背景
昨天朋友圈被一篇文章（以下簡稱“coobjc介紹文章”）刷屏了：剛剛，阿里開源 iOS 協程開發框架 coobjc！。可能大部分iOS開發者都直接懵逼了：
- 什麼是協程？
- 協程的作用是什麼？
- 為什麼要使用它？
因此筆者想給大家普及普及協程的知識，執行一下coobjc的Example，順便分析一下coobjc原始碼。
分析
協程的維基百科在這裡：協程。引用裡面的解釋如下：
協程是計算機程式的一類元件，推廣了非搶先多工的子程式，允許執行被掛起與被恢復。相對子例程而言，協程更為一般和靈活，但在實踐中使用沒有子例程那樣廣泛。協程源自Simula和Modula-2語言，但也有其他語言支援。協程更適合於用來實現彼此熟悉的程式元件，如合作式多工、異常處理、事件迴圈、迭代器、無限列表和管道。 根據高德納的說法, 馬爾文·康威於1958年發明了術語coroutine並用於構建彙編程式。
對，還是一知半解。但最起碼我們瞭解到
- 協程的英文是“coroutine”，因此我們能理解阿里的庫起名為
coobjc的含義。那麼這個詞又是怎麼來的呢？筆者再深挖一下，協程(coroutine)顧名思義就是“協作的例程”（co-operative routines）。 - 協程是和程式或者執行緒有一定關係的
- 協程的歷史還是比較悠久的，只是
Objective-C不支援。筆者經過查閱，發現很多現代語言都支援協程。比如Python以及swift，甚至C語言也是支援協程的。
協程的作用其實在coobjc介紹文章中有提及，是為了優化iOS中的非同步操作。解決了如下問題：
- "巢狀地獄"
- 錯誤處理複雜和冗長
- 容易忘記呼叫 completion handler
- 條件執行變得很困難
- 從互相獨立的呼叫中組合返回結果變得極其困難
- 在錯誤的執行緒中繼續執行
- 難以定位原因的多執行緒崩潰
- 鎖和訊號量濫用帶來的卡頓、卡死
聽起來是有點強大，最明顯的好處是可以簡化程式碼；並且在coobjc介紹文章也說道，效能也有所保障：當執行緒的數量級大於1000以上時，coobjc的優勢就會非常明顯。為了證明文章的結論，我們就來執行一下coobjc原始碼好了。
這裡下載coobjc原始碼。
發現目錄結構如下：
coobjc介紹文章中提到的，coobjc不但提供了基礎的非同步操作還提供了基於UIKit的封裝。目錄中
cokit及其子目錄提供的是基於UIKit層的coobjc封裝coobjc目錄是coobjc的Objective-C版實現的原始碼coswift目錄是coobjc的Swift版實現的原始碼Example下有兩個目錄，一個是Objective-C的實現，一個是Swift版的實現的Demo
我們先分析一下coobjcBaseExample工程：
開啟專案，pod update一下即可執行,執行結果如下：
Tips 開啟podfile可以發現裡面有庫
coobjc以外，還有Specta、Expecta以及OCMock。這三個庫這裡不多做介紹了，大家只需要知道這是用於單元測試的。
我們先看一下這個列表的實現邏輯是什麼樣的。我們不難定位到頁面位於KMDiscoverListViewController中，其網路請求（這裡是電影列表）程式碼如下：
- (void)requestMovies
{
co_launch(^{
NSArray *dataArray = [[KMDiscoverSource discoverSource] getDiscoverList:@"1"];
[self.refreshControl endRefreshing];
if (dataArray != nil)
{
[self processData:dataArray];
}
else
{
[self.networkLoadingViewController showErrorView];
}
});
}
複製程式碼這裡很容易理解程式碼
NSArray *dataArray = [[KMDiscoverSource discoverSource] getDiscoverList:@"1"];
複製程式碼是請求網路資料的，其實現如下：
- (NSArray*)getDiscoverList:(NSString *)pageLimit;
{
NSString *url = [NSString stringWithFormat:@"%@&page=%@", [self prepareUrl], pageLimit];
id json = [[DataService sharedInstance] requestJSONWithURL:url];
NSDictionary* infosDictionary = [self dictionaryFromResponseObject:json jsonPatternFile:@"KMDiscoverSourceJsonPattern.json"];
return [self processResponseObject:infosDictionary];
}
複製程式碼以上程式碼也能猜出，
id json = [[DataService sharedInstance] requestJSONWithURL:url];
複製程式碼這一行是做了網路請求，但是我們再點選進入類DataService看requestJSONWithURL方法的實現的時候，發現已經看不懂了：
- (id)requestJSONWithURL:(NSString*)url CO_ASYNC{
SURE_ASYNC
return await([self.jsonActor sendMessage:url]);
}
複製程式碼好吧。既然看不懂了，我們就從頭開始學習，協程的含義以及使用。繼而對coobjc原始碼進行分析。
協程入門
coobjc介紹文章中有提到
- 第一種：利用
glibc的ucontext元件(雲風的庫)。 - 第二種：使用匯編程式碼來切換上下文(實現C協程)，原理同
ucontext。 - 第三種：利用C語言語法
switch-case的奇淫技巧來實現（Protothreads)。 - 第四種：利用了 C 語言的
setjmp和longjmp。 - 第五種：利用編譯器支援語法糖。
經過篩選最終選擇了第二種。那我們來一個個分析，為什麼coobjc摒棄了其他的方式。
首先我們看第一種，coobjc介紹文章中提到ucontext在iOS中被廢棄了，那如果不廢棄，我們如何去使用ucontext呢？如下的一個Demo可以解釋一下ucontext的用法：
#include <stdio.h>
#include <ucontext.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, const char *argv[]){
ucontext_t context;
getcontext(&context);
puts("Hello world");
sleep(1);
setcontext(&context);
return 0;
}
複製程式碼注：示例程式碼來自維基百科.
儲存上述程式碼到example.c,執行編譯命令：
gcc example.c -o example
複製程式碼想想程式執行的結果會是什麼樣？
kysonzhu@ubuntu:~$ ./example
Hello world
Hello world
Hello world
Hello world
Hello world
Hello world
^C
kysonzhu@ubuntu:~$
複製程式碼上面是程式執行的部分輸出，不知道是否和你想得一樣呢？我們可以看到，程式在輸出第一個“Hello world"後並沒有退出程式，而是持續不斷的輸出“Hello world”。其實是程式通過getcontext先儲存了一個上下文,然後輸出“Hello world”,在通過setcontext恢復到getcontext的地方，重新執行程式碼，所以導致程式不斷的輸出“Hello world”，在我這個菜鳥的眼裡，這簡直就是一個神奇的跳轉。那麼問題來了，ucontext到底是什麼？
這裡筆者不多做介紹了，推薦一篇文章，講的比較詳細：ucontext-人人都可以實現的簡單協程庫
這裡我們只需要知道，所謂coobjc介紹文章中提到的使用匯編語言模擬ucontext，其實就是模擬的上面例子中的setcontext及getcontext等函式。為了證明筆者的猜想，筆者開啟了coobjc原始碼庫，發現裡面的唯一的彙編檔案coroutine_context.s
- _coroutine_getcontext
- _coroutine_begin
- _coroutine_setcontext
果然驗證了筆者的想法。這三個方法被暴露在檔案coroutine_context.h中，供後序呼叫：
extern int coroutine_getcontext (coroutine_ucontext_t *__ucp);
extern int coroutine_setcontext (coroutine_ucontext_t *__ucp);
extern int coroutine_begin (coroutine_ucontext_t *__ucp);
複製程式碼接下來說另外一個函式
int setcontext(const ucontext_t *cut)
複製程式碼該函式是設定當前的上下文為cut，setcontext的上下文cut應該通過getcontext或者makecontext取得，如果呼叫成功則不返回。如果上下文是通過呼叫getcontext()取得,程式會繼續執行這個呼叫。如果上下文是通過呼叫makecontext取得,程式會呼叫makecontext函式的第二個引數指向的函式，如果func函式返回,則恢復makecontext第一個引數指向的上下文第一個引數指向的上下文context_t中指向的uc_link.如果uc_link為NULL,則執行緒退出。
我們畫個表類比一下ucontext和coobjc的函式：
| ucontext | coobjc | 含義 |
|---|---|---|
| setcontext | coroutine_setcontext | 設定協程上下文 |
| getcontext | coroutine_getcontext | 獲取協程上下文 |
| makecontext | coroutine_create | 建立一個協程上下文 |
這麼一來，我們之前的程式可以改寫成如下：
#import <coobjc/coroutine_context.h>
int main(int argc, const char *argv[]) {
coroutine_ucontext_t context;
coroutine_getcontext(&context);
puts("Hello world");
sleep(1);
coroutine_setcontext(&context);
return 0;
}
複製程式碼返回的結果仍然不變，一直列印“hello world”。
深入協程
(1)目錄分析
coobjc的目錄結構，其中
core目錄提供了核心的協程函式api目錄是coobjc基於Objective-C的封裝csp，目錄從庫libtask引入，提供了一些鏈式操作objc提供了coobjc物件宣告週期管理的一些類 下面的文章，筆者會先從核心的core目錄開始研究，後面的大家理解起來也就不復雜了。
(2)協程的構成
上面我們只簡單的介紹了coobjc，也瞭解到coobjc基本都是參考了ucontext。那下面的例子中，筆者儘可能先介紹ucontext，然後再應用到coobjc對應的方法中。
我們繼續討論上文提到的幾個函式，並說明一下其作用：
int getcontext(ucontext_t *uctp)
複製程式碼這個方法是，獲取當前上下文，並將上下文設定到uctp中，uctp是個上下文結構體，其定義如下：
_STRUCT_UCONTEXT
{
int uc_onstack;
__darwin_sigset_t uc_sigmask; /* signal mask used by this context */
_STRUCT_SIGALTSTACK uc_stack; /* stack used by this context */
_STRUCT_UCONTEXT *uc_link; /* pointer to resuming context */
__darwin_size_t uc_mcsize; /* size of the machine context passed in */
_STRUCT_MCONTEXT *uc_mcontext; /* pointer to machine specific context */
#ifdef _XOPEN_SOURCE
_STRUCT_MCONTEXT __mcontext_data;
#endif /* _XOPEN_SOURCE */
};
/* user context */
typedef _STRUCT_UCONTEXT ucontext_t; /* [???] user context */
複製程式碼以上是ucontext的資料結構，其內部的幾個屬性介紹一下：
噹噹前上下文(如使用makecontext建立的上下文）執行終止時系統會恢復uc_link指向的上下文；uc_sigmask為該上下文中的阻塞訊號集合；uc_stack為該上下文中使用的棧；uc_mcontext儲存的上下文的特定機器表示，包括呼叫執行緒的特定暫存器等。其實還蠻好理解的，ucontext其實就存放一些必要的資料，這些資料還包括拯救成功或者失敗的情況需要的資料。
相比較而言，coobjc的定義和ucontext有一定區別：
/**
The structure store coroutine's context data.
*/
struct coroutine {
coroutine_func entry; // Process entry.
void *userdata; // Userdata.
coroutine_func userdata_dispose; // Userdata's dispose action.
void *context; // Coroutine's Call stack data.
void *pre_context; // Coroutine's source process's Call stack data.
int status; // Coroutine's running status.
uint32_t stack_size; // Coroutine's stack size
void *stack_memory; // Coroutine's stack memory address.
void *stack_top; // Coroutine's stack top address.
struct coroutine_scheduler *scheduler; // The pointer to the scheduler.
int8_t is_scheduler; // The coroutine is a scheduler.
struct coroutine *prev;
struct coroutine *next;
void *autoreleasepage; // If enable autorelease, the custom autoreleasepage.
bool is_cancelled; // The coroutine is cancelled
};
typedef struct coroutine coroutine_t;
複製程式碼其中
struct coroutine *prev;
struct coroutine *next;
複製程式碼表明其是一個連結串列結構。
既然是連結串列，那麼就會有新增元素，以及刪除某個元素的方法，果然我們在coroutine.m中發現了對應的連結串列操作方法：
// add routine to the queue
void scheduler_add_coroutine(coroutine_list_t *l, coroutine_t *t) {
if(l->tail) {
l->tail->next = t;
t->prev = l->tail;
} else {
l->head = t;
t->prev = nil;
}
l->tail = t;
t->next = nil;
}
// delete routine from the queue
void scheduler_delete_coroutine(coroutine_list_t *l, coroutine_t *t) {
if(t->prev) {
t->prev->next = t->next;
} else {
l->head = t->next;
}
if(t->next) {
t->next->prev = t->prev;
} else {
l->tail = t->prev;
}
}
複製程式碼其中coroutine_list_t是為了標識連結串列的頭尾節點：
/**
Define the linked list of scheduler's queue.
*/
struct coroutine_list {
coroutine_t *head;
coroutine_t *tail;
};
typedef struct coroutine_list coroutine_list_t;
複製程式碼為了管理所有的協程狀態，還設定了一個排程器：
/**
Define the scheduler.
One thread own one scheduler, all coroutine run this thread shares it.
*/
struct coroutine_scheduler {
coroutine_t *main_coroutine;
coroutine_t *running_coroutine;
coroutine_list_t coroutine_queue;
};
typedef struct coroutine_scheduler coroutine_scheduler_t;
複製程式碼看命名就大概能猜到，main_coroutine中包含了主協程（可能是即將設定資料的協程，或者即將使用的協程）；running_coroutine是當前正在執行的協程。
(3)協程的操作
協程擁有和執行緒一樣類似的操作，例如建立，啟動，出讓控制權，恢復，以及死亡。對應的，我們在coroutine.h看到了如下的幾個函式宣告：
//關閉一個協程如果它已經死亡
void coroutine_close_ifdead(coroutine_t *co);
//新增協程到排程器，並且立刻啟動
void coroutine_resume(coroutine_t *co);
//新增協程到排程器
void coroutine_add(coroutine_t *co);
//出讓控制權
void coroutine_yield(coroutine_t *co);
複製程式碼為了更好的控制各個操作中的資料，coobjc還提供了以下兩個方法：
void coroutine_setuserdata(coroutine_t *co, void *userdata, coroutine_func userdata_dispose);
void *coroutine_getuserdata(coroutine_t *co);
複製程式碼至此，coobjc的核心程式碼都分析完成了。
(4)協程的Objective-C層面的封裝
我們再次回到文章開頭的例子- (void)requestMovies方法的實現中，第一步就是呼叫一個co_launch()的方法，這個方法最終會呼叫到
+ (instancetype)coroutineWithBlock:(void(^)(void))block onQueue:(dispatch_queue_t _Nullable)queue stackSize:(NSUInteger)stackSize {
if (queue == NULL) {
queue = co_get_current_queue();
}
if (queue == NULL) {
return nil;
}
COCoroutine *coObj = [[self alloc] initWithBlock:block onQueue:queue];
coObj.queue = queue;
coroutine_t *co = coroutine_create((void (*)(void *))co_exec);
if (stackSize > 0 && stackSize < 1024*1024) { // Max 1M
co->stack_size = (uint32_t)((stackSize % 16384 > 0) ? ((stackSize/16384 + 1) * 16384) : stackSize/16384); // Align with 16kb
}
coObj.co = co;
coroutine_setuserdata(co, (__bridge_retained void *)coObj, co_obj_dispose);
return coObj;
}
- (void)resumeNow {
[self performBlockOnQueue:^{
if (self.isResume) {
return;
}
self.isResume = YES;
coroutine_resume(self.co);
}];
}
複製程式碼這兩個方法。其實程式碼已經很容易理解了，第一個方法是建立一個協程，第二個是啟動。
最後我們在說一下文章開頭提到的await方法，其實最終就交給chan去處理了：
- (COActorCompletable *)sendMessage:(id)message {
COActorCompletable *completable = [COActorCompletable promise];
dispatch_async(self.queue, ^{
COActorMessage *actorMessage = [[COActorMessage alloc] initWithType:message completable:completable];
[self.messageChan send_nonblock:actorMessage];
});
return completable;
}
複製程式碼所有的操作雖然丟到了同一個執行緒中，但其實最終是通過chan來排程了。關於chan就不在本文討論範圍了，後面如果有時間，筆者會再進行對chan的分析。
總結
本文介紹了協程的概念，通過對比ucontext以及coobjc來說明協程的用法，並分析了coobjc的原始碼，希望對大家有所幫助。
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