协程框架NtyCo的实现

一、为什么需要协程？

讨论协程之前，我们需要先了解同步和异步。以epoll多路复用器为例子，其主循环框架如下：

while (1){
    int nready = epoll_wait(epfd, events, EVENT_SIZE, -1);

    int i=0;
    for (i=0; i<nready; i++){

        int sockfd = events[i].data.fd;
        if (sockfd == listenfd){

            int connfd = accept(listenfd, addr, &addr_len);
            
            setnonblock(connfd); //置为非阻塞

            ev.events = EPOLLIN | EPOLLET;
            ev.data.fd = connfd;
            epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD,connfd,&ev);
        }else{
            handel(sockfd); //进行读写操作
        }
    }

}

在通过 accept 建立服务端与客户端的连接之后，需要行读写操作，也就是 handel 函数。根据同步和异步，有两种不同的处理方式。

同步的处理方式
在这里插入图片描述
异步的处理方式

可见，同步和异步主要区别在于对于 handle 函数的处理。同步在需要等待 handle 函数处理完成，主循环才能继续执行，阻塞了 epoll_wait。而异步是单独为 handle 函数创建一个线程异步处理，主循环不需要等待 handle 函数。

但是问题在于线程的创建、销毁，十分消耗资源。面对来自客户端的数百万连接，每一条都创建线程，很容易把服务器干崩溃。

因此就有了协程，在一个线程里面创建多个协程，共享一个线程的资源，但又能异步（看起来）处理事务。

二、协程的实现原理

前面说到，协程能异步处理事务，这只是看起来而已。协程的异步处理在于对CPU的调度，即需要的时候切入获取CPU操作权，不需要的时候让出CPU操作权。
在这里插入图片描述
这边涉及到以下几个问题：
1、切换的时候怎么做到跟切换前一致？
2、有协程1、协程2、协程3，……，怎么决定由那个协程执行？

首先第一个问题，就是协程切换前后需要进行上下文切换。有汇编、ucontext、longjmp / setjmp。当然，汇编效果最快。

其次第二个问题，协程是一种用户态的轻量级线程，协程的调度完全由用户控制。也就是说，由我们自定义的调度器管理。
在讲调度规则之前，我们需要先了解一下协程创建后会有哪些状态：
1、新创建的协程，创建完成后，加入到就绪集合，等待调度器的调度；
2、协程在运行完成后，进行 IO 操作，此时 IO 并未准备好，进入等待状态集合；
3、IO 准备就绪，协程开始运行，后续进行 sleep 操作，此时进入到睡眠状态集合。

就绪：都准备好了，就等着执行。就绪(ready)集合并不没有设置优先级的选型，所有在协程优先级一致，所以可以使用队列来存储就绪的协程，简称为就绪队列

等待：没准备好，比如IO操作的recv，信息还没来，recv就还没准备好。等待(wait)集合，其功能是在等待 IO 准备就绪，等待 IO 也是有时长的，所以等待(wait)集合采用红黑树的来存储，简称等待树(wait_tree)

睡眠：指协程主动挂起，等待某个时间后再恢复执行。比如等待IO我们可以设置一个时间，时间内还是没触发，那就算过期超时了。睡眠(sleep)集合需要按照睡眠时长进行排序，采用红黑树来存储，简称睡眠树(sleep_tree)红黑树在工程实用为<key, value>, key 为睡眠时长，value 为对应的协程结点。

因此，基于以上，协程如何被调度？有两种
1、生产者消费者模式
在这里插入图片描述

while (1) {
	//遍历睡眠集合，将满足条件的加入到 ready
	nty_coroutine *expired = NULL;
	while ((expired = sleep_tree_expired(sched)) != ) {
		TAILQ_ADD(&sched->ready, expired);
	}
	//遍历等待集合，将满足添加的加入到 ready
	nty_coroutine *wait = NULL;
	int nready = epoll_wait(sched->epfd, events, EVENT_MAX, 1);
	for (i = 0;i < nready;i ++) {
		wait = wait_tree_search(events[i].data.fd);
		TAILQ_ADD(&sched->ready, wait);
	}
	// 使用 resume 回复 ready 的协程运行权
	while (!TAILQ_EMPTY(&sched->ready)) {
		nty_coroutine *ready = TAILQ_POP(sched->ready);
		resume(ready);
	}
}

2、多状态运行
在这里插入图片描述

while (1) {
	//遍历睡眠集合，使用 resume 恢复 expired 的协程运行权
	nty_coroutine *expired = NULL;
	while ((expired = sleep_tree_expired(sched)) != ) {
		resume(expired);
	}
	//遍历等待集合，使用 resume 恢复 wait 的协程运行权
	nty_coroutine *wait = NULL;
	int nready = epoll_wait(sched->epfd, events, EVENT_MAX, 1);
	for (i = 0;i < nready;i ++) {
		wait = wait_tree_search(events[i].data.fd);
		resume(wait);
	}
	// 使用 resume 恢复 ready 的协程运行权
	while (!TAILQ_EMPTY(sched->ready)) {
		nty_coroutine *ready = TAILQ_POP(sched->ready);
		resume(ready);
	}
}

三、NtyCo 的接口

在这里插入图片描述
大致介绍一下协程工作的流程：
1、为accept事件创建一个协程co1，并注册监听事件到co1的epoll，加入等待队列，然后yield，让出CPU控制权
2、为recv事件创建一个协程co2，并注册监听事件到co2的epoll，加入等待队列，然后yield，让出CPU控制权
3、为send事件创建一个协程co3，并注册监听事件到co3的epoll，加入等待队列，然后yield，让出CPU控制权
（以上设置默认睡眠时间，同步加入睡眠队列）
（调度器接手）
4、遍历睡眠集合，使用 resume 恢复过期协程 expired 的协程运行权
5、遍历就绪集合，使用 resume 恢复 ready 的协程运行权
6、遍历等待集合，使用 resume 恢复 wait 的协程运行权