)程與非對(duì)稱協(xié)程

其實(shí)對(duì)于“對(duì)稱”這個(gè)名詞，闡述的實(shí)際是協(xié)程之間的關(guān)系，用大白話來說就是對(duì)稱協(xié)程就是說協(xié)程之間人人平等，沒有誰(shuí)調(diào)用誰(shuí)一說，大家都是一樣的，而非對(duì)稱協(xié)程就是協(xié)程之間存在明顯的調(diào)用關(guān)系。

簡(jiǎn)單來說就是這樣：

• 對(duì)稱協(xié)程 Symmetric Coroutine：任何一個(gè)協(xié)程都是相互獨(dú)立且平等的，調(diào)度權(quán)可以在任意協(xié)程之間轉(zhuǎn)移。
• 非對(duì)稱協(xié)程 Asymmetric Coroutine：協(xié)程出讓調(diào)度權(quán)的目標(biāo)只能是它的調(diào)用者，即協(xié)程之間存在調(diào)用和被調(diào)用關(guān)系。

其實(shí)兩者的實(shí)現(xiàn)我覺得其實(shí)差異不大，非對(duì)稱協(xié)程其實(shí)就是擁有調(diào)用棧，而非對(duì)稱協(xié)程則是大家都平等，不需要調(diào)用棧，只需要一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)所有未執(zhí)行完的協(xié)程即可。至于哪種更優(yōu)？我覺得分情況，如果你使用協(xié)程的目的是為了優(yōu)化一些IO密集型應(yīng)用，那么協(xié)程切換出去的時(shí)候就是它等待事件到來的時(shí)候，此時(shí)你就算切換過去也沒有什么意義，還不如等到事件到來的時(shí)候自動(dòng)切換回去。

其實(shí)上面說的是有一些問題，因?yàn)檫@個(gè)執(zhí)行權(quán)的切換實(shí)際上是（調(diào)用者–被調(diào)用者）之間的切換，對(duì)稱就是它們之間都是平等的，就是假如A協(xié)程執(zhí)行了B，C協(xié)程，那么B協(xié)程可以切換回A，也可以切換回C。而非對(duì)稱只能是B切換回A，A切換回C，C再切換回A，以此類推。

這樣看起來顯然非對(duì)稱協(xié)程相比之下更為符合我們的認(rèn)知，因?yàn)閷?duì)稱協(xié)程目前我不知道如何選擇一個(gè)合適的協(xié)程來獲得CPU執(zhí)行權(quán)，正如上面所說，此協(xié)程可能正在等待事件。當(dāng)然如果調(diào)度算法足夠優(yōu)秀的話，對(duì)稱協(xié)程也是可取的。