c++如何实现一个简单的协程库_c++ Boost.Context与ucontext【源码】

协程本质是控制流的主动挂起与恢复，需栈、寄存器上下文和调度逻辑；ucontext.h仅用于教学演示，Boost.Context提供跨平台、异常安全的工业级实现，C++20协程则为无栈状态机方案。

用 C++ 实现一个“简单”的协程库，核心不是从零造轮子（比如手写汇编切换栈），而是理解协程的本质：**控制流的主动挂起与恢复**，并借助系统或标准库提供的上下文切换原语。Boost.Context 是成熟方案，而 ucontext.h（POSIX）是更底层、可教学但已废弃的接口。下面直击重点，不绕弯。

一、协程的本质：栈 + 寄存器上下文 + 调度逻辑

协程不是线程，它不抢占、不依赖内核调度。一次协程切换 = 保存当前函数执行现场（栈指针、指令指针、通用寄存器等）→ 跳转到另一段栈上的函数继续执行。关键不在“多任务”，而在“可控让出”（yield）和“可控唤醒”（resume）。

所以真正要实现的最小闭环是：

• 一个能分配独立栈内存的对象（如 char stack[8192]）
• 一套能保存/恢复 CPU 上下文的机制（这就是 ucontext 或 boost::context::continuation 干的事）
• 一个状态机管理协程生命周期（created → ready → running → suspended → done）

二、用 ucontext.h 写一个极简协程（仅作原理演示）

注意：ucontext 已被 POSIX 标准弃用，glibc 2.26+ 默认禁用，仅用于理解底层。生产环境请用 Boost.Context 或 C++20 协程。

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下面是去掉错误检查、仅保留主干的可运行片段：

#include 
#include 
#include 
struct SimpleCoro {
ucontext_t ctx;
char stack[8192];
bool is_done = false;
SimpleCoro(std::function f) {
    getcontext(&ctx);
    ctx.uc_stack.ss_sp = stack;
    ctx.uc_stack.ss_size = sizeof(stack);
    ctx.uc_link = nullptr; // 挂起后返回到哪？这里设为 null，由我们手动 resume 控制
    makecontext(&ctx, [](int) {
        // 这里是协程体入口，需转成 C 风格函数
        auto* self = reinterpret_cast(reinterpret_cast(&self) - sizeof(self));
        self->body();
    }, 1, reinterpret_cast(&this));
}

void body() {
    // 用户逻辑在此运行
    std::cout << "coro running\n";
    // 模拟 yield：切回主协程（需提前保存主 ctx）
    swapcontext(&ctx, &main_ctx); // ⚠️ main_ctx 需在 main 中 setcontext 前 getcontext
    std::cout << "coro resumed\n";
    is_done = true;
}

void resume() {
    if (!is_done) swapcontext(&main_ctx, &ctx);
}
};
ucontext_t main_ctx; // 全局保存主上下文（不推荐，仅示意）
int main() {
getcontext(&main_ctx);
SimpleCoro c([]{}); 
c.resume(); // 启动协程
std::cout 
⚠️ 缺陷明显：无法传递参数、无异常安全、栈大小固定、makecontext 参数传递靠 hack 地址、不可重入。这正是 Boost.Context 存在的理由。

							

								
								

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三、用 Boost.Context 实现可工业使用的轻量协程
Boost.Context 封装了平台差异（x86/x64/ARM，Windows Fibers / Linux setjmp / macOS），提供 RAII、异常传播、栈分配策略。最简可用示例：
#include 
#include 
namespace ctx = boost::context;
struct Task {
ctx::continuation c;
bool done = false;
Task(std::function fn)
    : c_(ctx::callcc([fn = std::move(fn)](ctx::continuation&& c) {
          fn(c); // 用户函数接收 continuation，可用来 yield
          return std::move(c);
      })) {}

void resume() {
    if (!done_) c_ = std::move(c_).resume();
    done_ = c_.fpc_ == nullptr; // 判断是否已结束（内部指针为空）
}

void yield() {
    c_ = std::move(c_).resume(); // 切回父协程（即构造时 callcc 的调用方）
}
};
// 使用示例
int main() {
Task t([](ctx::continuation& c) {
std::cout 
std::cout << "before first resume\n";
t.resume(); // 启动
std::cout << "after first resume\n";
t.resume(); // 继续

}

优势一目了然：


continuation 是移动语义安全的对象，支持栈上/堆上分配

callcc（call-with-current-continuation）天然支持双向跳转
可指定栈大小、栈分配器（如 fixedsize_stack 或 protected_fixedsize_stack）
异常会正常传播（不像 ucontext 可能崩溃）

四、为什么不直接手写汇编？以及 C++20 协程怎么选？
手写汇编（如 x86 的 push/pop 所有寄存器 + 修改 rsp/rip）理论上可行，但：

不同 ABI（System V / Win64）、不同架构（x86-64 / AArch64）寄存器列表和调用约定完全不同
编译器优化（如 RVO、尾调用）可能破坏你预设的栈帧布局
调试困难、无法和现代 C++ 特性（RAII、异常、lambda 捕获）自然融合

C++20 协程是语言级支持，语法简洁（co_await, co_yield, co_return），但它是无栈协程（stackless），依赖编译器生成状态机，不能像 Boost.Context 那样自由跳转任意函数。适合 I/O 等待场景，不适合需要完整调用栈的协作式多任务（如游戏逻辑帧、解释器）。
结论：学原理看 ucontext；做项目用 Boost.Context；新项目且场景匹配，优先评估 C++20 coroutines + libunifex 或 cppcoro。
基本上就这些。协程不神秘，难的是跨平台健壮性和与现代 C++ 生态的无缝集成——Boost.Context 已经替你扛住了。