[译]C++20： 协程一瞥

[guodongxiaren]

原文： http://www.modernescpp.com/index.php/c-20-coroutines-the-first-overview#h6-1-2-c-standard-library-including-c-14-amp-c-17

个别地方翻译的不好，勿怪。

C++20提供了4大特性，刷新了我们对于现代C++编程的认知：概念（concepts)、范围库（the range library）、协程（coroutines）和模块（modules）。关于概念和范围库我已经写了一些博文。现在让我们来看一下协程：

我想用这张图来展开对于协程的深入讨论。

协程是这样一类函数，它能在运行期间挂起和恢复，并且能保存状态。C++中函数的进化步步深入。我在C++20中当成新知识来解读的这一特性其实是非常古老的概念。Melvin Conway发明了术语协程：coroutine。在1963年，在他关于编译器构造的出版物种首先引入了这一概念。Donald Knuth也成过程（procedures）是一种特殊的协程。

在C++20中，新关键字co_await和co_yield给C++的函数扩充了两个新概念。

• 通过co_await表达式，使得挂起和恢复一个表达式的执行过程成为可能。如果你在函数func中使用了co_await表达式，然后执行auto getResult = func() ，即使函数的结果尚不可用，也不会阻塞调用。代替了资源紧张的阻塞，你拥有了一个资源友好的等待。
• co_yield表达式允许你写一个生成器函数（generator function）。生成器函数每次都返回一个新值。生成器函数是一种数据流，可以从任意你想获取值地方的获取值。数据流可以是无限的，随之而来的，我们处在一个惰性计算（lazy evaluation）的时代之中。

在我展示一个生成器函数以彰显普通函数和协程的不同之前，我想先谈一谈函数的进化！

[guodongxiaren]

函数的进化之路

下面的代码样例一步一步地展示着函数的进化之路：

// functionEvolution.cpp

int func1() {
    return 1972;
}

int func2(int arg) {
    return arg;
}

double func2(double arg) {
    return arg;
}

template <typename T>
T func3(T arg) {
    return arg;
}

struct FuncObject4 {
    int operator()() { // (1)
        return 1998;
    }
};

auto func5 = [] {
    return 2011;
};

auto func6 = [] (auto arg){
    return arg;
};

int main() {

    func1();        // 1972

    func2(1998);    // 1998
    func2(1998.0);  // 1998.0
    func3(1998);    // 1998
    func3(1998.0);  // 1998.0
    FuncObject4 func4;
    func4();        // 1998

    func5();        // 2011

    func6(2014);    // 2014
    func6(2014.0);  // 2014

}   

• 伴随着1972年，C语言标准的诞生，我们有了普通函数：fun1。
• 1998年C++的标准使得函数变得更加强大。我们拥有了：
  • 函数重载：fun2。
  • 函数模板：fun3。
  • 函数对象：fun4。之前，它被错误的称为仿函数（functors）由于它是operator()重载的产物。
• C++11给了我们lamda函数：fun5。
• C++14，lambda函数拥有了泛型。

让我们迈向未来，看看特殊的协程：生成器。

[guodongxiaren]

生成器

在传统C++中，我们可以实现一个贪婪的生成器（greedy generator）。

贪婪生成器

下面的代码简单有效。函数getNumbers返回从begin到end的累加整数。begin小于end并且inc是正数。

// greedyGenerator.cpp

#include <iostream>
#include <vector>

std::vector<int> getNumbers(int begin, int end, int inc = 1) {
  
    std::vector<int> numbers;                      // (1)
    for (int i = begin; i < end; i += inc) {
        numbers.push_back(i);
    }
  
    return numbers;
  
}

int main() {

    std::cout << std::endl;

    const auto numbers= getNumbers(-10, 11);
  
    for (auto n: numbers) std::cout << n << " ";
  
    std::cout << "\n\n";

    for (auto n: getNumbers(0, 101, 5)) std::cout << n << " ";

    std::cout << "\n\n";

}

程序的输出符合预期：

当然，我也可以用算法std::iota重新造轮子，这样实现的getNumbers会更好。按下不表。

程序中两次输出是很有必要的。第一行的vector numbers可以得到所有值，尽管我只对这个拥有1000个元素的vector的前5个元素感兴趣。另外将这个函数转型成懒惰生成器十分简单。

懒惰生成器

就这样：

// lazyGenerator.cpp

#include <iostream>
#include <vector>

generator<int> generatorForNumbers(int begin, int inc = 1) {
  
  for (int i = begin;; i += inc) {
    co_yield i;
  }
  
}

int main() {

    std::cout << std::endl;

    const auto numbers= generatorForNumbers(-10);                   // (2)
  
    for (int i= 1; i <= 20; ++i) std::cout << numbers << " ";       // (4)
  
    std::cout << "\n\n";
                                                         
    for (auto n: generatorForNumbers(0, 5)) std::cout << n << " ";  // (3)

    std::cout << "\n\n";

}

greedyGenerator.cpp的函数getNumbers返回了一个vector。lazyGenerator.cpp中的generatorForNumbers返回了一个生成器。
(2)处的numbers 或者(3)处的 generatorForNumbers(0, 5) 在请求时返回一个新数字。基于范围的循环触发了这一查询请求。说的再清晰一点。协程通过co_yield返回值i 并且理解挂断了运行。如果一个新的值被请求，这个协程将继续执行。

(3)处的表达式generatorForNumbers(0, 5) 仅仅是生成器的原地（in-place）用法。我想明确这一点，因为for循环没有终止条件，generatorForNumbers创造了一个无穷无尽的数据流。如果我仅仅想请求有限个数的值（像(4)处那样），那么无限的数据流没什么问题。而(3)处这种写法，表达式将永远运行下去！

[guodongxiaren]

接下来是什么？

我们并没有在C++20中获得完整的协程。但是我们得到了一个可以自己实现协程的框架，你可以假设对于这个话题，我将会有很多内容可以写。

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以上为译文

THE END

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[guodongxiaren]

译者注

std::iota生成器：

#include <iostream>
#include <numeric>
#include <vector>
void iota_test() {
    std::vector<int> foo(10);
    // 将从 0 开始的 10 次递增值赋值给 foo
    std::iota(foo.begin(), foo.end(), 0);
    // 输出 foo 中的内容
    std::copy(foo.begin(),foo.end(), std::ostream_iterator<int>(std::cout, " "));
    std::cout << std::endl;
}
int main() {
    iota_test();
}

输出：

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

iota在头文件numeric中。并且这个不是C++11的，之前就有。