Какие сопрограммы в C ++ 20?

На абстрактном уровне Coroutines отделил идею наличия состояния выполнения от идеи наличия потока выполнения.

SIMD (одна команда, несколько данных) имеет несколько «потоков выполнения», но только одно состояние выполнения (оно работает только с несколькими данными). Возможно, параллельные алгоритмы немного похожи на это в том, что у вас есть одна «программа», запущенная на разных данных.

Потоки имеют несколько «потоков выполнения» и несколько состояний выполнения. У вас есть более одной программы и более одного потока выполнения.

Coroutines имеет несколько состояний выполнения, но не владеет потоком выполнения. У вас есть программа, и программа имеет состояние, но у нее нет потока выполнения.

---

Самым простым примером сопрограмм являются генераторы или перечислимые элементы из других языков.

В псевдокоде:

function Generator() {
for (i = 0 to 100)
produce i
}

Generator вызывается, и при первом вызове возвращается 0, Его состояние запоминается (насколько состояние меняется в зависимости от реализации сопрограмм), и в следующий раз, когда вы его называете, оно продолжается там, где остановилось. Так что возвращается 1 в следующий раз. Тогда 2.

Наконец, он достигает конца цикла и падает с конца функции; сопрограмма закончена. (То, что здесь происходит, зависит от языка, о котором мы говорим; в python это вызывает исключение).

Сопрограммы приносят эту возможность в C ++.

Есть два вида сопрограмм; стека и без стека.

Сопрограмма без стеков хранит только локальные переменные в своем состоянии и месте выполнения.

Стековая сопрограмма хранит весь стек (например, поток).

Стеки-сопрограммы могут быть чрезвычайно легкими. Последнее предложение, которое я прочитал, касалось в основном переписывания вашей функции во что-то вроде лямбды; все локальные переменные переходят в состояние объекта, а метки используются для перехода в / из места, где сопрограмма «выдает» промежуточные результаты.

Процесс создания значения называется «yield», поскольку сопрограммы напоминают кооперативную многопоточность; Вы возвращаете точку исполнения обратно вызывающей стороне.

Boost имеет реализацию стековых сопрограмм; это позволяет вам вызывать функцию для вас. Stackful сопрограммы являются более мощными, но и более дорогими.

---

В сопрограммах есть нечто большее, чем простой генератор. Вы можете ожидать сопрограммы в сопрограмме, которая позволяет вам составлять сопрограммы в полезной манере.

Сопрограммы, такие как if, циклы и вызовы функций, представляют собой еще один вид «структурированного перехода», который позволяет более естественным образом выражать определенные полезные шаблоны (например, конечные автоматы).

---

Конкретная реализация Coroutines в C ++ немного интересна.

На самом базовом уровне он добавляет несколько ключевых слов в C ++: co_return co_await co_yieldвместе с некоторыми типами библиотек, которые работают с ними.

Функция становится сопрограммой, имея одну из них в своем теле. Таким образом, из их объявления они неотличимы от функций.

Когда одно из этих трех ключевых слов используется в теле функции, происходит некоторое стандартное обязательное исследование возвращаемого типа и аргументов, и функция превращается в сопрограмму. Это исследование сообщает компилятору, где хранить состояние функции, когда функция приостановлена.

Самая простая сопрограмма — это генератор:

generator<int> get_integers( int start=0, int step=1 ) {
for (int current=start; current+= step)
co_yield current;
}

co_yield приостанавливает выполнение функций, сохраняет это состояние в generator<int>, затем возвращает значение current сквозь generator<int>,

Вы можете перебрать возвращенные целые числа.

co_await тем временем позволяет вам соединить одну сопрограмму на другую. Если вы находитесь в одной сопрограмме, и вам нужны результаты ожидаемой вещи (часто сопрограммы), прежде чем прогрессировать, вы co_await в теме. Если они готовы, вы продолжите немедленно; если нет, вы приостанавливаете работу, пока ожидающий, на котором вы ожидаете, не будет готов.

std::future<std::expected<std::string>> load_data( std::string resource )
{
auto handle = co_await open_resouce(resource);
while( auto line = co_await read_line(handle)) {
if (std::optional<std::string> r = parse_data_from_line( line ))
co_return *r;
}
co_return std::unexpected( resource_lacks_data(resource) );
}

load_data это сопрограмма, которая генерирует std::future когда названный ресурс открыт, и нам удается проанализировать точку, в которой мы нашли запрошенные данные.

open_resource а также read_lineВероятно, это асинхронные сопрограммы, которые открывают файл и читают из него строки. co_await связывает состояние ожидания и готовности load_data к их прогрессу.

Сопрограммы C ++ гораздо более гибкие, чем эта, поскольку они были реализованы как минимальный набор языковых функций поверх типов пользовательского пространства. Типы пользовательского пространства эффективно определяют, что co_return co_await а также co_yield имею в виду — Я видел, как люди используют его для реализации монадических необязательных выражений, так что co_await для пустого необязательного автоматически распространяет пустое состояние на внешнее необязательное:

modified_optional<int> add( modified_optional<int> a, modified_optional<int> b ) {
return (co_await a) + (co_await b);
}

вместо

std::optional<int> add( std::optional<int> a, std::optional<int> b ) {
if (!a) return std::nullopt;
if (!b) return std::nullopt;
return *a + *b;
}