从本篇开始，打算开启一个系列，专门介绍C语言环境下各种协程系统的实现机制，算是对前阶段工作的一个系统总结吧！ 目前的计划是根据实现机制的不同，分成两到三篇来介绍，具体的案例主要以 Go 和 Cilkplus 这两门语言的运行时环境为主，同时结合其他一些个人觉得比较有新意的小型开源系统。 另外，最近陆陆续续分析了很多开源并发系统的代码，希望也能抽时间好好总结一下。

什么是“协程”？

“协程”（“coroutine”），有时也叫做“用户线程”、“纤程” （“fiber”）等，是一种轻量级用户执行线索，其特点是调度和切换都发生在用户态，无需内核干预，因此切换代价较小，特别适合实现一些高并发类的系统应用 —— 比如 Web 服务器 —— 每个链接的服务历程都可以用“协程”来实现，当某个链接遇到I/O阻塞时，可以快速切换到其他执行线索，从而大大提高了系统整体的吞吐率。

由于系统的调度器和执行线索都处于“用户态”，调度器通常无法中断某个运行中的“协程”，因此通常来说，“协程”的调度器往往采用“协作调度”策略 —— 即执行中的“协程” 需要显式调用类似yeild 这样的方法来让出处理器资源，以便其他任务执行。 这也就是“协程”得名的原因。

当然，对于一些语言，比如 Erlang，由于采用基于指令虚拟机的实现方式，调度器通常实现在虚拟机层，仍然能够控制用户级任务的执行，因此 Erlang 的轻量进程是采用“分时调度”的。但我们这里仅讨论一般意义上的“协程”，且主要基于C语言的实现，所以仍以“协作调度”为主。

类似系统

一种类似的方案是采用“异步+回调”的方式，比如libevent，node.js之类框架，其本质是将用户任务的粒度降低到以函数为单位，系统后台启动多个工作线程，通过“事件驱动”的方式异步的从任务队列中取出并执行这些回调函数。

这类方案的底层系统实现起来相对比较简单，理论上也非常高效，但要求用户程序以异步方式编写，给用户程序开发、代码维护、调试等带来了一些问题。 而基于“协程”的系统，所有用户任务都是“同步”的，也就是完全按照实际执行时序编程，降低了用户程序开发、调试、维护的开销。

基于C语言的实现模型

早期的构建在C语言之上“协程”库往往仅包含一个执行的OS线程，多个用户任务都在该线程上分时执行，是一种 “N:1” 的映射模式。 典型的例子是libtask。由于调度器实际上是串行执行的，无需考虑复杂的线程同步问题，所以实现起来就比较简单。

近年来，随着多核乃至众核处理器的大规模出现和普及，使得原来基于 “N:1” 的模型无法满足系统的可扩展性需求。 因此业界提出了很多基于多核架构的协程系统方案，即所谓 “M:N” 模型 —— 多个“协程”可以映射到多个OS线程执行，也就是说在多核平台上，不同的“协程”能实现真正意义上的“并行”执行。

本质上来说，Google开发的Go语言和Intel主导开发的Cilkplus语言都是 “M:N” 的代表——虽然它们表面上都是新的语言，但调度器核心，即运行时环境（runtime）都是基于C（及部分C++）语言的。 所以，这两个runtime系统将作为“构建C协程”这个系列里，重点关注的对象。

实现方式分类

总结起来，用C语言实现协程的主要方案包括三类：

1. 利用标准C提供的setjmp/long_jmp机制，比如libconcurrency，以及前面讲的Cilkplus的运行时环境均属此类。这种方式的优点是可移植性好，理论上只要平台提供C标准库就可以移植，并且“协程”切换效率相对比较高。但同时，对其流程把握通常比较困难，也很难为每个协程实现独立的运行栈。

2. 利用GNU C库提供的ucontext机制；或者使用Windows平台提供的Fiber机制。这种方式的优点是流程清晰，编程思路简单；但是可移植性和切换效率欠佳。

3. 利用C的switch/goto等语句的巧妙组合，可以用少量的代码实现简单的协程支持，比如Protothreads项目，其实现非常简单，号称“蝇量级”。但可扩展性不好，不适合移植到多核等复杂系统，因此就不在本系列中详述了，感兴趣者请参考 “Protothreads” 代码及相关分析。

在后续的文章中，我会针对前两种实现进行分析，主要的参考是采用“setjmp/long_jmp”实现的 Cilkplus 运行时库 libcilkrts（Linux版），以及采用“ucontext”实现的 GCC Go 前端运行时库 libgo 。 敬请关注！