如何实现延续？

Posted 2023-02-14

【中文标题】如何实现延续？

【英文标题】：How to implement continuations?

【发布时间】：2010-09-05 14:40:19

【问题描述】：

我正在开发一个用 C 编写的 Scheme 解释器。目前它使用 C 运行时堆栈作为自己的堆栈，这在实现延续方面存在一个小问题。我目前的解决方案是将 C 堆栈手动复制到堆中，然后在需要时将其复制回来。除了不是标准的 C 之外，这个解决方案也不是很理想。

在 C 中实现 Scheme 延续的最简单方法是什么？

【参考方案1】：

Clinger、Hartheimer 和 Ost 的文章 Implementation Strategies for First-Class Continuations 提供了很好的摘要。我建议特别关注 Chez Scheme 的实施。

堆栈复制并不那么复杂，并且有许多易于理解的技术可用于提高性能。使用堆分配的帧也相当简单，但是您需要权衡为不使用显式延续的“正常”情况创建开销。

如果您将输入代码转换为连续传递样式 (CPS)，那么您可以完全消除堆栈。然而，虽然 CPS 很优雅，但它在前端增加了另一个处理步骤，并且需要额外的优化来克服某些性能影响。

【参考方案2】：

我记得读过一篇可能对你有帮助的文章：Cheney on the M.T.A. :-)

我知道的一些Scheme实现，比如SISC，在堆上分配它们的调用帧。

@ollie：如果所有调用帧都在堆上，则不需要进行提升。当然，性能需要权衡：提升时间与分配堆上所有帧所需的开销。也许它应该是解释器中一个可调的运行时参数。 :-P

【参考方案3】：

如果您是从头开始，您真的应该考虑继续传递样式 (CPS) 转换。

好的来源包括“LISP in small pieces”和Marc Feeley's Scheme in 90 minutes presentation。

【讨论】：

Queinnec 的书 Lisp In Small Pieces已可用（至少在 Paracampus 的法语版中）

【参考方案4】：

到目前为止，似乎没有提到 Dybvig 的论文。 阅读是一种享受。基于堆的模型 是最容易实现的，但基于堆栈 效率更高。忽略基于字符串的模型。

R。肯特·戴维格。 “方案的三种实施模式”。 http://www.cs.indiana.edu/~dyb/papers/3imp.pdf

还可以查看 ReadScheme.org 上的实施文件。 https://web.archive.org/http://library.readscheme.org/page8.html

摘要如下：

本文介绍了Scheme的三种实现模型 编程语言。第一个是在某些应用中使用的基于堆的模型 迄今为止在大多数方案实施中的形式；第二个是新的 基于堆栈的模型比 执行大多数程序时基于堆的模型；第三个是新的 用于多处理器的基于字符串的模型 方案的实施。

基于堆的模型将几个重要的数据结构分配到一个 堆，包括实际参数列表、绑定环境和调用 帧。

基于堆栈的模型在堆栈上分配这些相同的结构 只要有可能。这导致更少的堆分配，更少的内存 引用，更短的指令序列，更少的垃圾收集， 和更有效地使用内存。

基于字符串的模型直接分配这些结构的版本 程序文本，表示为一串符号。在里面 基于字符串的模型，Scheme 程序被翻译成 FFP 专门为支持 Scheme 而设计的语言。这里面的节目 语言由FFP机器直接执行，a 多处理器减串计算机。

基于堆栈的模型具有立竿见影的实用价值；它是 作者的 Chez Scheme 系统使用的模型，一个高性能的 方案的实施。基于字符串的模型将用于 在 FFP 机器上提供 Scheme 作为 FFP 的高级替代方案 一旦机器实现了。

【参考方案5】：

除了到目前为止您得到的很好的答案，我推荐 Andrew Appel 的 Compiling with Continuations。它写得很好，虽然不直接与 C 打交道，但它为编译器作者提供了非常好的想法。

Chicken Wiki 也有一些您会觉得非常有趣的页面，例如 internal structure 和 compilation process（其中 CPS 是用一个实际的编译示例来解释的）。

【讨论】：

我非常喜欢阿佩尔的书。一个好处是你可以参考 SML/NJ 编译器的源代码，这是 Appel 在书中描述的过程的一个很好的活生生的例子。

【参考方案6】：

您可以查看的示例有：Chicken（Scheme 实现，用 C 语言编写，支持延续）； Paul Graham 的On Lisp - 他创建了一个 CPS 转换器来实现 Common Lisp 中的延续子集； Weblocks - 一个基于延续的 Web 框架，它还在 Common Lisp 中实现了有限形式的延续。

【讨论】：

请问您指的是On Lisp的哪一章？

第 20 章是关于 Continuations - 特别是 20.3

【参考方案7】：

延续不是问题：您可以使用 CPS 实现具有常规高阶函数的那些。天真的堆栈分配的问题是尾调用永远不会被优化，这意味着你不能计划。

当前将方案的意大利面条堆栈映射到堆栈上的最佳方法是使用蹦床：本质上是额外的基础设施来处理非 C 类调用和过程退出。见Trampolined Style (ps)。

some code 说明了这两个想法。

【参考方案8】：

传统方式是使用setjmp 和longjmp，但有一些注意事项。

这是reasonably good explanation

【参考方案9】：

Continuations 基本上由上下文切换点的堆栈和 CPU 寄存器的保存状态组成。最起码切换的时候不用把整个栈复制到堆里，只需要重定向栈指针即可。

Continuations 是使用纤程轻松实现的。 http://en.wikipedia.org/wiki/Fiber_%28computer_science%29 .唯一需要仔细封装的是参数传递和返回值。

在 Windows 中，光纤是使用 CreateFiber/SwitchToFiber 系列调用完成的。 在符合 Posix 的系统中，可以使用 makecontext/swapcontext 来完成。

boost::coroutine 有一个适用于 C++ 的协同程序的工作实现，可以作为实现的参考点。

【讨论】：

简单实现...需要仔细封装 - 这一段有一定的张力。这个答案将通过一些代码的链接得到改进。

【参考方案10】：

正如soegaard 所指出的，主要参考仍然是R. Kent Dybvig. "Three Implementation Models for Scheme"。

这个想法是，延续是保持其评估控制堆栈的闭包。从使用call/cc 创建延续的那一刻起，需要控制堆栈才能继续评估。

经常调用延续会导致执行时间很长，并用重复的堆栈填充内存。我写了这个愚蠢的代码来证明，在 mit-scheme 中它会使方案崩溃，

代码将前 1000 个数字相加 1+2+3+...+1000。

(call-with-current-continuation 
 (lambda (break)
   ((lambda (s) (s s 1000 break))
    (lambda (s n cc)
      (if (= 0 n)
          (cc 0)
          (+ n
             ;; non-tail-recursive,
             ;; the stack grows at each recursive call
             (call-with-current-continuation
              (lambda (__)
                (s s (- n 1) __)))))))))

如果您从 1000 切换到 100 000，代码将花费 2 秒，如果您增加输入数字，它将崩溃。

【参考方案11】：

改为使用显式堆栈。

【讨论】：

-1：显式堆栈是什么？堆分配的数据结构建模堆栈？堆分配的数据结构建模堆栈使用的历史？与问题的相关性？

【参考方案12】：

Patrick 是正确的，唯一可以真正做到这一点的方法是在解释器中使用显式堆栈，并在需要转换为延续时将堆栈的适当段提升到堆中。

这与在支持闭包的语言中支持闭包所需的基本相同（闭包和延续有些相关）。

【讨论】：

但是，为了支持闭包，你不能只做 lambda 提升吗？