基于纤程(Fiber)实现C++异步编程库（一）：原理及示例

纤程（Fiber）和协程（coroutine）是差不多的概念，也叫做用户级线程或者轻线程之类的。Windows系统提供了一组API用户创建和使用纤程，本文中的库就是基于这组API实现的，所以无法跨平台使用，非Windows程序员可以闪人了，当然如果有兴趣可以继续看下去，找个第三方的协程库封装一下，也能实现相同的效果。关于纤程更详细的信息可以查阅MSDN。

纤程的概念中有两个关键点：

1. 纤程拥有独立的栈空间和寄存器环境；
2. 纤程在用户态实现调调度，也就是说完全由程序员控制；

下图演示了几个纤程相互切换的过程，注意每个纤程都有独立的栈，并且通过SwitchToFiber函数切换到其他纤程：

作为对比，我们可以看一下函数调用过程中的堆栈变化情况，下面是示意图，表示了func1 -> func2 -> func3 这种常见的函数嵌套调用关系：

 

每一次函数调用都会创建一个新的栈帧（stack frame），合起来就构成整个调用栈，函数返回时其栈帧也随之释放。对于函数调用，我们可以确定的一点是（在不抛出异常的情况下）被调用函数执行完毕后一定会在调用点返回并继续执行下一条语句。但纤程之间的调用（切换）却不同，一个纤程可以在任意位置切换到其他纤程，并且可能永远都不会再切换回来，也可能从其他任意纤程（不必是刚刚切换到的）切换回来，前面的示意图描述的只是一种非常简单的情况，实际的情况可能非常复杂，复杂到导出都是跳来跳去的箭头理也理不清。在纤程间切换，有点像用加强版的goto，用的时候固然很爽，但后续的维护却是个麻烦。

所以就像用while/for/switch-case代替goto一样，我们也需要封装一组新的API来代替对操作系统API的直接调用。一方面，在封装过程中我们可以对纤程的行为（实际是程序员的行为）施加一些安全约束，使得更容易写出安全的代码或者更不容易写出不安全的代码；另一方面，从goto到while/switch等过程控制语句实际上是一种抽象层次的提升，对大部分常见需求后者用起来更方便，更不容易出错，写出的代码也更简洁易懂，类似的，从系统API到新的封装API或者封装类也是抽象层次的提高，可以更方便的应用在各种业务场景；最后，直接使用系统API需要写很多维护纤程的辅助代码，这类代码通常重复而又分散到业务代码的各个角落，进一步降低了程序的可读性和提高了维护难度，封装也是为了解决这个问题。

好了，废话说完了，我们先上一段代码尝尝鲜：

    const int RUN_TIMES = 5;

    int number = 0;
    bool shutdown = false;

    Fiber fib([&number, &shutdown]
    {
        while (!shutdown)
        {
            number++;
            Fiber::yield();             // A：控制权移交到主纤程
        }
    });

    for (int i = 0; i < RUN_TIMES; i++)
    {
        fib.resume();                   // B: 切换到子纤程执行
    }
    
    printf("number = %d
", number);        

这里先创建了一个纤程实现number变量累加的功能，然后在for循环中执行（姑且用这个词）最终得到正确的结果。AB两处代码分别实现了纤程的切换，实际上是封装了对SwitchToFiber的调用，注意两个函数调用细节上的不同：resume表示切换到对象包装的纤程，是普通成员函数，yield表示控制权移交给调用者纤程，是静态成员函数，大家可以思考下为什么有静态和非静态成员函数的差别。

下面是用纤程实现生产者-消费者模型的代码：

    int product_count = 0;
    bool is_end_time = false;

    const int RUN_TIMES = 3;

    // 生产者纤程
    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
", new_product_count);

            Fiber::yield();
        }

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

    // 消费者纤程的执行函数
    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
", seq_number, total_count, product_count);
            }

            Fiber::yield();
        }

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

    const int CONSUMER_COUNT = 3;
    int consumer_seq_number = 0;

    // 创建消费者纤程数组
    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;

    // 等待纤程结束
    Fiber::await_all(consumer_array);
    Fiber::await(fib_producer);

程序末尾出现了await和await_all两个新的方法可以先不用管，不影响主要逻辑。由于所有纤程都是在同一个线程中运行的所以无需加锁，这也是使用纤程的一个重要好处，也是我们这个封装库的主要目的之一。

限于篇幅，这次就只写这么多了，更多的内容将放到后面的帖子中，总计还要写四、五篇的样子。但代码实际上已经写完了，急性子的园友可以直接到这个地址看代码：

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

建了一个QQ群：微观架构设计165241092，主要讨论C++代码级设计，感兴趣的园友加进来一起讨论学习。