最轻量级的C协程库：Protothreads

原文地址：https://www.linuxidc.com/Linux/2012-07/66395p2.htm

协程的好处不用再多说，作为与函数调用/返回相对的概念，它使我们思考问题的方式经历一场变革。现在我们关注的是C，由于C本身的特质，将协程引入其中将会是一个挑战。无数先驱已经为这个目标抛了头颅洒了热血，于是我们有了libtask之类。而这里提到的，是一个堪称最轻量级的协程实现：Protothreads（http://dunkels.com/adam/pt/index.html）。所谓最轻量级，就是说，功能已经不能再精简了，几乎就是原语级别的。——确实，这种最简带来了一些使用上的繁琐不便，但在打退堂鼓之前，先来看看它的优点吧：

不依赖任何库（包括C标准库和OS，是的，可以在bootloader里使用它），甚至本身都算不上个“库”，事实上整个实现都只有.h文件。充上一条，.h文件共也只有5个而已，总共的有效行数也就100数量级（版本1.4）。接着补充，那些行中大部分也都是宏定义，所以使用该库导致程序的膨胀基本可以忽略不计。每个协程的内存开销只有一个指针那么大。说实话，这种形式的所谓“库”的最佳使用方式，是去参考其源代码然后直接借鉴到自己的程序中。这么点代码就能实现协程的功能，其原理也就一层窗户纸。事实上Protothreads使用了两种方式来实现协程，你可以选择其中一种方式：

用switch语句来实现
用GCC扩展语法来实现

前者通用性好但低效，使用起来也有更多不便，后者相反。默认是前者，本人倾向于后者（后者MinGW也支持的），这归咎于用惯了GCC，而且后者从思想上确实更加简明，没有trick的意味。这里的原理叙述也以后者为主。

这个如洪水猛兽般的“扩展语法”，其实就是：可以把label地址保存到变量。label就是goto的那个label，就是那个人人喊打的goto。如下：

begin:printf("This is a message\n");/* goto begin; -- 我们本来应该这么用 */void *p = &&begin;goto *p;

&&不是取地址又取地址^_^而是扩展语法，这个运算符用于label，表示取其在代码段中的地址，就是说获得一个指针。指向代码段的指针，第一反应是函数指针，但这个不是，因为它并不指向一个函数的入口，而是指向其腹部。这种指针类型C中是不存在的，GCC也不想把事情搞大，整出个新数据类型来，于是用void *通吃了。这样这个值就可以当普通数据一样摆弄来摆弄去，最后靠goto *p，来从其他任何地方跳到这个地址来执行。

或许还记得，C的goto是不能跨越函数边界的，从理论角度这叫确保了单入单出的结构化编程，从底层实现角度，则保证了栈帧不混乱，即：如果goto到另一个函数的代码段中，但另一个函数的栈帧并没有准备好，栈顶还是当前函数的栈帧，那么目的函数在访问局部数据时候就会发生混乱。这种原来不可能发生的混乱，在这种扩展语法的支持下成为了可能。这是需要注意的一点，在使用扩展的goto语句的时候也要注意不要越过函数边界（当然，如果你BT到了解栈帧协议并试图手工建立栈帧的话，就当我没说^_^）。

Protothreads库对协程的实现，说来也简单，且看一个协程函数的示意：

int foo(struct pt *p)
{PT_BEGIN(p);……        /* 代码段1 */PT_YIELD(p);……        /* 代码段2 */PT_END(p);
}

这个函数，在每次重入这个协程的时候都要被调用，靠这些PT_开头的宏，函数可以确定每次被调用时应该执行函数体的哪一部分。比如调用两次foo的话，第一次会执行代码段1，第二次则执行代码段2。原理如下：

结构体struct pt其实只有一个void *型成员，就是传说中那“一个指针的开销”，每个协程都有个对应的此物。该指针在初始化的时候被置NULL（由另一个宏PT_INIT在别处完成），在foo函数中，PT_BEGIN会检查这个指针，若是NULL，则表明是第一次启动该协程，什么也不做。接下来遇到了PT_YIELD，即协程挂起原语。此宏内部定义一个label，并立即将该label保存进pt结构体中。这样，此处可能有多种方式进入，一是顺序执行到此，二是从别处goto过来。这所谓别处，其实就在PT_BEGIN。如果它检查到pt不为空，则立即goto过去。现在PT_YIELD根据到达此处的方式做进一步判断，如果是自然执行到此，该挂起了，则立即reeturn出函数。否则，则是刚刚重入回来，继续执行下边的代码段2。这个判断是如何进行的？——靠一个标志位，PT_BEGIN每次被调用都首先置一个标志，而PT_YIELD则在label之前清除这个标志。这样，在label之后，PT_YIELD就可以据此判断，若标志没了，则是自然执行到此，若标志存在，则是从PT_BEGIN处goto过来的。——说穿了，就是setjmp的一个超轻量级版。

至于PT_END，其作用除了清除pt指针以外，主要是为了返回协程的状态。实际上PT_YIELD中的return也是带值的，之所以foo函数要声明为int，就是为了每次调用foo都能得到该协程当前的状态，是挂起了、结束了，还是中途退出了等等。
应该注意到了一点，就是既然每次重入协程都要重新调用foo函数，则说明foo函数中留不下任何状态，如果定义局部变量，则其内容都会丢失。嗯……这就是我指的“繁琐与不便”的主要所在吧，你需要让一切协程状态都以外部变量的形式存在，典型做法是封装成一个结构体，作为该函数的第二个参数。嗯，毕竟，C是接近底层的语言，让它自动背着你创建好多变量的副本，或者好多个协程局部的堆栈，还是不如你自己精确掌控对每块内存的使用，不是吗？毕竟不能用脚本语言的眼光来看C ^_^

现在，用这种方式创建了好多协程，那么接下来用一个简单的方式让它们运转起来，这个轮转调度简单得难以置信：

while (1) {foo1(p1);foo2(p2);...foon(pn);
}

这就是调度器的主循环，只需要往复依次调用每个协程的入口函数即可。

以上叙述了Protothreads库的核心内容，实际上该库还包含了动态协程建立、协程间通信等设施，对于一个如此单薄的库来说，还是相当令人惊喜的。最后为了再次强调其单薄，在此列举一下其所有的头文件：

lc-addrlabels.h 用GCC语法扩展实现的协程基础
lc-switch.h 用switch语句实现的协程基础
lc.h 该文件存在的意义仅仅为了选择以上两者之一
pt.h 基于lc.h的协程设施的真正实现
pt-sem.h 协程间通信（信号量）的实现

源文件下载地址：http://dunkels.com/adam/pt/download.html

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