C++的协程底层如何工作_C++20协程的Promise/Future模型与挂起点原理

C++20协程基于编译器生成的状态机和三个核心组件：协程函数、promise类型与awaiter协议。当函数包含co_await、co_yield或co_return时，编译器将其转换为状态机，分配协程帧以保存局部状态，并管理挂起与恢复流程；promise类型通过get_return_object、initial_suspend等方法控制协程生命周期和行为；co_await触发awaiter协议，调用await_ready、await_suspend和await_resume实现可定制的异步等待逻辑；通过自定义Task等返回类型可构建类似Promise/Future的模型，支持链式异步操作，但需程序员负责内存管理和句柄安全。

C++20 引入的协程是语言层面的原语，它并不依赖运行时调度器，而是通过编译器和程序员协作实现异步逻辑的暂停与恢复。它的底层机制围绕三个核心组件：协程函数、promise 类型和 awaiter 协议。理解这些部分如何交互，是掌握 C++ 协程工作原理的关键。

协程的基本结构与编译器转换

一个函数成为协程，只要它使用了 co_await、co_yield 或 co_return 关键字之一。当编译器遇到这样的函数时，会将其重写为状态机形式。

编译器会：

• 分配一个“协程帧”（coroutine frame），用于保存局部变量、参数和状态信息
• 将函数体拆分为多个执行段，以挂起点为分界
• 生成代码管理挂起、恢复和销毁流程

这个帧通常在堆上分配，除非优化允许栈上存储。协程第一次调用时，会创建该帧并开始执行；每次挂起后，控制权返回调用者；恢复时从上次中断处继续。

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Promise 类型的作用：控制协程行为

每个协程必须关联一个 promise 类型，它决定了协程如何表现。这个类型来自协程返回类型的 promise_type 嵌套类型。

例如，如果你写：

Task<int> my_coroutine();

那么编译器会查找 Task<int>::promise_type</int>，并实例化一个该类型的对象放入协程帧中。

Promise 类型需实现若干方法：

• get_return_object()：在协程启动前调用，用来构建返回给外部的句柄（如 Task）
• initial_suspend()：决定协程是否在开始时就挂起（常用于延迟启动）
• final_suspend()：协程结束时调用，决定是否最终挂起（可用于通知完成）
• return_value(T) 或 return_void()：处理 co_return 的值
• unhandled_exception()：异常传播机制

通过自定义 promise，你可以控制协程的初始化、结果传递方式以及生命周期管理。

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挂起点原理：co_await 与 awaiter 协议

挂起的核心是 co_await 表达式。它不是直接操作，而是触发一套可定制的协议。

当你写 co_await expr，编译器会检查 expr 是否满足 awaiter 协议。这个过程大致如下：

• 尝试调用 expr.operator co_await()，如果存在，则使用其返回值作为实际 awaiter
• 否则直接使用 expr 本身作为 awaiter

然后对得到的 awaiter 调用三个关键方法：

• await_ready()：返回 bool，判断是否需要挂起。若为 true，则不挂起，直接继续
• await_suspend(handle)：传入当前协程的句柄，决定是否真正挂起，并可安排恢复时机（比如注册回调）
• await_resume()：协程被恢复后调用，用于获取结果或抛出异常

典型例子是等待一个 future 完成。此时 awaiter 可能在 await_suspend 中把“恢复当前协程”的动作注册到 future 的完成回调里，然后返回 true 表示挂起。future 完成时触发回调，手动调用 handle.resume() 恢复执行。

Promise/Future 模型在 C++20 协程中的体现

虽然 C++20 协程本身不强制使用传统的 Promise/Future 模型（像 Java 或 C# 那样），但这种模式很容易通过自定义返回类型来实现。

常见的设计是：

• Task<t></t> 作为 future，代表一个将来可用的结果
• 其内部持有协程句柄，并提供访问结果的方法（可能阻塞或轮询）
• Task<t>::promise_type</t> 管理结果设置（即 promise 角色）

用户在协程中 co_return value，会调用 promise 的 return_value(value)，将值存入共享状态。外部通过 task 获取结果，甚至可以 co_await 另一个 task，形成链式异步调用。

这种模型的优势在于组合性强，配合 awaiter 协议能自然地串接异步操作，而无需显式回调嵌套。

基本上就这些。C++20 协程的灵活性来源于它的非侵入性和可定制性，但也意味着更多责任落在程序员身上。正确管理内存、避免悬挂句柄、合理设计 promise 和 awaiter，是写出健壮协程代码的基础。

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