lua編程之協程介紹

一，lua協程簡介

協程（coroutine），意思就是協作的例程，最早由Melvin Conway在1963年提出並實現。跟主流程序語言中的線程不一樣，線程屬於侵入式組件，線程實現的系統稱之為搶占式多任務系統，而協程實現的多任務系統成為協作式多任務系統。線程由於缺乏yield語義，所以運行過程中不可避免需要調度，休眠掛起，上下文切換等系統開銷，還需要小心使用同步機制保證多線程正常運行。而協程的運行指令系列是固定的，不需要同步機制，協程之間切換也只涉及到控制權的交換，相比較線程來說是非常輕便的。不過同一時刻可以有多個線程運行，但卻只能有一個協程運行。

協程具有兩個非常重要的特性：

1. 私有數據在協程的間斷式運行期間一直有效

2. 協程每次yield后讓出控制權，下次被resume后從停止點開始繼續執行

通俗的說，比較像一個帶有靜態數據而且具有多個進入點和返回點的函數，下面通過一個簡單例子看看這個性質：

co = coroutine.create(
function(a)
  print("a = "..a)
  c = coroutine.yield(a+1)
  print("c = "..c)
  return c*2
end
)
_, b = coroutine.resume(co, 1)
print("b = "..b)
_, d = coroutine.resume(co, b )
print("d = "..d)

運行結果：

a = 1

b = 2

c = 2

d = 4

協程co中除了一般函數具有的進入點（函數入口處）和返回點（函數結尾），在yield出還有一個進入點和返回點。主程序第一次resume時將1傳給參數a，運行到yield時，協程返回控制權給主程序，並通過yield的參數提供返回值，於是b=a+1，再次resume時，主程序通過參數b將數據傳給co的變量c，從而從第二個入口點進入函數，最后返回值c＊2傳給d。

resume／yield語義實現的協程屬於非對稱協程，在非對稱協程中，調用者和被調用者的關系是固定的，調用者通過resume將控制流轉到被調用者，被調用者通過yield只能返回到調用者，而不能返回到其他協程。比如A resume B resume C， C yield只能到B，而不能到A或其他協程。

世間萬物都是對立又統一的，既然存在非對稱協程，當然就存在對稱協程。對稱協程只有一個語義可以將控制流直接轉到目的協程。

非對稱協程和對稱協程的表達能力是一樣的，lua中只實現了非對稱協程，一個重要原因是lua是c實現的，非對稱協程的調用與被調用關系與c的函數調用非常類似，方便lua和c的擴展編程。

二，協程實戰

下面例子利用協程實現經典的生產者-消費者模型。

count = 10
productor = coroutine.create( 
  function () 
    i = 0 
    while(true) do 
      i = i+1 
      coroutine.yield(i) 
    end 
  end 
) 

consumer = coroutine.create( 
function(co) 
  n = 1 
  while(n<count) do 
  _, v = coroutine.resume(co) 
    print(v) 
    n = n+1 
  end 
end 
) 

coroutine.resume(consumer, productor)

consumer啟動productor，productor產生一個item后通過yield傳回給consumer，然后掛起等待consumer下次resume，非常簡單直觀。

協程的另一個重要作用是作為迭代器，依次訪問數據結構的元素。下面代碼展示了先序訪問二叉樹的方法。

l = { 
  v = 1, 
  left = nil, 
  right = nil, 
} 

r = { 
  v = 2, 
  left = nil, 
  right = nil, 
} 

root = { 
  v = 3, 
  left = l, 
  right = r, 
} 

preorder = function(root) 
  if(root == nil) then return end 
  coroutine.yield(root.v) 
  preorder(root.left) 
  preorder(root.right) 
end 

preco = coroutine.create(preorder) 


view = function(co, root) 
  state, v = coroutine.resume(co, root) 
  if(state == false) then return end 
  print(v) 
  while(true)  do 
    state, v = coroutine.resume(co) 
    if(state == false or v == nil) then return end 
    print(v) 
  end 
end 
view(preco, root)

對於coroutine， 這里介紹了一個非常輕量級協程的實現原理，雲風通過uconext實現了類似於lua的協程庫，有興趣的同學可以研究研究。

 

reference：

《coroutines in C》