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C++ 协程是 C++20 引入的一项重要特性，它提供了一种更简洁、高效的异步编程方式。下面从协程的状态机、Promise 对象、挂起和恢复机制等方面介绍其底层实现原理。

协程的状态机

从底层角度看，协程本质上是一个状态机。在运行过程中，协程会经历多个状态，像初始状态、挂起状态、恢复状态以及完成状态等。编译器会把协程函数转化为一个状态机，这个状态机能够在不同状态之间进行切换。

当协程函数被调用时，它并不会马上执行函数体里的代码，而是创建一个协程帧（Coroutine Frame）。协程帧是一个数据结构，用于保存协程的状态，其中包含局部变量、函数参数以及当前执行的位置等信息。

Promise 对象

Promise 对象在协程的实现中起着关键作用。每个协程都有一个与之关联的 Promise 对象，它负责管理协程的生命周期和结果。Promise 对象定义了协程的一些关键行为，例如协程开始时是否挂起、协程结束时如何处理返回值等。

Promise 对象包含以下几个重要的成员函数：

• get_return_object：该函数用于创建协程的返回对象，这个返回对象通常是一个包装器，用于控制协程的执行和获取协程的结果。
• initial_suspend：此函数决定协程在开始执行时是否挂起。如果返回一个挂起状态，协程将在创建后立即挂起，直到被恢复。
• final_suspend：该函数决定协程在结束时是否挂起。通常用于实现协程的自动销毁或资源清理。
• return_value：该函数用于处理协程的返回值。当协程使用 co_return 语句返回值时，这个值会被传递给 return_value 函数进行处理。
• unhandled_exception：此函数用于处理协程中抛出的未处理异常。

挂起和恢复机制

协程的核心特性之一是能够在执行过程中挂起和恢复。在协程函数中，可以使用 co_await 或 co_yield 关键字来挂起协程的执行。

• co_await：当协程遇到 co_await 表达式时，它会调用该表达式的 await_suspend 函数。这个函数决定协程是否挂起，如果返回 true，协程将挂起，控制权会返回给调用者。当异步操作完成后，协程可以通过某种机制被恢复，继续执行 co_await 之后的代码。
• co_yield：co_yield 用于生成一个值并挂起协程。它实际上是 co_await 的一种特殊形式，会调用 Promise 对象的 yield_value 函数来处理生成的值，并挂起协程。

协程的执行流程

以下是协程的基本执行流程：

1. 创建协程帧：当协程函数被调用时，编译器会创建一个协程帧，用于保存协程的状态。
2. 调用 Promise 对象的 get_return_object 函数：创建协程的返回对象。
3. 调用 Promise 对象的 initial_suspend 函数：决定协程是否在开始时挂起。
4. 执行协程函数体：如果协程没有在开始时挂起，开始执行协程函数体中的代码。
5. 遇到 co_await 或 co_yield 关键字：调用相应的 await_suspend 或 yield_value 函数，决定协程是否挂起。
6. 挂起协程：如果 await_suspend 或 yield_value 函数返回 true，协程挂起，控制权返回给调用者。
7. 恢复协程：当异步操作完成或满足恢复条件时，协程可以被恢复，继续执行 co_await 或 co_yield 之后的代码。
8. 协程结束：当协程执行到 co_return 语句或函数结束时，调用 Promise 对象的 return_value 函数处理返回值，然后调用 final_suspend 函数决定是否在结束时挂起。

示例代码分析

#include <iostream>
#include <coroutine>// 协程返回类型
template<typename T>
struct Task {struct promise_type {T value_;Task get_return_object() { return {}; }std::suspend_never initial_suspend() { return {}; }std::suspend_never final_suspend() noexcept { return {}; }void return_value(T value) { value_ = value; }void unhandled_exception() {}};
};// 协程函数
Task<int> async_function() {co_await std::suspend_always{};co_return 42;
}int main() {auto task = async_function();std::cout << "协程已启动，继续执行其他任务..." << std::endl;// 这里需要更完善的机制来恢复协程和获取结果std::cout << "假设协程已完成，结果应该是: 42" << std::endl;return 0;
}

在这个示例中：

• Task 是协程的返回类型，它包含一个 promise_type 结构体，定义了协程的关键行为。
• async_function 是一个协程函数，使用 co_await 关键字挂起协程的执行，然后使用 co_return 语句返回一个值。
• 在 main 函数中，调用 async_function 启动协程，然后可以继续执行其他任务。

通过这种方式，C++ 协程提供了一种高效、简洁的异步编程方式，使得异步代码可以以同步的方式编写，提高了代码的可读性和可维护性。