Code Like Sync, Works Like Async

小编推荐: 异步编程是开发者绕不开的问题，在嵌入式场景更具其独特性，本文希望能在“用户态Scheduler”与“标签语法糖”两个角度给出一些思考，期待收获读者的探讨和共鸣。



前言.

打从敲下"Hello World!"，咱们算入行了。我开始写代码，和用计算器差不多：

• 输入：1 + 1

• 结果：2

• ...

代码一路顺着走，不开叉。 



生涯第1个波折，是学到条件判断，像这样：

• a = 1，b =  1

• if a + b = 2    print "这都知道？"else    print "答对了"

代码开始有不同走向，有点绕，还能驾驭。

再后来就遇到人生大哉问：妈和媳妇一起掉河里，你救谁？

翻译一下，如何同时运行代码A和代码B（并行）？

为一起救，我学过各种泳姿：

• 开始用 “定时器/软中断”挺好，不过随着媳妇数（代码块）的增多，猝！

• 后来折腾“事件驱动/状态机”，就活在连跳/回调地狱里，最终为个delay而累猝！

• 最后“多线程”还行......还活着。

焦头烂额，终于hold住。

可人生问题哪止这些，后来更大问题是3字：“没钱”

“多线程”虽好，太费钱（资源消耗大）、太折腾（竞争成本高），很多场景受限：

• 浏览器：没有多线程

• 嵌入式MCU：实时性要求高、RAM受限，甚至没有RTOS

• 大链接数server：微信后台

• 游戏：魔兽世界

吐血。

小品文已过，咱们言归正传。



1.

近些年，很多编程语言都修订标准，新增2个关键字async/await：

• 直接包含：C#/JavaScript/Rust/Dart

• 其它语言(golang/erlang/lua...)没直接包含，也提供类似机制 ，比如Go goroutine

所有目的，都是为更好的支持异步编程，不约而同的加强Coroutine。

Coroutine(协程)是老东西（比UNIX都早），近些年的广泛使用有其背景：

• 大量线程用不起（服务器或嵌入式），或者没有线程（浏览器或MCU裸机）

• 然而，异步需求在，开源库API设计成异步IO渐变主流

• 可异步代码太难搞，程序一膨胀，不是回调地狱就是全程乱跳。。。

• 由此不约而同想：代码能不能写起来像同步，跑起来像异步？

• 做梦之余一看，这不是就是Coroutine吗？好好，不止第三方库，要语言层支持，加promise，再加async/await

嗯，这段像瞎掰，实际是典型JavaScript开发者心态，其它也类似。

远的不说，做嵌入式开发，也常被异步IO编程（基于中断/消息/事件）搞得焦头烂额，我也想要“Code like sync, works like async”。

可C/C++如何做Coroutine呢？



2.

▌方案1：

基于用户态Scheduler（微信后台方案）

Coroutine是简单的东西，第一反应就是拿用户态Scheduler实现。

即任务切换时，完成真实的换栈：





• 所有Coroutines共享1个CPU线程，相互无抢占（协作式，竞争成本低）

• Coroutine更轻，尽管Linux中单线程只需约4KB(1页)，然而1个Coroutine只0.1KB

• Coroutine切换快(约100T)，在多数平台上消耗时间在纳秒级/微秒级

对大量链接的服务器后台，上述优势明显。可以参见腾讯开源协程库: libco。

这是对调用者干净的实现，编程没有限制，PC端主流协程库都如此实现:

libco(微信)/Boost.Context(C++准标准)/libaco/coroutine



换栈的手段也不局限汇编，有系统库或第三方:

• posix中context/Windows中fiber/C标准中setjump等。

尽管如此，可对嵌入式编程意义很小：

RTOS中Task实现类似，内存消耗/切换成本已经很低

RTOS中Task亦可配置成协作式（非抢占）

每种CPU都需要移植，等价于再实现Scheduler，意义不大



▌方案2：

基于标签语法糖(switch或goto扩展)

这是借用预编译宏和标签，大玩语法游戏的套路。

目前所有类似实现(如Protothread)，都基于Simon Tatham的文章，这里简要1种核心：





把上述switch/case手段用宏crBegin/crFinish/crReturn包装下，下面两段带while(1)的死循环代码，就可以在1个线程中并发执行：





这是Coroutine实现的最轻方式，优点：

• 完全标准C实现，跨平台

• 每个Coroutine只需要额外1字节 - 2字节内存

• Task切换无成本

不过，不知道大家发没发现，局部变量该怎么办？

没有换栈，无法用局部变量，必须static静态化。由此，这种方式受限明显：

• 如果用static变量，会导致函数无法重入

• 如果不用static，就必须传参类似ctx参数来代替局部变量

看的出来，让调用者有些难受。

由此，Contiki OS又对上述方法改良并包装，并用这种机制实现整个操作系统的多任务。

它的代码值得一读，除了这部分，其它模块(uIP/GUI/Timer/Mem)都很漂亮。



3.

大家看的出来，嵌入式系统上1和2还不够完美，有没有更好的方案？希望：只用C99实现，完全跨平台/跨架构内存消耗要远小于线程，额外消耗在几个字节内可以使用局部变量(至少表面上)对调用者友好，类似其它语言async/await的方式显然需要新方案。这里卖个关子，感兴趣的朋友可以留言讨论，请持续关注我们公众号哦～