向左右向右走 —— 小时了了的技术博客

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纤程(Fiber)和协程(coroutine)是差不多的概念,也叫做用户级线程或者轻线程之类的。Windows系统提供了一组API用户创建和使用纤程,本文中的库就是基于这组API实现的,所以无法跨平台使用,非Windows程序员可以闪人了,当然如果有兴趣可以继续看下去,找个第三方的协程库封装一下,也能实现相同的效果。关于纤程更详细的信息可以查阅MSDN

纤程的概念中有两个关键点:

  1. 纤程拥有独立的栈空间和寄存器环境
  2. 纤程在用户态实现调调度,也就是说完全由程序员控制;

下图演示了几个纤程相互切换的过程,注意每个纤程都有独立的栈,并且通过SwitchToFiber函数切换到其他纤程:

 

作为对比,我们可以看一下函数调用过程中的堆栈变化情况,下面是示意图,表示了func1 -> func2 -> func3 这种常见的函数嵌套调用关系:

 

 

每一次函数调用都会创建一个新的栈帧(stack frame),合起来就构成整个调用栈,函数返回时其栈帧也随之释放。对于函数调用,我们可以确定的一点是(在不抛出异常的情况下)被调用函数执行完毕后一定会在调用点返回并继续执行下一条语句。但纤程之间的调用(切换)却不同,一个纤程可以在任意位置切换到其他纤程,并且可能永远都不会再切换回来,也可能从其他任意纤程(不必是刚刚切换到的)切换回来,前面的示意图描述的只是一种非常简单的情况,实际的情况可能非常复杂,复杂到导出都是跳来跳去的箭头理也理不清。在纤程间切换,有点像用加强版的goto,用的时候固然很爽,但后续的维护却是个麻烦。

所以就像用while/for/switch-case代替goto一样,我们也需要封装一组新的API来代替对操作系统API的直接调用。一方面,在封装过程中我们可以对纤程的行为(实际是程序员的行为)施加一些安全约束,使得更容易写出安全的代码或者更不容易写出不安全的代码;另一方面,从goto到while/switch等过程控制语句实际上是一种抽象层次的提升,对大部分常见需求后者用起来更方便,更不容易出错,写出的代码也更简洁易懂,类似的,从系统API到新的封装API或者封装类也是抽象层次的提高,可以更方便的应用在各种业务场景;最后,直接使用系统API需要写很多维护纤程的辅助代码,这类代码通常重复而又分散到业务代码的各个角落,进一步降低了程序的可读性和提高了维护难度,封装也是为了解决这个问题。

好了,废话说完了,我们先上一段代码尝尝鲜:

 1     const int RUN_TIMES = 5;
 2 
 3     int number = 0;
 4     bool shutdown = false;
 5 
 6     Fiber fib([&number, &shutdown]
 7     {
 8         while (!shutdown)
 9         {
10             number++;
11             Fiber::yield();             // A:控制权移交到主纤程
12         }
13 }); 14 15 for (int i = 0; i < RUN_TIMES; i++) 16 { 17 fib.resume(); // B: 切换到子纤程执行 18 } 19 20 printf("number = %d\r\n", number);

这里先创建了一个纤程实现number变量累加的功能,然后在for循环中执行(姑且用这个词)最终得到正确的结果。AB两处代码分别实现了纤程的切换,实际上是封装了对SwitchToFiber的调用,注意两个函数调用细节上的不同:resume表示切换到对象包装的纤程,是普通成员函数,yield表示控制权移交给调用者纤程,是静态成员函数,大家可以思考下为什么有静态和非静态成员函数的差别。

下面是用纤程实现生产者-消费者模型的代码:

 1     int product_count = 0;
 2     bool is_end_time = false;
 3 
 4     const int RUN_TIMES = 3;
 5 
 6     // 生产者纤程
 7     Fiber fib_producer([&is_end_time, &product_count]
 8     {
 9         srand((unsigned)time(NULL));
10 
11         while (!is_end_time)
12         {
13             int new_product_count = (int)((double)rand() / RAND_MAX * 10) + 1;
14             product_count += new_product_count;
15 
16             printf("[producer] create new products: %d\r\n", new_product_count);
17 
18             Fiber::yield();
19         }
20 
21         printf("[producer] off duty.\r\n");
22     });
23 
24     // 消费者纤程的执行函数
25     auto consumer_proc = [&is_end_time, &product_count](const int seq_number)
26     {
27         int total_count = 0;
28 
29         while (!is_end_time)
30         {
31             if (product_count > 0)
32             {
33                 product_count--;
34                 total_count++;
35                 printf("[consumer %d] got 1 product, total got %d, remain %d\r\n", seq_number, total_count, product_count);
36             }
37 
38             Fiber::yield();
39         }
40 
41         printf("[consumer %d] off duty.\r\n", seq_number);
42     };
43 
44     const int CONSUMER_COUNT = 3;
45     int consumer_seq_number = 0;
46 
47     // 创建消费者纤程数组
48     std::vector<Fiber> consumer_array(CONSUMER_COUNT);
49     std::for_each(consumer_array.begin(), consumer_array.end(), [&](Fiber& item){ item = Fiber([&]{ consumer_proc(consumer_seq_number); }); consumer_seq_number++; });
50 
51     consumer_seq_number = 0;
52 
53     for (int i = 0; i < RUN_TIMES; i++)
54     {
55         fib_producer.resume();
56 
57         while (product_count > 0)
58         {
59             consumer_array[consumer_seq_number].resume();
60             consumer_seq_number = (consumer_seq_number + 1) % CONSUMER_COUNT;
61         }
62     }
63 
64     is_end_time = true;
65 
66     // 等待纤程结束
67     Fiber::await_all(consumer_array);
68     Fiber::await(fib_producer);

程序末尾出现了await和await_all两个新的方法可以先不用管,不影响主要逻辑。由于所有纤程都是在同一个线程中运行的所以无需加锁,这也是使用纤程的一个重要好处,也是我们这个封装库的主要目的之一。

 

限于篇幅,这次就只写这么多了,更多的内容将放到后面的帖子中,总计还要写四、五篇的样子。但代码实际上已经写完了,急性子的园友可以直接到这个地址看代码:

https://code.csdn.net/xrunning/fiber

 

建了一个QQ群:微观架构设计165241092,主要讨论C++代码级设计,感兴趣的园友加进来一起讨论学习。 

posted on 2014-12-21 21:32 小时了了 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏