ucontext-人人都可以实现的简单协程库
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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了ucontext-人人都可以实现的简单协程库相关的知识,希望对你有一定的参考价值。
1.协程介绍
协程是一种轻量级的、用户态的执行单元。协程拥有自己的寄存器上下文和栈,协程调度切换时,将寄存器上下文和栈保存到其他地方,再切回来的时候,恢复先前保存的寄存器上下文和栈。不管是进程还是线程,每次阻塞、切换都需要陷入系统调用,先让CPU跑操作系统的调度程序,然后再由调度程序决定该跑哪一个进程/线程。协程的休眠和唤醒都是发生在用户态,也就是说应用程序开发者要自己负责协程的休眠和唤醒,
主要有以下特点:
1.占用的资源少。
2.所有的切换和调度都发生在用户态。
3.协程不适合CPU密集型(耗时),只适合I/O密集型,无法利用多核资源,不能实现并行
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,利用了glibc中的ucontext相关调用保存协程上下文,官网,介绍信息
coroutine:云风的一个C语言同步协程库,详细信息
Quasar:java中的一种协程库,官网
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:
[cpp] view plain copy- #include <stdio.h>
- #include <ucontext.h>
- #include <unistd.h>
- int 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?
[plain] view plain copy- cxy@ubuntu:~$ ./example
- Hello world
- Hello world
- Hello world
- Hello world
- Hello world
- Hello world
- Hello world
- ^C
- cxy@ubuntu:~$
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ucp,setcontext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0,setcontext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:
[cpp] view plain copy- 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
- ...
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.h>
- void 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main
- puts("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
[cpp] view plain copy- cxy@ubuntu:~$ ./example-switch
- 1
- 11
- 111
- ucontext-人人都可以实现的简单协程库