一、先介绍一组概念

进程

• 进程是系统进行资源分配和调度的基本单位
• 进程是一个实体，每一个进程都有自己地址空间

线程

• 线程是程序执行流的最小单元
• 一个标准的线程由线程ID，当前指令指针(PC），寄存器集合和堆栈组成
• 线程是进程中的一个实体，是被系统独立调度和分派的基本单位，线程自己不拥有系统资源，只拥有一点儿在运行中必不可少的资源，但它可与同属一个进程的其它线程共享进程所拥有的全部资源

子例程

• 子例程是某个主程序的一部分代码
• 子例程又被称为子程序、过程、方法、函数等。在主程序中可以调用子例程来执行

协程

• 协程与子例程一样，协程（coroutine）也是一种程序组件
• 协程看上去也是子程序，但执行过程中，在子程序内部可中断，然后转而执行别的子程序，在适当的时候再返回来接着执行
• 注意，在一个子程序中中断，去执行其他子程序，不是函数调用，有点类似CPU的中断

二、同步与异步

• 在介绍协程之前，必须先要详细的介绍一下同步和异步，因为这是引出协程的重要原因

同步

• 以客户端为例，客户端向服务端发出请求之后，必须阻塞等待服务端给自己返回数据，属于一问一答的模式

• 下面是服务端同步的伪代码，核心是handle()函数：
• 服务端在接收到消息之后，必须阻塞等待处理完消息再去发送数据，这个过程必须是一次性完成的，并且是在一个线程中完成的

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);
        } 
 // 进行消息的处理
 else {
            handle(sockfd);
        }
    }
}
 
 
// 可以看到是数据的收发在一个过程中
int handle(int sockfd) {
 // 先接收
    recv(sockfd, rbuffer, length, 0);
 
 // 消息处理
    parser_proto(rbuffer, length);
 
 // 再发送
    send(sockfd, sbuffer, length, 0);
}

异步

• 异步与同步不同，在异步的情况下，客户端向服务端发出请求之后，客户端可以不等待服务端给自己返回数据，接着继续执行。当然接收回复这一过程在其他线程中执行，当回复达到之后再通知客户端去接收（一般由回调函数实现）

• 下面是服务端同步的伪代码，核心是handle()函数：
• 可以看到服务端在处理数据时，把任务交给了其他的线程去执行，而不必阻塞等待

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);
        } 
 // 进行消息的处理
 else {
            handle(sockfd);
        }
    }
}
 
// 此函数是在线程池创建的线程中运行
int thread_cb(int sockfd) {
    recv(sockfd, rbuffer, length, 0);
    parser_proto(rbuffer, length);
    send(sockfd, sbuffer, length, 0);
}
 
// 此函数是在主线程中运行的
int handle(int sockfd) {
 // 把读写任务放到另外的线程中去执行
    push_thread(sockfd, thread_cb); //将 sockfd 放到其他线程中运行。
}

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备注

• "异步IO"和"IO异步"的区别：
• 异步IO：核心点是"IO"，例如POSXI提供的AIO接口
• IO异步：核心点是"操作"，例如上面服务端代码的异步处理，就是IO异步操作。我们平常所说的"多线程异步"指的就是这个

• "同步IO"和"IO同步"与上面也是相同的道理

同步与异步的区别

• 总结起来就是：
• 同步：编程简单，性能差
• 异步：编程复杂，性能高

• 同步编程简单是因为其数据的处理是在同一个过程中进行处理的。但是异步的处理可能在不同的线程中进行处理，例如在异步的情况下客户端发送2次请求，这2个请求可能在服务端的2个线程中进行处理，2个线程共用一个客户端的fd，可能造成数据混乱，最常见的解决方法就是进行加锁

四、设计协程的核心

• 通过上面的介绍，我们知道了同步与异步之间的差异，有没有一种方式，有异步性能，同步的代码逻辑。来方便编程人员对 IO 操作的 组件呢？ 有，采用一种轻量级的协程来实现。在每次 send 或者 recv 之前进行 切换，再由调度器来处理 epoll_wait 的流程
• 而协程的设计核心目标就是：为了拥有同步的简单编程方式，同时又想要拥有异步的性能

五、实现协程的核心：跳转(协程切换)

• 协程想要拥有同步的编程方式和异步的性能，因此我们不能对同步的代码进行修改，而要想办法对异步的代码进行修改，使得其
• 下面我们以https://blog.csdn.net/qq_41453285/article/details/106357786中的HTTP客户端异步实现代码为例
• 下面且听我细细道来

如何跳转？往哪里跳转？

• 在代码中，客户端调用async_http_commit()函数向服务端发送一个HTTP请求，为了实现异步的方式，我们在调用send()发送数据之后，把这个fd添加到epoll中进行管理（这是异步的方式），而不是在send()后面调用recv()（这是同步的方式）

• 下面是async_http_thread_func()函数的代码，这个函数在while(1)循环中一直调用epoll_wait()监听描述符是否有事件发生，例如上面的async_http_commit()函数调用send()给服务端发送数据之后，服务端给客户端回送响应，那么epoll_wait()就会被触发，从而调用recv()接收数据

• 那么如何用异步代码实现同步的效果呢？那就需要程序进行跳转在
• 关于跳转可以详细见下面的解释（图片点开来看）：
• （图左侧）async_http_commit()函数接收完数据之后为了实现与同步一样的效果，我们跳转到右侧的async_http_thread_func()函数
• （图右侧）跳转到async_http_thread_func()函数之后就可以调用epoll_wait()来检测数据了（因为上面的async_http_commit()函数调用了send()发送数据了），如果epoll_wait()检测到有数据来之后就可以在下面接收数据，当接收完数据之后再跳转回到左侧的async_http_commit()函数中

跳转的方法有哪些呢？

• 程序跳转的方法有3种：
• ①setjmp()、longjmp()函数：不推荐使用，编码复杂
• ②ucontext
• ③汇编实现

• 这3种方法，其中最常用的就是汇编，并且Go等语言的协程也是用汇编实现的

yield、resume

• yield：让出当前的CPU，跳转到指定的位置进行执行，这个过程叫做yield
• resume：上面yield让出CPU之后跳转到指定的位置执行，当指定的位置执行完成之后，回到当初的位置这个过程叫做resume
• 例如，对于上面来说，就是

六、如何通过汇编实现协程的切换呢？

• 下载代码https://github.com/wangbojing/NtyCo开始解析，后面要用到
• 对于上面的跳转来说，其实就是协程之间的切换，如何实现这种切换呢？
• 在介绍协程切换之前，来说一下线程的切换，如下图所示：
• CPU有很多的寄存器，这些寄存器保存了当先在处理器上运行线程的信息
• 例如当前CPU运行的是A线程，那么寄存器保存的都是线程A的信息
• 当此时需要把线程A切出CPU，来让B线程在CPU上运行，那么就需要把当前寄存器的内容都保存在线程A的栈中，然后把B运行所需要的内容加载到寄存器中，从而使得B线程在CPU上运行起来

• 协程如何切换？与线程是相同的道理，还是以上面的图片为例：
• sync_http_commit()函数调用send()之后，在跳转到pos位置之前把当前寄存器的内容保存到一个结构体中（例如命名为store结构体）
• 跳转到async_http_thread_func()函数指定的pos位置之后，把pos位置的内容信息加载到寄存器中开始执行

如何实现这些内容的保存与切换

• 首先到代码的Nty_coroutine.c文件中找到_switch()函数，这个函数是实现切换的核心：
• 参数1：新的上下文
• 参数2：当前的上下文
• _switch()函数就是把当前寄存器的内容保存在参数2中，然后加载参数1所指定的内容加载到寄存器中
• 例如，如果是上面的sync_http_commit()函数，其在"jump-pos"的时候就调用_switch()进行切换，然后async_http_thread_func()函数执行完需要切换回sync_http_commit()函数的时候，会在"jump->back"的地方调用这个函数，只是参数不同而已

• nty_cpu_ctx结构体就是一些寄存器的指针

• _switch()函数可以用下面的图来表示

• 那么如何实现这些寄存器值的保存与交换呢？
• 以下面为例，自己看图片吧，稍微有点复杂
• _switch()函数的参数1名为rdi、参数2名为rsi
• 在左侧，前一半部分：汇编指令把寄存器的内容保存到rsi中，留下次跳转回来使用；后一半部分：把rdi的内容加载到寄存器中开始使用
• 0、8、16那些是偏移，因为一个指针就是8字节，所以rsp对应的是esp、rbp对应的是ebp......依次类推

• X86-64有16个64位寄存器，分别是：
• %rax：作为函数返回值使用
• %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......依次类推（例如在_switch()函数中，参数1叫做rdi、参数2叫做rsi......）
• %rbx，%rbp，%r12，%r13，%14，%15：用作数据存储，遵循被调用者使用规则，简单说就是随便 用，调用子函数之前要备份它，以防他被修改 %r10，%r11 用作数据存储，遵循调用者使用规则，简单说就是使用之前要先保存原值