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- const README: rewrite the space-saving claim per issue #5 follow-ups (constant-expression const vs #define immediates; which const qualify as constant expressions) - const README: fix the class-section diagnosis per issue #338 (overload resolution picks the const overload; the restriction only surfaces once that overload is removed) - sizeof README: virtual-inheritance result is compiler-dependent (GCC merges vbptr+vfptr -> 16, MSVC keeps them separate -> 32) #246 - static README: new section on internal linkage / access restriction with anonymous-namespace comparison #142 - 10-day practice: full problem list table + fixed day links #136 - new design_pattern/singleton/singleton_default.hpp: reusable thread-safe CRTP singleton template, compile+concurrency tested #303
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@@ -0,0 +1,229 @@
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> 来自 [C++那些事网站](https://light-city.github.io/stories_things/modern-cpp/cpp20/cpp-coroutines/) 的文章，由站点同步脚本导出。
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# C++20 协程入门
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## 1.什么是Coroutines
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自C++20之后，C++终于支持协程了，C++ 23应该带来额外的支持，至少应该涵盖最常见的用例。
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**协程**（英语：coroutine）是计算机程序的一类组件，推广了[协作式多任务](https://zh.wikipedia.org/wiki/协作式多任务)的[子例程](https://zh.wikipedia.org/wiki/子例程)，允许执行被挂起与被恢复。相对子例程而言，协程更为一般和灵活，但在实践中使用没有子例程那样广泛。协程更适合于用来实现彼此熟悉的程序组件，如[协作式多任务](https://zh.wikipedia.org/wiki/协作式多任务)、[异常处理](https://zh.wikipedia.org/wiki/异常处理)、[事件循环](https://zh.wikipedia.org/wiki/事件循环)、[迭代器](https://zh.wikipedia.org/wiki/迭代器)、[无限列表](https://zh.wikipedia.org/wiki/惰性求值)和[管道](https://zh.wikipedia.org/wiki/管道_(软件))。
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> 来自维基百科的一段话描述了协程的基本思想。
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从C++角度，可以简单理解协程是**任何包含co_return, co_yield或co_await的函数**。
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目前C++20协程是函数对象上的语法糖，编译器将围绕协程生成一个代码框架。此代码依赖于用户定义的**promise types**。可能会在C++23之后对此有所变动，不过在此之前，我们先按照C++20的规则来，需要自己编写这些类型。
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前面提到co_return、co_yield、co_await，这些将在未来章节进行阐述。
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## 2.Step By Step Coroutine
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接下来，我们从一个简单的coroutine例子入手，下面这个协程不会做任何事情，我们称它为HelloTask courtine。
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```cpp
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#include <coroutine>
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struct HelloTask {
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struct promise_type {
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HelloTask get_return_object() { return {}; }
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std::suspend_never initial_suspend() { return {}; }
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std::suspend_never final_suspend() noexcept { return {}; }
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void return_void() {}
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void unhandled_exception() {}
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};
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};
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HelloTask myCoroutine() {
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co_return; // make it a coroutine
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}
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int main() {
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HelloTask x = myCoroutine();
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}
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```
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编译运行这段代码：
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```cpp
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g++ hello.cpp -fcoroutines -std=c++20
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```
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需要你的编译器支持C++20特性。
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从上到下来浏览一遍这段HelloWorld程序跟平时的开发有何不同。
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### 2.1 头文件
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首先是头文件引入了`coroutine`，这里我直接拿gcc-10的源码，看看到底做了什么事情。
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> https://github.com/gcc-mirror/gcc/blob/releases/gcc-10/libstdc++-v3/include/std/coroutine
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内容包括如下：
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```cpp
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// 用于发现协程promise_type的特征类型
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// 核心代码:using promise_type = typename _Result::promise_type;
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1.coroutine_traits
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// 协程句柄，用于管理暂停或执行的协程以及Promise
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2.coroutine_handle
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// coroutine_handle全特化版本 是其他特化的公开基类。它保有handle的底层 地址。
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2.1 coroutine_handle<void>
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// coroutine_handle泛化版本
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2.2 template <typename _Promise>
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struct coroutine_handle : coroutine_handle<>
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// coroutine_handle全特化版本 处理无操作协程
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2.3 template <>
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struct coroutine_handle<noop_coroutine_promise> : public coroutine_handle<>
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3.平凡多可等待对象 Trivial awaitables
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// await表达式应该暂停
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3.1 suspend_always
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// await表达式不应该暂停
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3.2 suspend_never
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```
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可以看到里面包含了很多专有的术语：
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- coroutine_handle
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- Promise
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- awaitable
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等等。
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后面所讲的协程内容都是围绕这些来展开的。
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## 2.2 Promise
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我们继续上面的HelloTask，会发现里面有这么一段:
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```cpp
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struct HelloTask {
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struct promise_type {
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HelloTask get_return_object() { return {}; }
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||||
std::suspend_never initial_suspend() { return {}; }
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||||
std::suspend_never final_suspend() noexcept { return {}; }
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||||
void return_void() {}
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||||
void unhandled_exception() {}
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};
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};
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```
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那么问题来了，为何这里要写promise_type？
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之所以写promise_type是因为我们在上述2.1节提到了handle，当编译器创建协程的handle时，需要指定该协程对象的promise_type，所以所有的协程对象基本都有一个HelloTask::promise_type结构。仔细的朋友可能就非常懂了，这里传递promise_type过去，在Handle里面会解析出来，从而去判断当前用户自定义的协程对象的行为。
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进一步的看看promise_type里面有什么，这里面的内容都是固定的，随着后续的内容越来越多，所涉及的函数也便是越来越多，例如这里使用的是`return_void`，那么当后面使用co_return返回对象时，便会使用另外一个函数了。
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**get_return_object**是可以返回当前用户自定义对象的，这里是不做任何操作，承接上文2.1，我们可以使用coroutine_handle来做。
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```cpp
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struct promise_type {
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using Handle = std::coroutine_handle<promise_type>;
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HelloTask get_return_object() {
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return HelloTask{Handle::from_promise(*this)};
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}
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// other member function
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}
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```
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可以看到这里使用了coroutine_handle的from_promise成员去构造了一个对象出来。
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**initial_suspend**：告诉编译器协程是否应该在第一次执行时保持挂起，或者表示协程实例化时是否保持挂起。
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**final_suspend**：与initial_suspend相反，在协程函数体完成后，在协程的末尾有一个final_suspend。这使你有机会进行额外的清理。
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这两个都返回awaitable，这里采用了头文件中的suspend_always，当然也可以用户自定义awaitable，这个会在后面文章进行阐述。
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suspend_always与suspend_never的源码如下:
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```cpp
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struct suspend_always
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{
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constexpr bool await_ready() const noexcept { return false; }
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constexpr void await_suspend(coroutine_handle<>) const noexcept {}
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constexpr void await_resume() const noexcept {}
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};
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struct suspend_never
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{
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constexpr bool await_ready() const noexcept { return true; }
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||||
constexpr void await_suspend(coroutine_handle<>) const noexcept {}
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||||
constexpr void await_resume() const noexcept {}
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||||
};
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```
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这里面包含了几个成员，
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- await_ready
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- 如果知道结果已经准备就绪是否同步完成？
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- await_suspend
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- **返回值可以是bool 、void、coroutine handle。**
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- 这里返回的是void，则立即将控制返回到当前Coroutine的 caller/resumer （此Coroutine仍然被暂停），否则如果等待_suspend返回bool，true表示控制权交给caller/resumer，表示false恢复当前的coroutine。关于返回coroutine handle在后面文章进行阐述。
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- await_resume
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- 它的结果是整个co_await表达式的结果。所以返回值不一定是void，还可以是自定义对象之类的。
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**return_void**: 当使用`co_return;`时，将调用return_void。
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**unhandled_exception**：用于捕获异常。
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最后，还差一个创建coroutine一步，根据一开始的定义协程是**任何包含co_return, co_yield或co_await的函数**。因此便有了:
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```cpp
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HelloTask myCoroutine() {
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co_return; // make it a coroutine
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}
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```
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### 2.3 整体流程
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整个调用流程是什么呢？本节来详细阐述一下上述代码的执行逻辑，开始之前我们改一下代码，加上一些print操作:
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```cpp
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#include <iostream>
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#include <coroutine>
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struct HelloTask {
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struct promise_type {
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HelloTask get_return_object() { std::cout << "get_return_object" << std::endl; return { }; }
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std::suspend_never initial_suspend() { std::cout << "initial_suspend" << std::endl; return {}; }
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||||
std::suspend_never final_suspend() noexcept { std::cout << "final_suspend" << std::endl;return {}; }
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||||
void return_void() { std::cout << "return_void" << std::endl; }
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||||
void unhandled_exception() { std::cout << "unhandled_exception" << std::endl; }
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};
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||||
};
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HelloTask myCoroutine() {
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std::cout << "create coroutine" << std::endl;
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co_return; // make it a coroutine
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}
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int main() {
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std::cout << "start main" << std::endl;
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HelloTask x = myCoroutine();
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||||
std::cout << "end main" << std::endl;
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}
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```
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此时输出:
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```cpp
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start main
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||||
get_return_object
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||||
initial_suspend
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create coroutine
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return_void
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final_suspend
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end main
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```
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流程如下：
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- start main
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- 在堆上分配coutine对象，构造promise，调用promise.get_return_object返回当前对象(此时输出了get_return_object)，这里这么做的目的是把结果保存到了局部变量里面。
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- promise.initial_suspend，此时输出initial_suspend，这里会触发co_await，输出create coroutine，执行协程体后，调用co_return。
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- co_return调用promise.return_void 输出return_void。
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- 最终，promise.final_suspend输出final_suspend。
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- end main
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关于协程的相关内容还有特别多的东西，本节为开篇，后续将持续更新~
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