协程的原理与实现:qemu 之 Coroutine - Go语言中文社区

协程的原理与实现:qemu 之 Coroutine


一,概念

在操作系统(os)级别,有进程(process)和线程(thread)两个我们看不到但又实际存在的“东西”,这两个东西都是用来模拟“并行”的,并且在OS内做为调度的实体单元,各自拥有独立的CPU资源。

Coroutine: 翻译成”协程“, 但它实际上并不是一个可由OS调度的实体,而是可以理解为“由用户层自己调度执行的一段代码片段”。

二,进程,线程,协程

Process: 进程。
进程拥有自己独立的堆和栈,既不共享堆,亦不共享栈,进程由操作系统调度。
Thread : 线程
线程拥有自己独立的栈和共享的堆,共享堆,不共享栈,线程亦由操作系统调度(标准线程是这样的)。
Coroutine: 协程
协程和线程一样共享堆,不共享栈,协程由程序员在协程的代码里显示调度。

协程和线程的区别是:协程避免了无意义的调度,由此可以提高性能,但也因此,程序员必须自己承担调度的责任,同时,协程也失去了标准线程使用多CPU的能力。

三,qemu 中协程的实现

3.1 setjmp, longjmp

man setjmp
man longjmp
#include <setjmp.h>
int setjmp(jmp_buf env);
将当前上下文保存在 env中,并直接返回0, 在调用longjmp返回时,会返回 val值。 (可以理解为保存并定义一个 label)
void longjmp(jmp_buf env, int val);
恢复先前通过setjmp保存的 env 上下文,即恢复setjmp执行,并用 val作为 setjmp的返回值。(可以理解为 goto 到指定的 label )

注:sigsetjmp, siglongjmp与上面类似,只是env中会用savesigs保存信号相关的标记。

代码示例:

#include <stdio.h>
#include <setjmp.h>

jmp_buf m_env,c_env;
void add() {
    int n=0;
	n=setjmp(c_env);  // 定义一个label2
	if(n==0){  // 直接返回0,goto返回 1
	  printf("child:1n");
	  longjmp(m_env,1);   //  goto 到 label1
	}   
	printf("child:2n");
	longjmp(m_env,1); // goto 到新的 label1
	return ;
}

int main(int argc, char **argv) {
   int i=0;
   i=setjmp(m_env);    // 定义一个label1 
   if(i==0){   // 直接返回0 , goto返回为1
      add();
   }	 
   printf("main i=%dn",i);
   if(!setjmp(m_env))    // 重新定义 label1
   		longjmp(c_env,1);  // goto  label2
   return 0;
}

执行流程如图:
执行流

3.2 getcontext, setcontext,makecontext,swapcontext

#include <ucontext.h>
int getcontext(ucontext_t *ucp);
// 获取当前上下文,保存在ucp中。
int setcontext(const ucontext_t *ucp);
// 用ucp来重新设置当前的上下文,调用成功不会返回,因为EIP已指向新的上下文。
void makecontext(ucontext_t *ucp, void (*func)(), int argc, ...);
说明:
  1,修改 ucp所对应的上下文,这个ucp是之前getcontext获取的
  2,在调用makecontext前,调用者必需先分配一个堆栈存入ucp->uc_stack, 并且要定义一个继承者存入ucp->uc_link;
  3, 当这个ucp对应的上下文被激活时,会调用 func入口函数. (激活可以由swapcontext 或 setcontext)
int swapcontext(ucontext_t *oucp, ucontext_t *ucp);
//保存当前上下文到 oucp, 并激活 ucp所对应的上下文

 typedef struct ucontext {
           struct ucontext *uc_link;   // 当前上下文结束时,返回调用者的上下文
           sigset_t         uc_sigmask;
           stack_t          uc_stack;   // 栈
           mcontext_t       uc_mcontext;
           ...
       } ucontext_t;

代码示例:

#include <stdio.h>
#define _XOPEN_SOURCE
#include <ucontext.h>
#undef _XOPEN_SOURCE
int fib_res;
ucontext_t main_ctx, fib_ctx;
char fib_stack[1024 * 32];
void fib() {
    int a0 = 0;
    int a1 = 1;

    while (1) {
        fib_res = a0 + a1;
        a0 = a1;
        a1 = fib_res;
	printf("fib : fib_res=%dn",fib_res);
        swapcontext(&fib_ctx, &main_ctx); 
    }
}
int main(int argc, char **argv) {
    getcontext(&fib_ctx);
    getcontext(&main_ctx);
    fib_ctx.uc_link = &main_ctx;  
    fib_ctx.uc_stack.ss_sp = fib_stack;  
    fib_ctx.uc_stack.ss_size = sizeof(fib_stack);
    fib_ctx.uc_stack.ss_flags = 0;
    makecontext(&fib_ctx, fib, 0);  

    while (1) {
        swapcontext(&main_ctx, &fib_ctx); 
        printf("main:%dn", fib_res);
        if (fib_res > 100) {
            break;
        }
    }
    return 0;
}

代码执行流程示意图:
代码执行流

3.3 qemu中 Coroutine实现

qemu中协程引入: https://github.com/qemu/qemu.git
commit: 00dccaf1f84
说明:
异步代码变得非常复杂。同时,同步代码正在增长,因为它便于编写。
有时甚至会添加重复的代码路径,一个是同步的,另一个是异步的。
这个补丁引入了协同程序,它允许代码看起来是同步的,但在封装下是异步的。
协程具有自己的堆栈,因此能够跨阻塞操作保留状态,阻塞操作传统上需要回调函数和手动准备参数。

创建并开始一个coroutine协程:
      coroutine = qemu_coroutine_create(my_coroutine);
      qemu_coroutine_enter(coroutine, my_data);
	  
	协程开始执行,直到返回,或 yield :
      void coroutine_fn my_coroutine(void *opaque) {
          MyData *my_data = opaque;
          /* do some work */
          qemu_coroutine_yield();
          /* do some more work */
      }

    Yielding 会(把控制权)返回给 qemu_coroutine_enter() 的调用者。
    这通常用于在发出异步I/O请求后切换回主线程的事件循环。
    然后,请求的回调函数将再次调用 qemu_coroutine_enter() 以切换回 coroutine 协程。
    请注意,如果仅从包含全局互斥锁的线程使用协同程序,则它们将永远不会同时执行。
这使得使用协程编程比使用线程更容易。
由于在任何时候只有一个协程可能处于活动状态,因此不会发生竞争条件。其他协同程序只能交叉yield。
    这个协程的实现是基于Anthony Liguori anthony@codemonkey.ws 编写的 gtk-vnc中的实现。
由 Kevin Wolf kwolf@redhat.com 使用 setjmp()/longjmp() 来替代更昂贵的 swapcontext()。

数据结构图:
在这里插入图片描述
执行流程原理图:
在这里插入图片描述

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  • 发表于 2020-06-27 23:02:56
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