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C ++ 20のCoroutines。パート1

前書き



この記事は、RainerGrimmの著書Concurrencywith Modern C ++の章を翻訳したものです。これは、彼のWebサイトにある記事のより洗練された広範なバージョンです。翻訳全体がこの記事の枠組みに収まらないので、出版物への反応に応じて、残りを投稿します。



コルティン



コルーチンは、状態を維持しながら実行を一時停止または再開できる関数です。C ++の機能の進化は一歩前進しました。コルティン含める可能性が最も高い C ++ 20を入力しました。



C ++ 20で新しいものとして導入されたcoroutinesのアイデアはかなり古いものです。コルーチンの概念を提案したメルヴィン・コンウェイ。彼は1963年のコンパイラー設計の出版物でこの概念を使用しました。DonaldKnuthは、プロシージャをコロチンの特殊なケースと呼びました。これやあのアイデアが受け入れられるまでに時間がかかることがあります。



新しいキーワードco_awaitとco_yieldC ++ 20により、C ++での関数実行の概念が2つの新しい概念で拡張されます。



そのおかげでco_await expression、実行を一時停止して再開することが可能になりますexpression。co_await expression関数で使用する場合、指定された関数の結果が利用できない場合、func呼び出しはauto getResult = func()ブロックされません。リソースを消費するブロッキングの代わりに、リソースに優しい待機が実行されます。



co_yield expressionジェネレーター関数を実装できます。ジェネレータは、後続の呼び出しごとに新しい値を返す関数です。ジェネレーター機能は、値を取得できるデータストリームに似ています。データストリームは無限になります。したがって、これらの概念は、C ++での遅延評価の基本です。



ジェネレーター機能



. getNumbers begin end inc. begin end, inc .



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

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


, getNumbers , std::iota C++11.



, :



$ ./greedyGenerator
-10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100


. -, numbers (. (1) ) . 5 1000 . -, getNumbers .



// lazyGenerator.cpp
#include <iostream>
#include <vector>

generator<int> generatorForNumbers(int begin, int inc = 1) {
    for (int i = begin; ; i += inc) { // (4)
        co_yield i; // (3)
    }
}

int main() {
    const auto numbers = generatorForNumbers(-10); // (1)
    for (int i = 1; i <= 20; ++i) { // (5)
        std::cout << numbers << " ";
    }
    std::cout << "\n";

    for (auto n : generatorForNumbers(0, 5)) { // (2)
        std::cout << n << " ";
    }
    std::cout << "\n";
}


: , .. . .

, getNumbers greedyGenerator.cpp std::vector<int>, generatorForNumbers lazyGenerator.cpp generator. numbers (1) generatorForNumbers(0, 5) (2) . Range-based for . , i co_yield i (. (3)) . , .



generatorForNumbers(0, 5) (. (2)) (just-in-place usage).



. generatorForNumbers , for (4) . , .., , (5) . , , (2) .







- . - , , , . , , . , .





C++20 , (first-class) (stackless).

. , .

. , .

. . (resumable functions).





.

:



  • ( ).
  • , .
  • .
  • c , , , , .
  • .


, . , - 1MB Windows 2MB Linux.







  • co_return
  • co_await
  • co_yield
  • co_await expression range-based for




return . (auto), ().



, constexpr , , main .

proposal N4628.



co_return, co_yield co_await



co_return .



co_yield . generator<int> generatorForNumbers(int begin, int inc = 1) generator<int> promise p , co_yield i co_await p.yield_value(i).co_yield i . .

co_await , . exp co_await exp , , ( awaitables). exp , : await_ready, await_suspend await_resume.

C++20 2 awaitables: std::suspend_always std::suspend_never.

std::suspend_always



struct suspend_always {
    constexpr bool await_ready() const noexcept { return false; }
    constexpr void await_suspend(coroutine_handle<>) const noexcept {}
    constexpr void await_resume() const noexcept {}
};


, awaitable std::suspend_always , await_ready false. std::suspend_never.

std::suspend_never



struct suspend_never {
    constexpr bool await_ready() const noexcept { return true; }
    constexpr void await_suspend(coroutine_handle<>) const noexcept {}
    constexpr void await_resume() const noexcept {}
};


co_await . 



Acceptor acceptor{443};
while (true) {
    Socket socket = acceptor.accept();          // blocking
    auto request = socket.read();               // blocking
    auto response = handleRequest(request);
    socket.write(response);                     // blocking
}


. 443 , , . .

co_await . 



Acceptor acceptor{443};
while (true) {
    Socket socket = co_await acceptor.accept();
    auto request = co_await socket.read();
    auto response = handleRequest(request);
    co_await socket.write(response);
}




20 , . .

: promise , handle frame .

Promise .

Handle handle frame .

Frame , . promise , , (suspention point), , , .

:



  1. .
  2. frame .


workflow



co_return co_yield co_await . 



{
    Promise promise;
    co_await promise.initial_suspend();
    try {
        < >
    } catch (...) {
        promise.unhandled_exception();
    }
FinalSuspend:
    co_await promise.final_suspend();
}


Workflow :





    • frame .
    • frame .
    • promise promise.
    • promise.get_return_object() handle . .
    • promise.initial_suspend() co_await . promise suspend_never suspend_always .
    • co_await promise.initial_suspend()


    • promise.get_return_object()
  • co_return

    • promise.return_void() co_return co_return expression, expression void
    • がpromise.return_value(expression)必要co_return expressionです。expressionは以外のタイプですvoid
    • 作成された変数のスタック全体を削除します
    • 呼び出されpromise.final_suspend()、期待されるco_await結果
  • コルチンは破壊されます（完了co_return、未処理の例外、またはコルチンハンドルを介して）

    • promiseオブジェクトのデストラクタが呼び出されます
    • 関数パラメータのデストラクタが呼び出されます
    • 日常のフレームで使用されているメモリを解放します
    • 実行を呼び出し元に渡す


未処理の例外でコルーチンが終了すると、次のようになります。



  • 例外がpromise.unhandled_exception()キャッチされ、catchブロックから呼び出されます
  • 呼び出されpromise.final_suspend()、期待されるco_await結果


パート2



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