基于汇编的 C/C++ 协程 - 背景知识

近几年来，协程在 C/C++ 服务器中的解决方案开始涌现。本文主要阐述以汇编实现上下文切换的协程方案，并且说明其在异步开发模式中的应用。

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首先，我们来看一下 C/C++ 服务器开发的历史。

参考资料

• 协程 - 维基百科，自由的百科全书
• 异步IO - 维基百科，自由的百科全书
• 基于 epoll 设计类似 libevent 的异步 I/O 库 - 接口
• 系统调用真正的效率瓶颈在哪里？
• python协程是什么？——这个讨论页其实不单论 Python，其实大部分是从语言无关的角度回答了协程是什么

传统的 C/C++ 服务器设计框架

同步 I/O 框架

长期以来，使用 C/C++ 编写服务器程序的时候，往往使用的是多进程模式：一个父进程负责 accept 传入连接，然后 fork 一个子进程处理；或者是一个父进程创建了一个 socket 之后，fork 出多个子进程同时执行 accept 和处理。

为什么说这是同步呢？因为这个设计思路，完全就是教科书般的、对于 socket 处理的思路。这个思路我在我关于 libev 的介绍文后的评论中也提及：

• 科班出身的软件专业往往会简单学到 socket, bind, connect, accept, read, write 等等一路下来的 API。正好，如果真的是按顺序这样调用下来，然后写了一个 server / client 的话，可以算是一种同步 I/O 的编程思路。

程序执行的每一步系统调用，都会阻塞住（直接的结果就是导致进程切换），等待远端机器的响应，并且直到数据到达之后，才会执行下一步。这就是典型的同步（阻塞） I/O。

上面的每步流程如果简单写下来的话，支撑不起高并发，因为阻塞的存在。为了解决这个问题，加入 fork，就可以实现对多个客户端的服务了。

同步开发模式

同步 I/O 框架，使用的是同步开发模式。人的思维，是同步化的，先做什么后做什么，都是一条线式的流程。这样一条线从头到尾的开发模式，就是同步开发模式，非常符合人的思路习惯，便于设计、理解。

同步 I/O 的优势

1. 简单、一目了然——同步 I/O 框架中，使用同步开发模式，因此设计出来的程序代码简洁、明确。
2. bug 少——其实这上面已经讲了，程序简洁、明确、易于理解，也就容易 debug 了。
3. 柔性高——一个服务以一个进程的模式存在，如果程序有 bug，崩溃了，也不会影响到其他的服务。此外，如果子进程是处理完连接就直接 exit 退出的话，那么几乎不用考虑内存泄露的问题——进程创建的所有资源都会被操作系统回收。

同步 I/O 的劣势

1. 效率低——fork 设计进程间切换，这是一个需要陷入内核的操作，耗时长，对于高并发场景，对服务器资源的利用效率很低。
2. 进程间同步复杂——进程什么时候占用 CPU、什么时候被切换掉，这是无法预料的，因此进程间需要做好同步。多进程同步的 debug 是非常非常复杂的。
3. 进程间通信复杂——这个没什么好说的，进程间通信，够写一本书了。这一点，在各任务之间还需要通信的场景中，反而加大了开发复杂度。

吐槽一下，本人进入工作后就见到的第一个服务器就是基于 libevent 设计的，并且整个团队都一直这么设计，以至于我曾经以为同步 I/O 根本没人用……

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异步 I/O 框架

首先讲从技术层面的 “异步 I/O 框架” 是怎么回事。维基百科上对 “异步 IO” 的定义是：

• 发起IO请求的线程不等IO操作完成，就继续执行随后的代码，IO结果用其他方式通知发起IO请求的程序。

也就是说，某个进程 or 线程，需要告诉操作系统：我需要在某个文件描述符或句柄上 read 或 write，但是进程 or 线程并不等待 read 或 write ready，而是等到真正有数据可读或可写入数据的时候，再执行相应的操作。

其实 read / write 一早就在理论上对这样的操作提供了支持，那就是 O_NONBLOCK 标志。当对 socket 设置了该标志后，如果执行 read / write，资源暂时不可用的话，会返回响应的错误。此时，程序就可以跳过这个句柄，去查看下一个资源了。

但这个方案显然是不现实的，因为当客户端数量很大的时候，对所有的资源都需要进行轮询操作，这是对 CPU 时间的极大浪费，也极大地拉低了服务的响应速度。因此，操作系统需要提供定义的后半段：“通知”。

实现 “通知” 的办法，其实就是一个系统调用：select。其实 select 的效率很低，一般操作系统会提供替代。对于 Linux 而言，就是 epoll。关于异步 I/O 原理和编程，我的文章有很多了，可以点击这里查看。

从技术层面上，异步 I/O 框架有以下的优势：

• 效率高——判断那个资源上的事件 ready，至少是 O(NlogN) 的复杂度，效率极高
• 单线程多任务——单一一个线程就可以处理多个传入请求，达到伪并行的效果，没有进程/线程切换，大大提高了处理速度，优化了 CPU 使用率
• 同一线程中没有同步问题——同一线程的多任务如果需要相互通信，那么完全没有竞争和同步的问题

然而，单线程多任务其实也是很大的一个劣势——多个任务都在一个线程 / 进程中处理，如果程序有 bug，那么整个进程都会崩溃，这对服务器的开发质量要求很高。

异步开发模式

异步 I/O 框架，大部分使用的就是异步开发模式。我们先不用这个词汇吧，换成大家比较熟悉的词。下面两个词，其实都可以解释什么叫异步开发模式：

1. 基于事件驱动的开发模式
2. 状态机编程

异步开发模式它是基于事件驱动的，当什么事件到来，就调用哪个回调进行处理——或者是回调判断发生了什么事件，再调用不同的函数处理。这与我们传统的思维不同，因此很大程度上，我们需要画状态机，才能很好地解释我们的软件逻辑。

异步开发模式的缺点

其实，异步开发的世界中，满是各种回调以及回调的注册。如果我们不是相应的业务代码的开发者，那么走读代码时，看到一段函数执行完后，我们根本不知道这段函数的调用方是谁，从而也就无法跟踪判断下一段代码是什么。

这就给调试带来了极大的困难。其实即便是程序的开发者，如果文档不足的话，当时间长了之后，恐怕也会忘记自己当时的业务逻辑了吧……因此，异步开发模式对开发者的水平和团队编程风格的要求很高。

异步开发模式的优点

但是异步开发模式也有很大的优点，那就是状态机编程。这其实很好理解，对于那种逻辑并不是一整条简单的直线，而是有着非常多的分叉——有很多外部触发条件、并且会导致很多不同状态切换的程序而言，异步开发模式简直是福音。

示例

比如电梯，一个正运行中的电梯，其执行逻辑很容易被某一楼层用户按下按钮这一动作中断。电梯需要对用户的操作进行及时的响应，以决定自己接下来应该采取什么操作。

一个电梯，至少有以下几个阶段，中断可能发生在电梯运行中的任何一个阶段：

• 电梯静止，门已经关闭
• 电梯静止，门已经打开
• 电梯静止，门正在打开
• 电梯静止，门正在关闭
• 电梯匀速运行
• 电梯加速运行
• 电梯减速运行
• 电梯故障异常
• 电梯检修

此外，中断的类型还可能是多种多样：

• 管理员直接下达指令操作
• 同楼层用户按下
• 不同楼层用户按下

如果使用同步开发模式，这样的逻辑简直是灾难！

协程

前文我刻意将同步开发模式和同步 I/O、异步开发模式和异步 I/O 分开来说明。确实，开发模式和技术手段是两码事。在逻辑比较线性的（相比起上面 “电梯” 的例子）服务（特别是海量服务）而言，我们最理想的开发方案就是：

1. 使用同步开发模式——最适合人脑的思维方式，同时也便于进行程序的调试和 debug
2. 使用异步 I/O 技术——效率最高的底层实现

曾经我以为这两者的结合在 C/C++ 上是无法实现的，直到我换了东家之后才知道，原来可以这么玩——

协程简介

协程，作为一种服务器组件，在多种高级语言中存在。相比起线程和进程而言，它的切换非常速度快（不用陷入内核态，没有系统调用），很适合在海量服务中使用。

但是在以 C/C++ 为主的中级语言服务器开发中，一直没有大规模引入。原因是，C/C++ 实在是太接近底层了，汇编后的目标文件，直接就是汇编语言代码；而汇编语言的下面，则直接就是虚拟内存了，能够对其施加影响的，只有操作着更加底层（硬件寄存器）的操作系统。

但是其他高级语言不同，比如 Java。Java 在原理上是解释型语言，但是从开发者的角度，其实和编译型语言无异，只是它把代码编译成了由 JVM 可以识别的程序罢了。这样，在真正执行的程序（二进制代码）和程序代码之间，JVM 可以提供一个中间层——以往由操作系统执行的任务调度和上下文切换，JVM 可以接管过来，在用户态中完成。这就是协程的实现。

协程原理

协程的实现，涉及两个内容：

1. 协程调度
2. 上下文切换

C/C++ 协程的调度

协程调度的原理，往大了说，其实和线程 / 进程的调度原理无异。这里分抢占和非抢占两种了。对于 C/C++ 而言。

要实现抢占式很难，而且也没太大必要，因为花了很大力气实现抢占式的协程调度，反而失去了前文提到的 “同一线程中没有同步问题” 这一优势了。

所以，针对 C/C++ 协程，最好的方式就是使用非抢占式调度，需要任务通过某些调用主动让出 CPU 使用权。再进一步具体化到服务器编程中，由于每一个合法的传入连接的优先级是相同的，因此只需要使用基于 epoll 的实现来进行简单调度就行了。

基于汇编实现的 C/C++ 协程的上下文切换

上下文切换，是 C/C++ 协程的一大难题，这也是导致了 C/C++ 长期没有可用的、统一的协程库的原因。这一部分行文比较长，我还是放在下一篇文章里面讲吧。