基於纖程(Fiber)實現C++異步編程庫（一）：原理及示例

纖程（Fiber）和協程（coroutine）是差不多的概念，也叫做用戶級線程或者輕線程之類的。Windows系統提供了一組API用戶創建和使用纖程，本文中的庫就是基於這組API實現的，所以無法跨平台使用，非Windows程序員可以閃人了，當然如果有興趣可以繼續看下去，找個第三方的協程庫封裝一下，也能實現相同的效果。關於纖程更詳細的信息可以查閱MSDN。

纖程的概念中有兩個關鍵點：

1. 纖程擁有獨立的棧空間和寄存器環境；
2. 纖程在用戶態實現調調度，也就是說完全由程序員控制；

下圖演示了幾個纖程相互切換的過程，注意每個纖程都有獨立的棧，並且通過SwitchToFiber函數切換到其他纖程：

 

作為對比，我們可以看一下函數調用過程中的堆棧變化情況，下面是示意圖，表示了func1 -> func2 -> func3 這種常見的函數嵌套調用關系：

 

 

每一次函數調用都會創建一個新的棧幀（stack frame），合起來就構成整個調用棧，函數返回時其棧幀也隨之釋放。對於函數調用，我們可以確定的一點是（在不拋出異常的情況下）被調用函數執行完畢后一定會在調用點返回並繼續執行下一條語句。但纖程之間的調用（切換）卻不同，一個纖程可以在任意位置切換到其他纖程，並且可能永遠都不會再切換回來，也可能從其他任意纖程（不必是剛剛切換到的）切換回來，前面的示意圖描述的只是一種非常簡單的情況，實際的情況可能非常復雜，復雜到導出都是跳來跳去的箭頭理也理不清。在纖程間切換，有點像用加強版的goto，用的時候固然很爽，但后續的維護卻是個麻煩。

所以就像用while/for/switch-case代替goto一樣，我們也需要封裝一組新的API來代替對操作系統API的直接調用。一方面，在封裝過程中我們可以對纖程的行為（實際是程序員的行為）施加一些安全約束，使得更容易寫出安全的代碼或者更不容易寫出不安全的代碼；另一方面，從goto到while/switch等過程控制語句實際上是一種抽象層次的提升，對大部分常見需求后者用起來更方便，更不容易出錯，寫出的代碼也更簡潔易懂，類似的，從系統API到新的封裝API或者封裝類也是抽象層次的提高，可以更方便的應用在各種業務場景；最后，直接使用系統API需要寫很多維護纖程的輔助代碼，這類代碼通常重復而又分散到業務代碼的各個角落，進一步降低了程序的可讀性和提高了維護難度，封裝也是為了解決這個問題。

好了，廢話說完了，我們先上一段代碼嘗嘗鮮：

    const int RUN_TIMES = 5;

    int number = 0;
    bool shutdown = false;

    Fiber fib([&number, &shutdown]
    {
        while (!shutdown)
        {
            number++;
            Fiber::yield();             // A：控制權移交到主纖程
        }
    });

    for (int i = 0; i < RUN_TIMES; i++)
    {
        fib.resume();                   // B: 切換到子纖程執行
    }
    
    printf("number = %d\r\n", number);        

這里先創建了一個纖程實現number變量累加的功能，然后在for循環中執行（姑且用這個詞）最終得到正確的結果。AB兩處代碼分別實現了纖程的切換，實際上是封裝了對SwitchToFiber的調用，注意兩個函數調用細節上的不同：resume表示切換到對象包裝的纖程，是普通成員函數，yield表示控制權移交給調用者纖程，是靜態成員函數，大家可以思考下為什么有靜態和非靜態成員函數的差別。

下面是用纖程實現生產者-消費者模型的代碼：

    int product_count = 0;
    bool is_end_time = false;

    const int RUN_TIMES = 3;

    // 生產者纖程
    Fiber fib_producer([&is_end_time, &product_count]
    {
        srand((unsigned)time(NULL));

        while (!is_end_time)
        {
            int new_product_count = (int)((double)rand() / RAND_MAX * 10) + 1;
            product_count += new_product_count;

            printf("[producer] create new products: %d\r\n", new_product_count);

            Fiber::yield();
        }

        printf("[producer] off duty.\r\n");
    });

    // 消費者纖程的執行函數
    auto consumer_proc = [&is_end_time, &product_count](const int seq_number)
    {
        int total_count = 0;

        while (!is_end_time)
        {
            if (product_count > 0)
            {
                product_count--;
                total_count++;
                printf("[consumer %d] got 1 product, total got %d, remain %d\r\n", seq_number, total_count, product_count);
            }

            Fiber::yield();
        }

        printf("[consumer %d] off duty.\r\n", seq_number);
    };

    const int CONSUMER_COUNT = 3;
    int consumer_seq_number = 0;

    // 創建消費者纖程數組
    std::vector<Fiber> consumer_array(CONSUMER_COUNT);
    std::for_each(consumer_array.begin(), consumer_array.end(), [&](Fiber& item){ item = Fiber([&]{ consumer_proc(consumer_seq_number); }); consumer_seq_number++; });

    consumer_seq_number = 0;

    for (int i = 0; i < RUN_TIMES; i++)
    {
        fib_producer.resume();

        while (product_count > 0)
        {
            consumer_array[consumer_seq_number].resume();
            consumer_seq_number = (consumer_seq_number + 1) % CONSUMER_COUNT;
        }
    }

    is_end_time = true;

    // 等待纖程結束
    Fiber::await_all(consumer_array);
    Fiber::await(fib_producer);

程序末尾出現了await和await_all兩個新的方法可以先不用管，不影響主要邏輯。由於所有纖程都是在同一個線程中運行的所以無需加鎖，這也是使用纖程的一個重要好處，也是我們這個封裝庫的主要目的之一。

 

限於篇幅，這次就只寫這么多了，更多的內容將放到后面的帖子中，總計還要寫四、五篇的樣子。但代碼實際上已經寫完了，急性子的園友可以直接到這個地址看代碼：

https://code.csdn.net/xrunning/fiber

 

建了一個QQ群：微觀架構設計165241092，主要討論C++代碼級設計，感興趣的園友加進來一起討論學習。