普通的函數(shù)

我們先來看一個普通的函數(shù)，這個函數(shù)非常簡單：

def func():
   print("a")
   print("b")
   print("c")

這是一個簡單的普通函數(shù)，當(dāng)我們調(diào)用這個函數(shù)時會發(fā)生什么？

調(diào)用func

func開始執(zhí)行，直到return

func執(zhí)行完成，返回函數(shù)A

是不是很簡單，函數(shù)func執(zhí)行直到返回，并打印出：

a
b
c

So easy，有沒有，有沒有！

很好！ 注意這段代碼是用python寫的，但本篇關(guān)于協(xié)程的討論適用于任何一門語言，因為協(xié)程并不是一種語言的特性。而我們只不過恰好使用了python來用作示例，因其足夠簡單。 那么協(xié)程是什么呢？

從普通函數(shù)到協(xié)程

接下來，我們就要從普通函數(shù)過渡到協(xié)程了。 和普通函數(shù)只有一個返回點不同，協(xié)程可以有多個返回點。 這是什么意思呢？

void func() {
  print("a")
  暫停并返回
  print("b")
  暫停并返回
  print("c")
}

普通函數(shù)下，只有當(dāng)執(zhí)行完print("c")這句話后函數(shù)才會返回，但是在協(xié)程下當(dāng)執(zhí)行完print("a")后func就會因“暫停并返回”這段代碼返回到調(diào)用函數(shù)。 有的同學(xué)可能會一臉懵逼，這有什么神奇的嗎？我寫一個return也能返回，就像這樣：

void func() {
  print("a")
  return
  print("b")
  暫停并返回
  print("c")
}

直接寫一個return語句確實也能返回，但這樣寫的話return后面的代碼都不會被執(zhí)行到了。 協(xié)程之所以神奇就神奇在當(dāng)我們從協(xié)程返回后還能繼續(xù)調(diào)用該協(xié)程，并且是從該協(xié)程的上一個返回點后繼續(xù)執(zhí)行。

這足夠神奇吧，就好比孫悟空說一聲“定”，函數(shù)就被暫停了：

void func() {
  print("a")
  定
  print("b")
  定
  print("c")
}

這時我們就可以返回到調(diào)用函數(shù)，當(dāng)調(diào)用函數(shù)什么時候想起該協(xié)程后可以再次調(diào)用該協(xié)程，該協(xié)程會從上一個返回點繼續(xù)執(zhí)行。 Amazing，有沒有，集中注意力，千萬不要翻車。

只不過孫大圣使用的口訣“定”字，在編程語言中一般叫做yield(其它語言中可能會有不同的實現(xiàn)，但本質(zhì)都是一樣的)。

需要注意的是，當(dāng)普通函數(shù)返回后，進程的地址空間中不會再保存該函數(shù)運行時的任何信息，而協(xié)程返回后，函數(shù)的運行時信息是需要保存下來的，那么函數(shù)的運行時狀態(tài)到底在內(nèi)存中是什么樣子呢，關(guān)于這個問題你可以參考這里。 接下來，我們就用實際的代碼看一看協(xié)程。

ShowMe The Code

下面我們使用一個真實的例子來講解，語言采用python，不熟悉的同學(xué)不用擔(dān)心，這里不會有理解上的門檻。 在python語言中，這個“定”字同樣使用關(guān)鍵詞yield，這樣我們的func函數(shù)就變成了：

void func() {
  print("a")
  yield
  print("b")
  yield
  print("c")
}

注意，這時我們的func就不再是簡簡單單的函數(shù)了，而是升級成為了協(xié)程，那么我們該怎么使用呢，很簡單：

defA():
co=func()#得到該協(xié)程
next(co)#調(diào)用協(xié)程
print("infunctionA")#dosomething
next(co)#再次調(diào)用該協(xié)程

我們看到雖然func函數(shù)沒有return語句，也就是說雖然沒有返回任何值，但是我們依然可以寫co = func()這樣的代碼，意思是說co就是我們拿到的協(xié)程了。 接下來我們調(diào)用該協(xié)程，使用next(co)，運行函數(shù)A看看執(zhí)行到第3行的結(jié)果是什么：

a

顯然，和我們的預(yù)期一樣，協(xié)程func在print("a")后因執(zhí)行yield而暫停并返回函數(shù)A。 接下來是第4行，這個毫無疑問，A函數(shù)在做一些自己的事情，因此會打印：

a
infunction A

接下來是重點的一行，當(dāng)執(zhí)行第5行再次調(diào)用協(xié)程時該打印什么呢？ 如果func是普通函數(shù)，那么會執(zhí)行func的第一行代碼，也就是打印a。

但func不是普通函數(shù)，而是協(xié)程，我們之前說過，協(xié)程會在上一個返回點繼續(xù)運行，因此這里應(yīng)該執(zhí)行的是func函數(shù)第一個yield之后的代碼，也就是print("b")。

a
infunctionA
b

看到了吧，協(xié)程是一個很神奇的函數(shù)，它會自己記住之前的執(zhí)行狀態(tài)，當(dāng)再次調(diào)用時會從上一次的返回點繼續(xù)執(zhí)行。

圖形化解釋

為了讓你更加徹底的理解協(xié)程，我們使用圖形化的方式再看一遍，首先是普通的函數(shù)調(diào)用：



在該圖中，方框內(nèi)表示該函數(shù)的指令序列，如果該函數(shù)不調(diào)用任何其它函數(shù)，那么應(yīng)該從上到下依次執(zhí)行，但函數(shù)中可以調(diào)用其它函數(shù)，因此其執(zhí)行并不是簡單的從上到下，箭頭線表示執(zhí)行流的方向。

從圖中我們可以看到，我們首先來到funcA函數(shù)，執(zhí)行一段時間后發(fā)現(xiàn)調(diào)用了另一個函數(shù)funcB，這時控制轉(zhuǎn)移到該函數(shù)，執(zhí)行完成后回到main函數(shù)的調(diào)用點繼續(xù)執(zhí)行。

這是普通的函數(shù)調(diào)用。 接下來是協(xié)程。



在這里，我們依然首先在funcA函數(shù)中執(zhí)行，運行一段時間后調(diào)用協(xié)程，協(xié)程開始執(zhí)行，直到第一個掛起點，此后就像普通函數(shù)一樣返回funcA函數(shù)，funcA函數(shù)執(zhí)行一些代碼后再次調(diào)用該協(xié)程，注意，協(xié)程這時就和普通函數(shù)不一樣了，協(xié)程并不是從第一條指令開始執(zhí)行而是從上一次的掛起點開始執(zhí)行，執(zhí)行一段時間后遇到第二個掛起點，這時協(xié)程再次像普通函數(shù)一樣返回funcA函數(shù)，funcA函數(shù)執(zhí)行一段時間后整個程序結(jié)束。

函數(shù)只是協(xié)程的一種特例

怎么樣，神奇不神奇，和普通函數(shù)不同的是，協(xié)程能知道自己上一次執(zhí)行到了哪里。 現(xiàn)在你應(yīng)該明白了吧，協(xié)程會在函數(shù)被暫停運行時保存函數(shù)的運行狀態(tài)，并可以從保存的狀態(tài)中恢復(fù)并繼續(xù)運行。

很熟悉的味道有沒有，這不就是操作系統(tǒng)對線程的調(diào)度嘛，線程也可以被暫停，操作系統(tǒng)保存線程運行狀態(tài)然后去調(diào)度其它線程，此后該線程再次被分配CPU時還可以繼續(xù)運行，就像沒有被暫停過一樣。

只不過線程的調(diào)度是操作系統(tǒng)實現(xiàn)的，這些對程序員都不可見，而協(xié)程是在用戶態(tài)實現(xiàn)的，對程序員可見。 這就是為什么有的人說可以把協(xié)程理解為用戶態(tài)線程的原因。 此處應(yīng)該有掌聲。

也就是說現(xiàn)在程序員可以扮演操作系統(tǒng)的角色了，你可以自己控制協(xié)程在什么時候運行，什么時候暫停，也就是說協(xié)程的調(diào)度權(quán)在你自己手上。

在協(xié)程這件事兒上，調(diào)度你說了算。

當(dāng)你在協(xié)程中寫下yield的時候就是想要暫停該協(xié)程，當(dāng)使用next()時就是要再次運行該協(xié)程。 現(xiàn)在你應(yīng)該理解為什么說函數(shù)只是協(xié)程的一種特例了吧，函數(shù)其實只是沒有掛起點的協(xié)程而已。

協(xié)程的歷史

有的同學(xué)可能認(rèn)為協(xié)程是一種比較新的技術(shù)，然而其實協(xié)程這種概念早在1958年就已經(jīng)提出來了，要知道這時線程的概念都還沒有提出來。 到了1972年，終于有編程語言實現(xiàn)了這個概念，這兩門編程語言就是Simula 67 以及Scheme。

但協(xié)程這個概念始終沒有流行起來，甚至在1993年還有人考古一樣專門寫論文挖出協(xié)程這種古老的技術(shù)。

因為這一時期還沒有線程，如果你想在操作系統(tǒng)寫出并發(fā)程序那么你將不得不使用類似協(xié)程這樣的技術(shù)，后來線程開始出現(xiàn)，操作系統(tǒng)終于開始原生支持程序的并發(fā)執(zhí)行，就這樣，協(xié)程逐漸淡出了程序員的視線。

直到近些年，隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，尤其是移動互聯(lián)網(wǎng)時代的到來，服務(wù)端對高并發(fā)的要求越來越高，協(xié)程再一次重回技術(shù)主流，各大編程語言都已經(jīng)支持或計劃開始支持協(xié)程。

那么協(xié)程到底是如何實現(xiàn)的呢？

協(xié)程是如何實現(xiàn)的

讓我們從問題的本質(zhì)出發(fā)來思考這個問題。 協(xié)程的本質(zhì)是什么呢？ 其實就是可以被暫停以及可以被恢復(fù)運行的函數(shù)。

那么可以被暫停以及可以被恢復(fù)意味著什么呢？ 看過籃球比賽的同學(xué)想必都知道(沒看過的也能知道)，籃球比賽也是可以被隨時暫停的，暫停時大家需要記住球在哪一方，各自的站位是什么，等到比賽繼續(xù)的時候大家回到各自的位置，裁判哨子一響比賽繼續(xù)，就像比賽沒有被暫停過一樣。

看到問題的關(guān)鍵了嗎，比賽之所以可以被暫停也可以繼續(xù)是因為比賽狀態(tài)被記錄下來了（站位、球在哪一方），這里的狀態(tài)就是計算機科學(xué)中常說的上下文，context。

回到協(xié)程。

協(xié)程之所以可以被暫停也可以繼續(xù)，那么一定要記錄下被暫停時的狀態(tài)，也就是上下文，當(dāng)繼續(xù)運行的時候要恢復(fù)其上下文(狀態(tài))，那么接下來很自然的一個問題就是，函數(shù)運行時的狀態(tài)是什么？ 這個關(guān)鍵的問題的答案就在《函數(shù)運行起來后在內(nèi)存中是什么樣子的》這篇文章中，函數(shù)運行時所有的狀態(tài)信息都位于函數(shù)運行時棧中。

函數(shù)運行時棧就是我們需要保存的狀態(tài)，也就是所謂的上下文，如圖所示：



從圖中我們可以看出，該進程中只有一個線程，棧區(qū)中有四個棧幀，main函數(shù)調(diào)用A函數(shù)，A函數(shù)調(diào)用B函數(shù)，B函數(shù)調(diào)用C函數(shù)，當(dāng)C函數(shù)在運行時整個進程的狀態(tài)就如圖所示。

現(xiàn)在我們已經(jīng)知道了函數(shù)的運行時狀態(tài)就保存在棧區(qū)的棧幀中，接下來重點來了哦。 既然函數(shù)的運行時狀態(tài)保存在棧區(qū)的棧幀中，那么如果我們想暫停協(xié)程的運行就必須保存整個棧幀的數(shù)據(jù)，那么我們該將整個棧幀中的數(shù)據(jù)保存在哪里呢？ 想一想這個問題，整個進程的內(nèi)存區(qū)中哪一塊是專門用來長時間(進程生命周期)存儲數(shù)據(jù)的？是不是大腦又一片空白了？

先別空白！ 很顯然，這就是堆區(qū)啊，heap，我們可以將棧幀保存在堆區(qū)中，那么我們該怎么在堆區(qū)中保存數(shù)據(jù)呢？希望你還沒有暈，在堆區(qū)中開辟空間就是我們常用的C語言中的malloc或者C++中的new。 我們需要做的就是在堆區(qū)中申請一段空間，讓后把協(xié)程的整個棧區(qū)保存下，當(dāng)需要恢復(fù)協(xié)程的運行時再從堆區(qū)中copy出來恢復(fù)函數(shù)運行時狀態(tài)。

再仔細(xì)想一想，為什么我們要這么麻煩的來回copy數(shù)據(jù)呢？ 實際上，我們需要做的是直接把協(xié)程的運行需要的棧幀空間直接開辟在堆區(qū)中，這樣都不用來回copy數(shù)據(jù)了，如圖所示。



從圖中我們可以看到，該程序中開啟了兩個協(xié)程，這兩個協(xié)程的棧區(qū)都是在堆上分配的，這樣我們就可以隨時中斷或者恢復(fù)協(xié)程的執(zhí)行了。 有的同學(xué)可能會問，那么進程地址空間最上層的棧區(qū)現(xiàn)在的作用是什么呢？ 這一區(qū)域依然是用來保存函數(shù)棧幀的，只不過這些函數(shù)并不是運行在協(xié)程而是普通線程中的。

現(xiàn)在你應(yīng)該看到了吧，在上圖中實際上有3個執(zhí)行流：

一個普通線程

兩個協(xié)程

雖然有3個執(zhí)行流但我們創(chuàng)建了幾個線程呢？ 一個線程。

現(xiàn)在你應(yīng)該明白為什么要使用協(xié)程了吧，使用協(xié)程理論上我們可以開啟無數(shù)并發(fā)執(zhí)行流，只要堆區(qū)空間足夠，同時還沒有創(chuàng)建線程的開銷，所有協(xié)程的調(diào)度、切換都發(fā)生在用戶態(tài)，這就是為什么協(xié)程也被稱作用戶態(tài)線程的原因所在。 掌聲在哪里？

因此即使你創(chuàng)建了N多協(xié)程，但在操作系統(tǒng)看來依然只有一個線程，也就是說協(xié)程對操作系統(tǒng)來說是不可見的。 這也許是為什么協(xié)程這個概念比線程提出的要早的原因，可能是寫普通應(yīng)用的程序員比寫操作系統(tǒng)的程序員最先遇到需要多個并行流的需求，那時可能都還沒有操作系統(tǒng)的概念，或者操作系統(tǒng)沒有并行這種需求，所以非操作系統(tǒng)程序員只能自己動手實現(xiàn)執(zhí)行流，也就是協(xié)程。 現(xiàn)在你應(yīng)該對協(xié)程有一個清晰的認(rèn)知了吧。

審核編輯：劉清