C語言使用setjmp和longjmp實現一個簡單的協程

更新時間：2022年12月07日 15:17:08 作者：amjieker

這篇文章主要為大家介紹了C語言使用setjmp和longjmp實現一個簡單的協程過程詳解，有需要的朋友可以借鑒參考下，希望能夠有所幫助，祝大家多多進步，早日升職加薪

正文

協程是什么呢，有人說是輕量級線程，有人說的用戶級線程，其和線程的區(qū)別可能就是更輕量、操作系統(tǒng)無感的。其實從根本來說的話，協程本質上就是在一個進程上的程序而已，外部感知不到它的存在。

協程其實我感覺對理解函數壓棧入棧、進程的上下文切換也是非常有幫助的。

以下內容均在 Linux的 x86_64 環(huán)境下實現。這里不討論其他的實現。

(C/C++)函數的工作原理

對于匯編上的函數來說，就是一個過程。

匯編執(zhí)行的邏輯就是一條指令一條指令的去執(zhí)行，去處理。

這里分為兩個地方，第一個是代碼區(qū)，我們的pc指針指向當前指向的指令。

在x86_64下，寄存器$rip存放著 pc 指針。

第二個是棧區(qū)(別杠，這里不討論堆區(qū)、靜態(tài)區(qū)、常量區(qū)等等等)，棧是一種先進后出的結構。一般用來存放數據。

在x86_64下，棧頂指針放在$rsp的位置。

$rbp用來存放棧幀的起始。

看一個最簡單的匯編代碼：

int fun() {
    return 0;
}

fun:
        pushq   %rbp
        movq    %rsp, %rbp
        movl    $0, %eax
        popq    %rbp
        ret

pushq 指令是將 $rbp的值壓入棧中，然后$rsp指針移動。

movq 指令就是將 A 移動到 B 位置去。

popq 指令就是把東西從棧中彈出到A，棧指針移動。

函數入棧示意圖

具體函數傳參和棧幀請看這一篇文章 http://www.dhdzp.com/article/269423.htm

(C/C++)內嵌匯編

C/C++支持我們內嵌匯編在代碼中。形如：

asm volatile("", :::)

（volatile是為了防止被優(yōu)化掉)

格式為：

asm volatile("InSTructiON List" : Output : Input : Clobber/Modify);

你可以利用匯編來完成賦值操作

int a=114514, b;
asm volatile("movl %1, %%eax; 
      movl %%eax, %0;"
      :"=r"(b)        /* output */
      :"r"(a)         /* input */
      :"%eax"         /* clobbered register */
     );

(linux下)setjmp和longjmp

如何用可以看這一篇文章 http://www.dhdzp.com/article/41250.htm

setjmp和longjmp在本文中主要起到什么作用呢？

切換上下文

啊，好高大上啊，聽不懂。

說人話，就是保存一下當前的寄存器（因為是協程，只有寄存器夠了）

setjmp原理就是保存好當前時刻的寄存器。

然后在longjmp調用的時候，將恢復 jmp_buf所存放的寄存器的值，以達到跨函數跳轉的目的。

這兩個東西就非常適合用來做我們這個的上下文切換。

當然，你也可以用 ucontext來做這一件事情，只不過，我們這個是個簡單的例子罷了。

協程的實現

首先，拋開調度器不談，我們只用關心什么？

獨立的運行空間、上下文...?

對于每一個協程來說，我們自然是不希望開辟在棧上的，(當前棧幀被摧毀\從新利用怎么辦？)

我們可以動態(tài)的分配在堆上，將這一塊內存當為這個協程的棧。

當然，協程是一個函數，并且可以調用另外的函數，(調用另外的函數的時候分配的內存就是這個協程所在的這一塊內存)

現在我們要做三件事情。

將 %rsp切換到新分配的堆，而不是用原來有的棧。
函數的傳參保存在哪兒。
還是就是，協程執(zhí)行完了，主程序肯定不能直接退出，當前協程是應該返回主程序的地址？顯然不可行，需要hook返回地址，讓我們的協程回不去來的位置。

有點像什么呢？

正常的調用是這樣：

我們將push一個新的函數地址進去。

下面是匯編實現:

asm volatile(
        "movq %0, %%rsp;" // 更改 %rsp 為 當前分配的堆地址 now
        "movq %2, %%rdi;" // 傳參
        "pushq %3;"       // 拆分call指令，將 自定義的新函數壓入返回地址 
        "jmp  *%1;"       // 跳轉到協程執(zhí)行
        :
        : "b"(now), "d"(func), "a"(arg), "c"(exit_)
        : "memory");

結構體定義

#define alignment16(a) ((a) & (~(16 - 1)))  // 向前對齊
#define STACK_SIZE 4096
enum co_status {
  CO_NEW = 1,
  CO_DEAD,
};
struct co {
  void (*func)(void *);
  void *arg;
  enum co_status status;
  jmp_buf context;
  uint8_t stack[STACK_SIZE];
};

上下文管理

std::vector<co *> context;
std::unordered_map<co *, int> has_context;
co main_co;
co *now_co;

輔助函數

void refresh_context(co *buf) {
  if (!has_context.count(buf)) {
    context.push_back(buf);
    has_context[buf] = context.size() - 1;
  }
}

void exit_() {
  now_co->status = CO_DEAD;
  while (1) {
    yield();
  }
}

新建協程

注意到rsp的對齊，不對齊rsp會段錯誤

注意堆和棧的增長是反的

co *coroutine(void (*func)(void *), void *arg) {
  co *cur = new co;
  cur->arg = arg;
  cur->func = func;
  cur->status = CO_NEW;
  void *now = (void *)(alignment16(((uintptr_t)cur->stack + STACK_SIZE)));
  int res = setjmp(main_co.context); // 保存當前上下文
  refresh_context(&(main_co));       // 刷新上下文
  if (res == 0) {
    now_co = cur;                    // 協程創(chuàng)建成功，立馬開始執(zhí)行，直到第一次 yield
    asm volatile(
        "movq %0, %%rsp;"
        "movq %2, %%rdi;"
        "pushq %3;"
        "jmp  *%1;"
        :
        : "b"(now), "d"(func), "a"(arg), "c"(exit_)
        : "memory");
  }
  return cur;
}

協程讓步

這里用的 0 和 1來區(qū)分是否為切換上下中的讓步和蘇醒操作。

void yield() {
  assert(now_co != NULL);
  int res = setjmp(now_co->context);             // 保存上下文
  refresh_context(now_co);
  if (res == 0) {
    now_co = context[(rand()) % context.size()]; // 挑選幸運觀眾
    longjmp(now_co->context, 1);                 // 跳轉到其他上下文繼續(xù)執(zhí)行
  }
}

協程回收

這里，當協程沒有執(zhí)行完，狀態(tài)不為 CO_DEAD 時，當前調用wait的程序就得一直讓出

直到等到 CO_DEAD時 ，將其回收掉。

void wait(co *co_) {
  while (co_->status != CO_DEAD) yield();
  for (auto v = context.begin(); v != context.end();
       v++)  // 比較慢，可改用紅黑樹引用刪除節(jié)點
    if (*v == co_) {
      context.erase(v);
      break;
    }
  has_context.erase(co_);
  delete co_;
}

總體代碼和測試代碼

#include <assert.h>
#include <setjmp.h>
#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include <queue>
#include <unordered_map>
#define alignment16(a) ((a) & (~(16 - 1)))  // 向前對齊
#define STACK_SIZE 4096
enum co_status {
  CO_NEW = 1,
  CO_DEAD,
};
struct co {
  void (*func)(void *);
  void *arg;
  enum co_status status;
  jmp_buf context;
  uint8_t stack[STACK_SIZE];
};
std::vector<co *> context;
std::unordered_map<co *, int> has_context;
co main_co;
co *now_co;
char __init_time__ = [] {
  srand(time(NULL));
  return 0;
}();
void refresh_context(co *buf) {
  if (!has_context.count(buf)) {
    context.push_back(buf);
    has_context[buf] = context.size() - 1;
  }
}
void exit_();
co *coroutine(void (*func)(void *), void *arg) {
  co *cur = new co;
  cur->arg = arg;
  cur->func = func;
  cur->status = CO_NEW;
  void *now = (void *)(alignment16(((uintptr_t)cur->stack + STACK_SIZE)));
  int res = setjmp(main_co.context);
  refresh_context(&(main_co));
  if (res == 0) {
    now_co = cur;
    asm volatile(
        "movq %0, %%rsp;"
        "movq %2, %%rdi;"
        "pushq %3;"
        "jmp  *%1;"
        :
        : "b"(now), "d"(func), "a"(arg), "c"(exit_)
        : "memory");
  }
  return cur;
}
void yield() {
  assert(now_co != NULL);
  int res = setjmp(now_co->context);
  refresh_context(now_co);
  if (res == 0) {
    now_co = context[(rand()) % context.size()];
    longjmp(now_co->context, 1);
  }
}
void wait(co *co_) {
  while (co_->status != CO_DEAD) yield();
  for (auto v = context.begin(); v != context.end();
       v++)  // 比較慢，可改用紅黑樹引用刪除節(jié)點
    if (*v == co_) {
      context.erase(v);
      break;
    }
  has_context.erase(co_);
  delete co_;
}
void exit_() {
  now_co->status = CO_DEAD;
  while (1) {
    yield();
  }
}
int count = 1;
void entry(void *arg) {
  for (int i = 0; i < 5; i++) {
    printf("task: [%s] seq:[%d] \n", (const char *)arg, count++);
    yield();
  }
}
int main() {
  co *co1 = coroutine(entry, (void *)"a");
  co *co2 = coroutine(entry, (void *)"b");
  co *co3 = coroutine(entry, (void *)"c");
  wait(co1);
  wait(co2);
  wait(co3);
  printf("%d over\n", count);
  return 0;
}

效果

task: [a] seq:[1]
task: [b] seq:[2]
task: [a] seq:[3]
task: [a] seq:[4]
task: [a] seq:[5]
task: [b] seq:[6]
task: [a] seq:[7]
task: [c] seq:[8]
task: [c] seq:[9]
task: [b] seq:[10]
task: [b] seq:[11]
task: [c] seq:[12]
task: [b] seq:[13]
task: [c] seq:[14]
task: [c] seq:[15]
16 over

調度順序是隨機的。

總結

本文主要簡單介紹了一個一種可能的協程的實現方法，但是極其簡陋和不規(guī)范，如有紕漏，請指正。

通過對協程的學習和理解，可以大概明白線程的工作原理，進程的工作原理，為什么線程要比進程耗費資源。

可以了解到C/C++函數調用的基礎流程，以及如何搞一個函數讓其不返回等操作。

本文沒有涉及調度，涉及得很簡陋，協程的狀態(tài)只有新建和死亡。中間的其他狀態(tài)沒有標注。

以上就是C語言使用setjmp和longjmp實現一個簡單的協程的詳細內容，更多關于C語言setjmp longjmp實現協程的資料請關注腳本之家其它相關文章！

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