lua 协程和状态

2024-04-03

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协程(协同式多线程)是一种用户级的非抢占式线程。用户级是指它的切换和调度由用户控制，非抢占指一个协程只有在其挂起(yield)或者协程结束才会返回。协程和C线程一样，有自己的堆栈，自己的局部变量，自己的指令指针，并且和其它协程共享全局变量等信息。用户可以实现自己调度协程，这主要得益于yield函数可以自动保存协程当前上下文，这样当挂起的协程被唤醒(resume)时，会从yield处继续向下执行，看起来就像是一个”可以返回多次的函数”。协程还有一个强大的功能就是可通过resume/yield来交换数据，这样使得它可以用于异步回调：当执行异步代码时，切换协程，执行完成后，再切换回来(附带异步执行结果)。由于切换都是用户控制的，在同一时刻只有一个协同程序在运行(这也是和传统线程最大的区别之一)，因此无需考虑同步和加锁的问题。

Lua协程的相关函数封装在coroutine中，对应的 C API为lua_newthread，lua_resume等。Lua文档中的thread和coroutine是一个概念，但与操作系统的线程是两个东西。

C API通过lua_State维护一个协程的状态(以及Lua虚拟机状态的引用)，协程的状态主要指协程上下文(如交互栈)，Lua虚拟机状态是全局的，可被多个协程共享。以下描述摘自Lua5.3官方文档：

An opaque structure that points to a thread and indirectly (through the thread) to the whole state of a Lua interpreter. The Lua library is fully reentrant: it has no global variables. All information about a state is accessible through this structure.

A pointer to this structure must be passed as the first argument to every function in the library, except to lua_newstate, which creates a Lua state from scratch.

当调用lua_newstate时，实际上分为两步，1. 创建并初始化一个Lua虚拟机；2.创建一个主线程运行于虚拟机中。调用lua_newthread时，将在已有Lua虚拟机上，创建另一个协程执行环境，该协程与已有协程共享虚拟机状态。这两个函数返回不同的lua_State，但却共享同一个虚拟机状态，因此将lua_State理解为协程执行上下文可能更合适，lua_State本身也是一个类型为thread的GCObject，无需手动释放(Lua也没有提供对应close或destroy接口)。

两个例子

pil上关于协程有两个很好的例子。

在生产者消费者例子中，当消费者需要生产者的数据时(相当于一个异步回调)，切换到生产者协程(resume)，生产者开始运行，生产完成后，挂起自己(yield)并且传入生产的数据。此时调度回到消费者协程中，消费者从resume的返回值中得到数据，使用数据，在需要数据时再次唤醒生产者。这样我们像写同步代码一样(resume相当于函数调用，yield相当于函数返回)，完成了异步功能。而无需考虑传统生产者和消费者模型中的同步问题，因为执行顺序都由我们严格控制的。代码如下：

pfun = function()
	while true do
		local value = io.read()
		print("生产: ", value)
		coroutine.yield(value)
	end
end

cfun = function(p)
	while true do
		local _, value = coroutine.resume(p)
		print("消费: ", value)
	end
end

p = coroutine.create(pfun)
cfun(p)

还有个例子是关于模拟多线程下载文件的，每个协程下载一个文件，由我们控制各个协程的调度，当某个协程暂时没有数据可读时(异步读取)，挂起(yield)自己，返回到调度器，开始调度(resume)下一个协程。这样总是能保证将时间片分给读取数据的协程上，而不是等待数据的协程上。当所有协程都没有数据可读时，分配器将进入忙查询，这样会空转CPU，可以通过select函数来优化，在所有协程都没有数据时，让出CPU。最终代码如下：

socket = require "socket"

-- 下载文件 在超时时挂起(返回: 连接c) 在接收完成时结束协程(返回: nil)
function download(host, file)
	local c = assert(socket.connect(host, 80))
	local count = 0
	c:send("GET ".. file .. " HTTP/1.0rnrn")
	while true do
		local s, status = receive(c)	
		if status == "closed" then break end
		if s then 
			count = count + string.len(s) 
			break 
		end 
	end
	c:close()
	print("-- download ", file, " completed. file size: ", count)
end

function receive(conn)
	conn:settimeout(0)
	local s, status = conn:receive("*a")
	if status == "timeout" then
		coroutine.yield(conn)
	end
	return s, status
end

-- 保存所有协程
local threads = {}
-- 创建一个协程 对应下载一个文件
function get(host, file)
	local co = coroutine.create(function() 
		download(host, file)
	end)

	table.insert(threads, co)
end

-- 调度线程
function dispatcher()
	while true do
		local conns = {}
		local n = #threads
		if n == 0 then break end
		for i = 1,n do
			local status, c = coroutine.resume(threads[i])
			if not c then -- 接收数据完成 即download 函数正常返回
				table.remove(threads, i) -- 移除协程
				break -- 重新遍历
			else
				table.insert(conns, c)
			end
		end
		if #conns == n then
			socket.select(conns)
		end
	end
end

get("www.baidu.com", "/index.html")
get("wudaijun.com", "/2014/12/shared_ptr-reference/")
get("wudaijun.com", "/2014/11/cpp-constructor/")

local start = os.time()
dispatcher()
local cost = os.time()-start
print("-- cost time: ", cost)

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