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文章目录1.干货写在前面2.ucontext初接触3.ucontext组件到底是什么4.小试牛刀-使用ucontext组件实现线程切换5.使用ucontext实现自己的线程库6.最后一步-使用我们自己的协程库1.干货写在前面 协程是一种用户态的轻量级线程 首先我们可以看看有哪些语言已经具备协程语义 比较重量级的有C#、erlang、golang* 轻量级有python、lua、javascript、ruby 还有函数式的scala、scheme等 c/c不直接支持协程语义但有不少开源的协程库如 Protothreads一个“蝇量级” C 语言协程库 libco:来自腾讯的开源协程库libco介绍官网 coroutine:云风的一个C语言同步协程库,详细信息 目前看到大概有四种实现协程的方式 第一种利用glibc 的 ucontext组件(云风的库) 第二种使用汇编代码来切换上下文(实现c协程) 第三种利用C语言语法switch-case的奇淫技巧来实现Protothreads) 第四种利用了 C 语言的 setjmp 和 longjmp 一种协程的 C/C 实现,要求函数里面使用 static local 的变量来保存协程内部的数据 本篇主要使用ucontext来实现简单的协程库。
2.ucontext初接触
利用ucontext提供的四个函数getcontext(),setcontext(),makecontext(),swapcontext()可以在一个进程中实现用户级的线程切换。
本节我们先来看ucontext实现的一个简单的例子
#include stdio.h
#include ucontext.h
#include unistd.hint main(int argc, const char *argv[]){ucontext_t context;getcontext(context);puts(Hello world);sleep(1);setcontext(context);return 0;
}注示例代码来自维基百科.
保存上述代码到example.c,执行编译命令
gcc example.c -o example想想程序运行的结果会是什么样
cxyubuntu:~$ ./example
Hello world
Hello world
Hello world
Hello world
Hello world
Hello world
Hello world
^C
cxyubuntu:~$上面是程序执行的部分输出不知道是否和你想得一样呢我们可以看到程序在输出第一个“Hello world后并没有退出程序而是持续不断的输出”Hello world“。其实是程序通过getcontext先保存了一个上下文,然后输出Hello world,在通过setcontext恢复到getcontext的地方重新执行代码所以导致程序不断的输出”Hello world“在我这个菜鸟的眼里这简直就是一个神奇的跳转。 那么问题来了ucontext到底是什么
3.ucontext组件到底是什么
在类System V环境中,在头文件 ucontext.h 中定义了两个结构类型mcontext_t和ucontext_t和四个函数getcontext(),setcontext(),makecontext(),swapcontext().利用它们可以在一个进程中实现用户级的线程切换。
mcontext_t类型与机器相关并且不透明.ucontext_t结构体则至少拥有以下几个域: typedef struct ucontext {struct ucontext *uc_link;sigset_t uc_sigmask;stack_t uc_stack;mcontext_t uc_mcontext;...} ucontext_t;当当前上下文(如使用makecontext创建的上下文运行终止时系统会恢复uc_link指向的上下文uc_sigmask为该上下文中的阻塞信号集合uc_stack为该上下文中使用的栈uc_mcontext保存的上下文的特定机器表示包括调用线程的特定寄存器等。
下面详细介绍四个函数
int getcontext(ucontext_t *ucp);初始化ucp结构体将当前的上下文保存到ucp中
int setcontext(const ucontext_t *ucp);设置当前的上下文为ucpsetcontext的上下文ucp应该通过getcontext或者makecontext取得如果调用成功则不返回。如果上下文是通过调用getcontext()取得,程序会继续执行这个调用。如果上下文是通过调用makecontext取得,程序会调用makecontext函数的第二个参数指向的函数如果func函数返回,则恢复makecontext第一个参数指向的上下文第一个参数指向的上下文context_t中指向的uc_link.如果uc_link为NULL,则线程退出。
void makecontext(ucontext_t *ucp, void (*func)(), int argc, ...);makecontext修改通过getcontext取得的上下文ucp(这意味着调用makecontext前必须先调用getcontext)。然后给该上下文指定一个栈空间ucp-stack设置后继的上下文ucp-uc_link.
当上下文通过setcontext或者swapcontext激活后执行func函数argc为func的参数个数后面是func的参数序列。当func执行返回后继承的上下文被激活如果继承上下文为NULL时线程退出。
int swapcontext(ucontext_t *oucp, ucontext_t *ucp);保存当前上下文到oucp结构体中然后激活upc上下文。
如果执行成功getcontext返回0setcontext和swapcontext不返回如果执行失败getcontext,setcontext,swapcontext返回-1并设置对于的errno.
简单说来 getcontext获取当前上下文setcontext设置当前上下文swapcontext切换上下文makecontext创建一个新的上下文。
4.小试牛刀-使用ucontext组件实现线程切换
虽然我们称协程是一个用户态的轻量级线程但实际上多个协程同属一个线程。任意一个时刻同一个线程不可能同时运行两个协程。如果我们将协程的调度简化为主函数调用协程1运行协程1直到协程1返回主函数主函数在调用协程2运行协程2直到协程2返回主函数。示意步骤如下
执行主函数
切换主函数 -- 协程1
执行协程1
切换协程1 -- 主函数
执行主函数
切换主函数 -- 协程2
执行协程2
切换协程2 -- 主函数
执行主函数
...这种设计的关键在于实现主函数到一个协程的切换然后从协程返回主函数。这样无论是一个协程还是多个协程都能够完成与主函数的切换从而实现协程的调度。 实现用户线程的过程是
我们首先调用getcontext获得当前上下文修改当前上下文ucontext_t来指定新的上下文如指定栈空间极其大小设置用户线程执行完后返回的后继上下文即主函数的上下文等调用makecontext创建上下文并指定用户线程中要执行的函数切换到用户线程上下文去执行用户线程如果设置的后继上下文为主函数则用户线程执行完后会自动返回主函数。 下面代码context_test函数完成了上面的要求。
#include ucontext.h
#include stdio.hvoid func1(void * arg)
{puts(1);puts(11);puts(111);puts(1111);}
void context_test()
{char stack[1024*128];ucontext_t child,main;getcontext(child); //获取当前上下文child.uc_stack.ss_sp stack;//指定栈空间child.uc_stack.ss_size sizeof(stack);//指定栈空间大小child.uc_stack.ss_flags 0;child.uc_link main;//设置后继上下文makecontext(child,(void (*)(void))func1,0);//修改上下文指向func1函数swapcontext(main,child);//切换到child上下文保存当前上下文到mainputs(main);//如果设置了后继上下文func1函数指向完后会返回此处
}int main()
{context_test();return 0;
}在context_test中创建了一个用户线程child,其运行的函数为func1.指定后继上下文为main func1返回后激活后继上下文继续执行主函数。
保存上面代码到example-switch.cpp.运行编译命令:
g example-switch.cpp -o example-switch执行程序结果如下
cxyubuntu:~$ ./example-switch
1
11
111
1111
main
cxyubuntu:~$你也可以通过修改后继上下文的设置来观察程序的行为。如修改代码
child.uc_link main;为
child.uc_link NULL;再重新编译执行其执行结果为
cxyubuntu:~$ ./example-switch
1
11
111
1111
cxyubuntu:~$可以发现程序没有打印main执行为func1后直接退出而没有返回主函数。可见如果要实现主函数到线程的切换并返回指定后继上下文是非常重要的。
5.使用ucontext实现自己的线程库
掌握了上一节从主函数到协程的切换的关键我们就可以开始考虑实现自己的协程了。 定义一个协程的结构体如下
typedef void (*Fun)(void *arg);typedef struct uthread_t
{ucontext_t ctx;Fun func;void *arg;enum ThreadState state;char stack[DEFAULT_STACK_SZIE];
}uthread_t;ctx保存协程的上下文stack为协程的栈栈大小默认为DEFAULT_STACK_SZIE128Kb.你可以根据自己的需求更改栈的大小。func为协程执行的用户函数arg为func的参数state表示协程的运行状态包括FREE,RUNNABLE,RUNING,SUSPEND,分别表示空闲就绪正在执行和挂起四种状态。 在定义一个调度器的结构体
typedef std::vectoruthread_t Thread_vector;typedef struct schedule_t
{ucontext_t main;int running_thread;Thread_vector threads;schedule_t():running_thread(-1){}
}schedule_t;调度器包括主函数的上下文main,包含当前调度器拥有的所有协程的vector类型的threads以及指向当前正在执行的协程的编号running_thread.如果当前没有正在执行的协程时running_thread-1. 接下来在定义几个使用函数uthread_create,uthread_yield,uthread_resume函数已经辅助函数schedule_finished.就可以了。
int uthread_create(schedule_t schedule,Fun func,void *arg);创建一个协程该协程的会加入到schedule的协程序列中func为其执行的函数arg为func的执行函数。返回创建的线程在schedule中的编号。
void uthread_yield(schedule_t schedule);挂起调度器schedule中当前正在执行的协程切换到主函数。
void uthread_resume(schedule_t schedule,int id);恢复运行调度器schedule中编号为id的协程
int schedule_finished(const schedule_t schedule);判断schedule中所有的协程是否都执行完毕是返回1否则返回0.注意如果有协程处于挂起状态时算作未全部执行完毕返回0.
代码就不全贴出来了我们来看看两个关键的函数的具体实现。首先是uthread_resume函数
void uthread_resume(schedule_t schedule , int id)
{if(id 0 || id schedule.threads.size()){return;}uthread_t *t (schedule.threads[id]);switch(t-state){case RUNNABLE:getcontext((t-ctx));t-ctx.uc_stack.ss_sp t-stack;t-ctx.uc_stack.ss_size DEFAULT_STACK_SZIE;t-ctx.uc_stack.ss_flags 0;t-ctx.uc_link (schedule.main);t-state RUNNING;schedule.running_thread id;makecontext((t-ctx),(void (*)(void))(uthread_body),1,schedule);/* !! note : Here does not need to break */case SUSPEND:swapcontext((schedule.main),(t-ctx));break;default: ;}
}如果指定的协程是首次运行处于RUNNABLE状态则创建一个上下文然后切换到该上下文。如果指定的协程已经运行过处于SUSPEND状态则直接切换到该上下文即可。代码中需要注意RUNNBALE状态的地方不需要break.
void uthread_yield(schedule_t schedule)
{if(schedule.running_thread ! -1 ){uthread_t *t (schedule.threads[schedule.running_thread]);t-state SUSPEND;schedule.running_thread -1;swapcontext((t-ctx),(schedule.main));}
}uthread_yield挂起当前正在运行的协程。首先是将running_thread置为-1将正在运行的协程的状态置为SUSPEND最后切换到主函数上下文。
6.最后一步-使用我们自己的协程库
保存下面代码到example-uthread.cpp.
#include uthread.h
#include stdio.hvoid func2(void * arg)
{puts(22);puts(22);uthread_yield(*(schedule_t *)arg);puts(22);puts(22);
}void func3(void *arg)
{puts(3333);puts(3333);uthread_yield(*(schedule_t *)arg);puts(3333);puts(3333);}void schedule_test()
{schedule_t s;int id1 uthread_create(s,func3,s);int id2 uthread_create(s,func2,s);while(!schedule_finished(s)){uthread_resume(s,id2);uthread_resume(s,id1);}puts(main over);}
int main()
{schedule_test();return 0;
}执行编译命令并运行
g example-uthread.cpp -o example-uthread
./example-uthread运行结果如下
cxyubuntu:~/mythread$./example-uthread
22
22
3333
3333
22
22
3333
3333
main over
cxyubuntu:~/mythread$可以看到程序协程func2然后切换到主函数,在执行协程func3再切换到主函数又切换到func2,在切换到主函数再切换到func3,最后切换到主函数结束。 总结一下我们利用getcontext和makecontext创建上下文设置后继的上下文到主函数设置每个协程的栈空间。在利用swapcontext在主函数和协程之间进行切换。
到此使用ucontext做一个自己的协程库就到此结束了。相信你也可以自己完成自己的协程库了。
