协程实现的基础与方式

系统管理员 2022-08-09 00:46 182阅读 0赞

**协程实现的基础与方式**

**协程实现的基础**

**1.  寄存器%ebp和%esp**

**     ** 一直对寄存器ESP和EBP的概念总是有些混淆，查看定义 ESP 是栈顶指针， EBP 是存取堆栈指针。还是不能很透彻理解。之后借于一段汇编代码，总算是对两者有个比较清晰的理解。

下面是按调用约定\_\_stdcall 调用函数test(int p1,int p2)的汇编代码

假设执行函数前堆栈指针ESP为NN

push   p2    ;参数2入栈, ESP -= 4h , ESP = NN - 4h

push   p1    ;参数1入栈, ESP -= 4h , ESP = NN - 8h

call test    ;压入返回地址 ESP -= 4h, ESP = NN - 0Ch

;//进入函数内

push   ebp                           ;保护先前EBP指针， EBP入栈， ESP-=4h, ESP = NN - 10h

mov    ebp, esp                   ;设置EBP指针指向栈顶 NN-10h

mov    eax, dword ptr  \[ebp+0ch\]  ;ebp+0ch为NN-4h,即参数2的位置

mov    ebx, dword ptr  \[ebp+08h\]  ;ebp+08h为NN-8h,即参数1的位置

sub    esp, 8                        ;局部变量所占空间ESP-=8, ESP = NN-18h

...

add    esp, 8                       ;释放局部变量, ESP+=8, ESP = NN-10h

pop    ebp                           ;出栈,恢复EBP, ESP+=4, ESP = NN-0Ch

ret    8                                 ;ret返回,弹出返回地址,ESP+=4, ESP=NN-08h, 后面加操作数8为平衡堆栈,ESP+=8,ESP=NN, 恢复进入函数前的堆栈.

原来ESP就是一直指向栈顶的指针,而EBP只是存取某时刻的栈顶指针,以方便对栈的操作,如获取函数参数、局部变量等。

**2.  协程实现的基础**

协程可以认为是一种用户态的线程，与系统提供的线程不同点是，它需要主动让出CPU时间，而不是由系统进行调度，即控制权在程序员手上。

既然看成是用户态线程，那必然要求程序员自己进行各个协程的调度，这样就必须提供一种机制供编写协程的人将当前协程挂起，即保存协程运行场景的一些数据，调度器在其他协程挂起时再将此协程运行场景的数据恢复，以便继续运行。这里我们将协程运行场景的数据称为上下文。

在linux里，有getcontext和swapcontext等接口来获取当前的上下文数据和切换上下文。那如果没有提供相应的接口，又该如何来实现呢？

其实说到底，保存下上文数据，不外乎就是保存下当前运行的栈空间的数据，还有cpu各个寄存器相应的值。只要我们能够将其保存下来，在特定的时刻恢复回去就可以了。

有人用c提供的接口setjmp和longjmp来实现协程的切换和恢复，但这里要介绍另外一种方式，即用汇编来保存/恢复cpu寄存器的值。

用汇编的方式依赖于特定的平台，这里举例的是i386 32位的\*nix平台。

在开始贴代码前，要先说一个概念–栈帧。

ia32程序用程序栈来支持过程调用。机器用栈来传递过程参数、存储返回信息、保存寄存器用于以后恢复，以及本地存储。为单个过程分配的那部分栈称为栈帧。栈帧的最顶端以两个指针界定，寄存器%ebp为帧指针，而寄存器%esp为栈指针。当程序执行时，栈指针可以移动，因此大多数信息的访问都是相对于帧指针的。

这里我们可以看到，在调用一个函数前，都会先将各个参数、调用者在被调用函数返回时执行的下一条指令的地址–返回地址压栈，被调用函数在开始前会将%ebp的值保存，然后将当前%esp的值赋予%ebp。弄明白帧指针和栈指针的作用，以及返回地址等如何通过%ebp来获取的话，对下面保存当前上下文的汇编代码理解比较有帮助。

struct mcontext {
    /*
    * The first 20 fields must match the definition of
    * sigcontext. So that we can support sigcontext
    * and ucontext_t at the same time.
    */
    int mc_onstack; /* XXX - sigcontext compat. */
    int mc_gs;
    int mc_fs;
    int mc_es;
    int mc_ds;
    int mc_edi;
    int mc_esi;
    int mc_ebp;
    int mc_isp;
    int mc_ebx;
    int mc_edx;
    int mc_ecx;
    int mc_eax;
    int mc_trapno;
    int mc_err;
    int mc_eip;
    int mc_cs;
    int mc_eflags;
    int mc_esp; /* machine state */
    int mc_ss;
     
    int mc_fpregs[28]; /* env87 + fpacc87 + u_long */
    int __spare__[17];
    };
     
    struct ucontext {
    /*
    * Keep the order of the first two fields. Also,
    * keep them the first two fields in the structure.
    * This way we can have a union with struct
    * sigcontext and ucontext_t. This allows us to
    * support them both at the same time.
    * note: the union is not defined, though.
    */
    sigset_t uc_sigmask;
    mcontext_t uc_mcontext;
     
    struct __ucontext *uc_link;
    stack_t uc_stack;
    int __spare__[8];
    };

ucontext结构体主要关心的为uc\_mcontext和uc\_stack这两个成员，其中uc\_stack指向一段内存，这段内存做为协程的运行栈；而uc\_context为mcontext类型，各个成员保存着CPU同名的寄存器值。

**int**getmcontext(mcontext\_t\*);*/\*保存当前上下文的声明\*/*

/*保存当前上下文的汇编实现*/
    .globl GET
    GET:
    movl 4(%esp), %eax
     
    movl %fs, 8(%eax)
    movl %es, 12(%eax)
    movl %ds, 16(%eax)
    movl %ss, 76(%eax)
    movl %edi, 20(%eax)
    movl %esi, 24(%eax)
    movl %ebp, 28(%eax)
    movl %ebx, 36(%eax)
    movl %edx, 40(%eax)
    movl %ecx, 44(%eax)
     
    movl $1, 48(%eax) /* %eax */
    movl (%esp), %ecx /* %eip */
    movl %ecx, 60(%eax)
    leal 4(%esp), %ecx /* %esp */
    movl %ecx, 72(%eax)
     
    movl 44(%eax), %ecx /* restore %ecx */
    movl $0, %eax
    ret

上述分别是保存上下文的C接口声明和汇编实现。根据第4行汇编代码可以看出，GET函数所需要的参数值被保存到%eax，之所以根据4(%esp)来寻址，是因为这时候栈指针指向的是保存返回地址的内存地址。接着将各个寄存器的值保存到参数值指向的mcontext结构体，结合下struct mcontext以及代码里的移位看就可以了，这里就不多说了。唯一比较难理解的可能就是%eip寄存器值的获取了。由于这时候要保存的是调用GET函数的过程的上下文，这时候%eip寄存器保存的并不是调用GET函数过程的下一条指令的值，GET函数栈帧的返回地址才是调用GET函数过程返回后应该往下执行的下一条指令，因此可以看到上面汇编代码18行是将栈指针指向内存保存的值做为%eip的值保存起来。

.globl SET
    SET:
    movl 4(%esp), %eax
     
    movl 8(%eax), %fs
    movl 12(%eax), %es
    movl 16(%eax), %ds
    movl 76(%eax), %ss
    movl 20(%eax), %edi
    movl 24(%eax), %esi
    movl 28(%eax), %ebp
    movl 36(%eax), %ebx
    movl 40(%eax), %edx
    movl 44(%eax), %ecx
     
    movl 72(%eax), %esp
    pushl 60(%eax) /* new %eip */
    movl 48(%eax), %eax
    ret

至于恢复上下文的SET函数，要说的就是它是如何来改变%eip寄存器的值。根据上面第17行的汇编代码，它只是将新的%eip的值压栈而已，并不是直接赋予ip寄存器。我们这里再看一下当执行到ret后会怎么样。ret可以等效于这句指令–pop %eip。当SET函数返回后即将刚刚压栈的新的%eip的值恢复到ip寄存器当中去了。

使用汇编实现的GET和SET函数，实际上就可以进行上下文的保存和恢复了。但是要实现协程这还不够，协程跟线程一样，都是提供一个函数做为入口，那我们还需要为协程构建好调用其函数入口的准备，即参数压栈，栈指针的指向，还有返回地址的保存等。

void
    makecontext(ucontext_t *ucp, void (*func)(void), int argc, ...)
    {
      int *sp;
     
      sp = (int*)ucp->uc_stack.ss_sp+ucp->uc_stack.ss_size/4;
      sp -= argc;
      sp = (void*)((uintptr_t)sp - (uintptr_t)sp%16); /* 16-align for OS X */
      memmove(sp, &argc+1, argc*sizeof(int));
     
      *--sp = 0;    /* return address */
      ucp->uc_mcontext.mc_eip = (long)func;
      ucp->uc_mcontext.mc_esp = (int)sp;
    }

第6到第9行实现了用户指定参数的入栈，第11行将返回地址指定为0.实际上linux实现的makecontext接口会根据ucontext结构体uc\_link指向的值来进行设定，可以让其返回到另外一个协程继续执行。

12、13行分别设定了ip寄存器和栈指针的值，这就指定了协程开始运行的指令地址和所使用的栈空间。

makecontext函数的调用往往会伴随着SET函数的调用，由于makecontext已经指定好用户传进来的函数入口地址和栈空间的起始地址了，而SET函数返回后就会开始执行用户指定的函数了，协程开始了。

注：上述引用代码均来自于开源项目[libtask][]。

**协程实现的方式**

c/c++不直接支持协程语义，但有不少开源的协程库，如：  
Protothreads：一个“蝇量级” C 语言协程库  
libco:来自腾讯的开源协程库libco介绍，官网  
coroutine:云风的一个C语言同步协程库,详细信息  
  
目前看到大概有四种实现协程的方式：  
  
第一种：利用glibc 的 ucontext组件(云风的库)  
第二种：使用汇编代码来切换上下文(实现c协程)  
第三种：利用C语言语法switch-case的奇淫技巧来实现（Protothreads)  
第四种：利用了 C 语言的 setjmp 和 longjmp（ 一种协程的 C/C++ 实现,要求函数里面使用 static local 的变量来保存协程内部的数据

[libtask]: http://swtch.com/libtask/