c++如何实现一个简单的Fiber(纤程)库_c++用户态线程调度【并发】-C++-PHP中文网

c++如何实现一个简单的Fiber(纤程)库_c++用户态线程调度【并发】

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发布： 2025-12-14 17:59:02

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C++手写Fiber库需实现栈隔离、上下文切换和协作式调度器：用mmap/VirtualAlloc分配私有栈，inline asm或setjmp/longjmp保存寄存器，deque管理就绪队列，yield/resume控制协程让出与恢复，注意异常安全与对象生命周期。

c++如何实现一个简单的fiber(纤程)库_c++用户态线程调度【并发】

用 C++ 实现一个简单的 Fiber（纤程）库，核心是用户态协程切换，不依赖操作系统线程调度，而是通过保存/恢复寄存器上下文实现轻量级并发。关键在于 栈隔离 + 上下文切换 + 调度器 三部分，下面分步说明如何手写一个最小可用版本。

1. 栈管理：每个 Fiber 独立栈空间

Fiber 必须有自己私有的栈，否则函数调用会覆盖主线程栈。通常用 mmap（Linux/macOS）或 VirtualAlloc（Windows）申请页对齐的内存，并手动设置栈顶指针。

推荐栈大小：64KB～1MB（太小易溢出，太大浪费）
栈增长方向：x86/x64 是向下增长，所以栈顶 = 分配地址 + 大小
注意：栈内存需设为可执行（若含 inline asm 切换）或至少可读写

2. 上下文切换：用 setjmp/longjmp 或 inline asm

最便携的方式是 setjmp/longjmp，但仅支持同一线程内跳转，且不能跨函数栈帧保存完整上下文（如浮点寄存器、SIMD 寄存器可能丢失）。生产环境建议用 inline asm（如 x86-64 的 mov %rsp, xxx + mov xxx, %rsp），手动保存/恢复 rbp, rbx, r12–r15 等被调用者保存寄存器。

make_fcontext：初始化目标栈，填入入口函数地址和参数（可封装为 struct）
jump_fcontext：原子切换 rsp + rip，同时传入返回值（常通过 rax 传递）
避免在切换前后调用可能被优化掉的函数（如编译器可能把局部变量放寄存器中，导致切换后丢失）

3. 调度器：单线程轮转（cooperative scheduling）

Fiber 是协作式调度，没有抢占；每个 Fiber 运行到主动让出（yield）或阻塞（如等待 I/O）时，才交出控制权。调度器本质是一个就绪队列 + 当前运行 Fiber 指针：

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用 std::deque<fiber></fiber> 存就绪 Fiber，支持快速头插尾取
schedule()：取出队首 Fiber，swapcontext 切过去；若空，则切回主 Fiber（即调度器自身）
yield()：把当前 Fiber 插入队尾，再调用 schedule()
主 Fiber 可作为“空闲协程”或用于初始化/清理，也可直接用主线程栈模拟

4. 封装与使用：面向对象接口

对外暴露简洁 API，例如：

Fiber f([]{ do_work(); }); —— 构造即启动（惰性或立即）
f.resume() / Fiber::yield() —— 显式挂起和恢复
static void sleep_ms(int ms) —— 非阻塞睡眠（注册定时器 + yield）
异常安全：确保 Fiber 析构时栈已结束、上下文已释放，避免 double-free

注意：C++ 异常跨越 setjmp 是未定义行为，务必在 Fiber 入口 catch 全局异常，或禁用异常（-fno-exceptions）。

基本上就这些。不复杂但容易忽略细节：栈对齐、寄存器保存范围、C++ 对象生命周期（尤其栈上对象在切换后是否仍有效）、线程局部存储（TLS）变量在 Fiber 切换时不自动切换。进阶可加 await 支持、I/O 多路复用集成（epoll/iocp）、Fiber 局部存储（FLS）等。真正工程化推荐用 Folly::coro、Boost.Context 或 C++20 协程。

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