对协程的一些理解

Posted 2020-10-04 张伯雨

协程
协程(coroutine)最早由Melvin Conway在1963年提出并实现，一句话定义：协程是用户态的轻量级的线程

线程和协程
线程和协程经常被放在一起比较；线程一旦被创建出来，编写者是无法决定什么时候获得或者放出时间片的，是由操作系统进行统一调度的；而协程对编写者来说是可以控制切换的时机，并且切换代价比线程小，因为不需要进行内核态的切换。
协程避免了无意义的调度，由此可以提高性能，但也因此，程序员必须自己承担调度的责任，同时，协程也失去了标准线程使用多CPU的能力, 但是可用通过多个(进程+多协程)模式来充分利用多CPU。
协程另外一个重要的特点就是：协程是作用在用户态，操作系统内核对于协程是毫无感知的，这样一来，协程的创建就类似于普通对象的创建，非常轻量级，从而使你可以在一个线程里面轻松创建数十万个协程，就像数十万次函数调用一样。可以想象一下，如果是在一个进程里面创建数十万个线程，结果该是怎样可怕。

进程、线程、协程
进程：拥有自己独立的堆和栈，既不共享堆，亦不共享栈，进程由操作系统调度。
线程：拥有自己独立的栈和共享的堆，共享堆，不共享栈，线程亦由操作系统调度(标准线程是的)。
协程：和线程一样共享堆，不共享栈，协程由程序员在协程的代码里显示调度。

对协程的支持
Lua, Go，C#等语言原生支持协程
Java依赖第三方库，例如最为著名的协程开源库Kilim
C标准库里的函数setjmp和longjmp可以用来实现一种协程。

下面以lua语言为例子了解一下协程的工作机制

function foo(a)
    print("foo", a)
    return coroutine.yield(2 * a)
end

co = coroutine.create(function ( a, b )
    print("co-body_01", a, b)
    local r = foo(a + 1)
    print("co-body_02", r)
    return "end"
end)

print("---main---", coroutine.resume(co, 1, 10))
print("---main---", coroutine.resume(co, "r7"))

运行结果：

D:\\>luac text.lua
D:\\>lua luac.out
co-body_01      1       10
foo     2
---main---      true    4
co-body_02      r7
---main---      true    end

主要利用resume和yield两个函数进行控制切换的时机，具体描述看如下图(来源网上)：

协程经常被用在遇到io阻塞操作的时候，直接yield让出cpu，让下面的程序可以继续执行，等到操作完成了再重新resume恢复到上一次yield的地方；有没有觉得这种模式和我们碰到过的异步回调模式有点类似，下面可以进行一个对比。

协程和callback
协程经常被用来和callback进行比较，因为都实现了异步通信的功能；下面以一个具体的场景来描述2者的区别：
A首先要走到B的面前，到B的面前之后，A对B说“Hello”，A说完之后B对A说“Hello”，注意这里的每个动作之前都有一段的延迟时间
这个场景如果用callback的方式来描述的话，会是这样：

A.walkto(function (  )
    A.say(function (  )
        B.say("Hello")
    end,"Hello")
end, B)

这边只用到2层嵌套，如果再多几层的话，真是非人类代码了，如果用协程来实现：

co = coroutine.create(function (  )
    local current = coroutine.running
    A.walto(function (  )
        coroutine.resume(current)
    end, B)
    coroutine.yield()
    A.say(function (  )
        coroutine.resume(current)
    end, "hello")
    coroutine.yield()
    B.say("hello"）
end)

coroutine.resume(co)

结构清晰了不少，协程让编程者以同步的方式写成了异步大代码；
来源网上的一句总结：让原来要使用异步+回调方式写的非人类代码,可以用看似同步的方式写出来

不管是协程还是callback，本质上其实提供的是一种异步无阻塞的编程模式，下面看看java在这种模式下的尝试：

java异步无阻塞的编程模式
java语言本身没有提供协程的支持，但是一些第三方库提供了支持，比如JVM上早期有kilim以及现在比较成熟的Quasar。但是这里没打算就kilim和quasar框架进行介绍；这里要介绍的是java5中的Future类和java8中的CompletableFuture类。

1.Future使用

ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(10);
Future<Integer> f = es.submit(() ->{
             // 长时间的异步计算
             // ……
             // 然后返回结果
             return 100;
});
//while(!f.isDone())
f.get();

虽然Future以及相关使用方法提供了异步执行任务的能力，但是对于结果的获取却是很不方便，只能通过阻塞或者轮询的方式得到任务的结果。
这种模式暂且叫它伪异步。其实我们想要的是类似Netty中这种模式：

ChannelFuture future = bootstrap.connect(new InetSocketAddress(host, port));
future.addListener(new ChannelFutureListener()
{
          @Override
           public void operationComplete(ChannelFuture future) throws Exception
           {
                if (future.isSuccess()) {
                      // SUCCESS
                 }
                 else {
                      // FAILURE
                 }
            }
});

操作完成时自动调用回调方法，终于在java8中推出了CompletableFuture类

2.CompletableFuture使用
CompletableFuture提供了非常强大的Future的扩展功能，可以帮助我们简化异步编程的复杂性，提供了函数式编程的能力，可以通过回调的方式处理计算结果，并且提供了转换和组合CompletableFuture的方法。这里不想介绍更多CompletableFuture的东西，想了解更多CompletableFuture介绍，看一个比较常见的使用场景：

CompletableFuture<Integer> future = CompletableFuture.supplyAsync(耗时函数);
Future<Integer> f = future.whenComplete((v, e) -> {
        System.out.println(v);
        System.out.println(e);
});
System.out.println("other...");

CompletableFuture真正的实现了异步的编程模式

总结
为什么协程在Java里一直那么小众，Java里基本上所有的库都是同步阻塞的，很少见到异步无阻塞的。而且得益于J2EE，以及Java上的三大框架(SSH)洗脑，大部分Java程序员都已经习惯了基于线程，线性的完成一个业务逻辑，很难让他们接受一种将逻辑割裂的异步编程模型。