c++协程库理解—ucontext组件实践

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.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？

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：

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：

1. 我们首先调用getcontext获得当前上下文
2. 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
3. 调用makecontext创建上下文，并指定用户线程中要执行的函数
4. 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

cxy@ubuntu:~$ ./example-switch
1
11
111
1111
main
cxy@ubuntu:~$

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：

cxy@ubuntu:~$ ./example-switch
1
11
111
1111
cxy@ubuntu:~$

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_SZIE=128Kb.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::vector<uthread_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.h>void 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：

cxy@ubuntu:~/mythread$./example-uthread
22
22
3333
3333
22
22
3333
3333
main over
cxy@ubuntu:~/mythread$

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。