[Java知识库]协程如何使用？与线程使用有何区别？

协程如何使用？与线程使用有何区别？

在做网络IO编程的时候，有一个非常理想的情况，就是每次accept返回的时候，就为新来的客户端分配一个线程，这样一个客户端对应一个线程。就不会有多个线程共用一个sockfd。每请求每线程的方式，并且代码逻辑非常易读。但是这只是理想，线程创建代价，调度代价就呵呵了。

先来看一下每请求每线程的代码如下：

while(1) {
	socklen_t len = sizeof(struct sockaddr_in);
    int clientfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&remote, &len);

    pthread_t thread_id;
    pthread_create(&thread_id, NULL, client_cb, &clientfd);

}

这样的做法，写完放到生产环境下面，如果你的老板不打死你，你来找我。我来帮你老板，为民除害。

如果我们有协程，我们就可以这样实现。参考代码如下：
https://github.com/wangbojing/NtyCo/blob/master/nty_server_test.c

while (1) {
    socklen_t len = sizeof(struct sockaddr_in);
    int cli_fd = nty_accept(fd, (struct sockaddr*)&remote, &len);
        
    nty_coroutine *read_co;
    nty_coroutine_create(&read_co, server_reader, &cli_fd);

}

这样的代码是完全可以放在生成环境下面的。如果你的老板要打死你，你来找我，我帮你把你老板打死，为民除害。

线程的API思维来使用协程，函数调用的性能来测试协程。

NtyCo封装出来了若干接口，一类是协程本身的，二类是posix的异步封装
协程API：while

1. 协程创建

int nty_coroutine_create(nty_coroutine **new_co, proc_coroutine func, void *arg)

2. 协程调度器的运行

void nty_schedule_run(void)

POSIX异步封装API：

int nty_socket(int domain, int type, int protocol)
int nty_accept(int fd, struct sockaddr *addr, socklen_t *len)
int nty_recv(int fd, void *buf, int length)
int nty_send(int fd, const void *buf, int length)
int nty_close(int fd)

接口格式与POSIX标准的函数定义一致。

协程内部是如何工作呢？

先来看一下协程服务器案例的代码， 代码参考：https://github.com/wangbojing/NtyCo/blob/master/nty_server_test.c
分别讨论三个协程的比较晦涩的工作流程。第一个协程的创建；第二个IO异步操作；第三个协程子过程回调

创建协程

当我们需要异步调用的时候，我们会创建一个协程。比如accept返回一个新的sockfd，创建一个客户端处理的子过程。再比如需要监听多个端口的时候，创建一个server的子过程，这样多个端口同时工作的，是符合微服务的架构的。

创建协程的时候，进行了如何的工作？创建API如下：

int nty_coroutine_create(nty_coroutine **new_co, proc_coroutine func, void *arg)

参数1：nty_coroutine **new_co，需要传入空的协程的对象，这个对象是由内部创建的，并且在函数返回的时候，会返回一个内部创建的协程对象。

参数2：proc_coroutine func，协程的子过程。当协程被调度的时候，就会执行该函数。

参数3：void *arg，需要传入到新协程中的参数。

协程不存在亲属关系，都是一致的调度关系，接受调度器的调度。调用create API就会创建一个新协程，新协程就会加入到调度器的就绪队列中。

创建的协程具体步骤会在《协程的实现之原语操作》来描述。

实现IO异步操作

大部分的朋友会关心IO异步操作如何实现，在send与recv调用的时候，如何实现异步操作的。

先来看一下一段代码：

while (1) {
    int nready = epoll_wait(epfd, events, EVENT_SIZE, -1);

    for (i = 0;i < nready;i ++) {

        int sockfd = events[i].data.fd;
        if (sockfd == listenfd) {
            int connfd = accept(listenfd, xxx, xxxx);
            
            setnonblock(connfd);

            ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
            ev.data.fd = connfd;
            epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, connfd, &ev);

        } else {
            
            epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_DEL, sockfd, NULL);
            recv(sockfd, buffer, length, 0);

            //parser_proto(buffer, length);

            send(sockfd, buffer, length, 0);
            epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, NULL);
        }
    }
}

在进行IO操作（recv，send）之前，先执行了 epoll_ctl的del操作，将相应的sockfd从epfd中删除掉，在执行完IO操作（recv，send）再进行epoll_ctl的add的动作。这段代码看起来似乎好像没有什么作用。

如果是在多个上下文中，这样的做法就很有意义了。能够保证sockfd只在一个上下文中能够操作IO的。不会出现在多个上下文同时对一个IO进行操作的。协程的IO异步操作正式是采用此模式进行的。

把单一协程的工作与调度器的工作的划分清楚，先引入两个原语操作 resume，yield会在《协程的实现之原语操作》来讲解协程所有原语操作的实现，yield就是让出运行，resume就是恢复运行。调度器与协程的上下文切换如下图所示
在协程的上下文IO异步操作（nty_recv，nty_send）函数，步骤如下：

1. 将sockfd 添加到epoll管理中。
2. 进行上下文环境切换，由协程上下文yield到调度器的上下文。
3. 调度器获取下一个协程上下文。Resume新的协程

IO 异步操作的上下文切换的时序图如下：

回调协程的子过程

在create协程后，何时回调子过程？何种方式回调子过程？
首先来回顾一下x86_64寄存器的相关知识。汇编与寄存器相关知识还会在《协程的实现之切换》继续深入探讨的。x86_64 的寄存器有16个64位寄存器，分别是：%rax, %rbx,
%rcx, %esi, %edi, %rbp, %rsp, %r8, %r9, %r10, %r11, %r12, %r13, %r14, %r15。

%rax 作为函数返回值使用的。

%rsp 栈指针寄存器，指向栈顶

%rdi, %rsi, %rdx, %rcx, %r8, %r9 用作函数参数，依次对应第1参数，第2参数%rbx, %rbp, %r12, %r13, %r14, %r15 用作数据存储，遵循调用者使用规则，换句话说，就是随便用。调用子函数之前要备份它，以防它被修改%r10, %r11 用作数据存储，就是使用前要先保存原值

以NtyCo的实现为例，来分析这个过程。CPU有一个非常重要的寄存器叫做EIP，用来存储CPU运行下一条指令的地址。我们可以把回调函数的地址存储到EIP中，将相应的参数存储到相应的参数寄存器中。实现子过程调用的逻辑代码如下：

void _exec(nty_coroutine *co) {
    co->func(co->arg); //子过程的回调函数
}

void nty_coroutine_init(nty_coroutine *co) {
    //ctx 就是协程的上下文
    co->ctx.edi = (void*)co; //设置参数
    co->ctx.eip = (void*)_exec; //设置回调函数入口
    //当实现上下文切换的时候，就会执行入口函数_exec , _exec 调用子过程func
}

实现协程框架，底层原理与性能分析（C语言）

1.协程起源

协程起源 — 存在的原因？
如何使用？与线程使用有何区别？
内部是如何工作的？
原语操作有哪些？分别如何实现？

2.协程实现之切换 — 上下文如何切换？代码如何实现？

运行体如何定义？调度器如何定义？
协程如何被调度？
协程多核模式 — 多核实现
协程性能测试 — 实战性能测试

不懂协程？不会用协程？

一节课让你底层原理实现协程框架