Code Like Sync, Works Like Async

前言.

打从敲下"Hello World!"，咱们算入行了。我开始写代码，和用计算器差不多：

• 输入：1 + 1

• 结果：2

• …

代码一路顺着走，不开叉。

生涯第 1 个波折，是学到条件判断，像这样：

• a = 1，b = 1

• if a + b = 2 print "这都知道？"else print “答对了”

代码开始有不同走向，有点绕，还能驾驭。

再后来就遇到人生大哉问：妈和媳妇一起掉河里，你救谁？

翻译一下，如何同时运行代码 A 和代码 B（并行）？

为一起救，我学过各种泳姿：

• 开始用 “定时器/软中断”挺好，不过随着媳妇数（代码块）的增多，猝！

• 后来折腾“事件驱动/状态机”，就活在连跳/回调地狱里，最终为个 delay 而累猝！

• 最后“多线程”还行…还活着。

焦头烂额，终于 hold 住。

可人生问题哪止这些，后来更大问题是 3 字：“没钱”

“多线程”虽好，太费钱（资源消耗大）、太折腾（竞争成本高），很多场景受限：

• 浏览器：没有多线程

• 嵌入式 MCU：实时性要求高、RAM 受限，甚至没有 RTOS

• 大链接数 server：微信后台

• 游戏：魔兽世界

吐血。

小品文已过，咱们言归正传。

1.

近些年，很多编程语言都修订标准，新增 2 个关键字 async/await：

• 直接包含：C#/JavaScript/Rust/Dart

• 其它语言(golang/erlang/lua…)没直接包含，也提供类似机制 ，比如 Go goroutine

所有目的，都是为更好的支持异步编程，不约而同的加强 Coroutine。

Coroutine(协程)是老东西（比 UNIX 都早），近些年的广泛使用有其背景：

• 大量线程用不起（服务器或嵌入式），或者没有线程（浏览器或 MCU 裸机）

• 然而，异步需求在，开源库 API 设计成异步 IO 渐变主流

• 可异步代码太难搞，程序一膨胀，不是回调地狱就是全程乱跳。。。

• 由此不约而同想：代码能不能写起来像同步，跑起来像异步？

• 做梦之余一看，这不是就是 Coroutine 吗？好好，不止第三方库，要语言层支持，加 promise，再加 async/await

嗯，这段像瞎掰，实际是典型 JavaScript 开发者心态，其它也类似。

远的不说，做嵌入式开发，也常被异步 IO 编程（基于中断/消息/事件）搞得焦头烂额，我也想要“Code like sync, works like async”。

可 C/C++如何做 Coroutine 呢？

2.

方案 1：

基于用户态 Scheduler（微信后台方案）

Coroutine 是简单的东西，第一反应就是拿用户态 Scheduler 实现。

即任务切换时，完成真实的换栈：

任务运行上下文(context)可以简视：寄存器/栈信息，当每个协程任务放弃(yield)时，执行 context 切换。看起来和 OS 线程没区别，实际是有的：

• 所有 Coroutines 共享 1 个 CPU 线程，相互无抢占（协作式，竞争成本低）

• Coroutine 更轻，尽管 Linux 中单线程只需约 4KB(1 页)，然而 1 个 Coroutine 只 0.1KB

• Coroutine 切换快(约 100T)，在多数平台上消耗时间在纳秒级/微秒级

对大量链接的服务器后台，上述优势明显。可以参见腾讯开源协程库: libco。

这是对调用者干净的实现，编程没有限制，PC 端主流协程库都如此实现:

• libco(微信)/Boost.Context(C++准标准)/libaco/coroutine

换栈的手段也不局限汇编，有系统库或第三方:

• posix 中 context/Windows 中 fiber/C 标准中 setjump 等。

尽管如此，可对嵌入式编程意义很小：

• RTOS 中 Task 实现类似，内存消耗/切换成本已经很低

• RTOS 中 Task 亦可配置成协作式（非抢占）

• 每种 CPU 都需要移植，等价于再实现 Scheduler，意义不大

方案 2：

基于标签语法糖(switch 或 goto 扩展)

这是借用预编译宏和标签，大玩语法游戏的套路。

目前所有类似实现(如 Protothread)，都基于 Simon Tatham 的文章，这里简要 1 种核心：

仔细看上述代码，它是合法的。在 switch/case 间，插入不同的语句，用不同 case 分割。由此换个视角看，count 可视为状态索引，每次进入时会恢复到代码对应位置。这是一种不基于换栈的任务切出/切回方式。

把上述 switch/case 手段用宏 crBegin/crFinish/crReturn 包装下，下面两段带 while(1)的死循环代码，就可以在 1 个线程中并发执行：

这是 Coroutine 实现的最轻方式，优点：

• 完全标准 C 实现，跨平台

• 每个 Coroutine 只需要额外 1 字节 - 2 字节内存

• Task 切换无成本

不过，不知道大家发没发现，局部变量该怎么办？

没有换栈，无法用局部变量，必须 static 静态化。由此，这种方式受限明显：

• 如果用 static 变量，会导致函数无法重入

• 如果不用 static，就必须传参类似 ctx 参数来代替局部变量

看的出来，让调用者有些难受。

由此，Contiki OS 又对上述方法改良并包装，并用这种机制实现整个操作系统的多任务。

它的代码值得一读，除了这部分，其它模块(uIP/GUI/Timer/Mem)都很漂亮。

3.

大家看的出来，嵌入式系统上 1 和 2 还不够完美，有没有更好的方案？希望：

• 只用 C99 实现，完全跨平台/跨架构

• 内存消耗要远小于线程，额外消耗在几个字节内

• 可以使用局部变量(至少表面上)

• 对调用者友好，类似其它语言 async/await 的方式

显然需要新方案。

这里卖个关子，感兴趣的朋友可以留言讨论，请持续关注我们公众号哦～

作者介绍：

王相宇，滴滴两轮车硬件技术部

本文转载自公众号普惠出行产品技术（ID：gh_ed6841067977）。

原文链接：

Code Like Sync, Works Like Async