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| Linux 协程切换：原理、实现与高效并发模型 |
在 Linux 中，协程切换 是一种 轻量级的上下文切换，比线程切换更高效。协程（Coroutine）是一种比线程更轻量的执行单元，它们通常由用户态的库来管理，而不是操作系统内核。
因此，协程的切换 不需要 操作系统内核的干预，它们只依赖于用户空间的管理。理解协程切换的关键，首先需要了解 协程 和 上下文切换。
协程是一种 用户级线程，在一个线程内执行。与线程不同，协程的调度不依赖于操作系统的调度器，而是由应用程序或协程库（如 libco, libuv, libtask, Go 的 goroutines 等）在用户空间进行管理。协程是非常轻量级的，因为它们 共享一个线程的地址空间，并且只会在需要时进行上下文切换。
协程的特点：
- 协程通过 协作式调度（cooperative scheduling）来控制何时切换。协程主动让出控制权，而不像线程那样由操作系统调度器强制切换。
- 协程之间的切换 无需操作系统内核的参与，通常只需要保存和恢复少量的寄存器和栈信息（相比线程的完整上下文切换，协程的切换非常轻量）。
- 由于协程的调度是用户态管理的，它们 不涉及系统调用，因此切换时的性能开销较低。
协程的切换通常包括以下步骤：
- 保存当前协程的上下文：保存当前协程的执行状态，例如栈指针、程序计数器（PC）、寄存器等。这些信息保存为协程的上下文（Context），以便后续恢复执行。
- 切换到目标协程：恢复目标协程的上下文，包括栈、寄存器等状态，继续从它上次停止的位置执行。
- 执行目标协程的任务：一旦切换完成，目标协程开始执行，直到它自愿让出控制权或完成任务。
- 栈指针（Stack Pointer）：协程拥有独立的栈空间，栈指针指向当前协程的栈顶。
- 程序计数器（Program Counter, PC）：记录当前执行到哪里，切换时需要保存和恢复。
- 寄存器：保存当前协程的寄存器状态，特别是 CPU 的工作寄存器，切换时需要保存和恢复。
- 协程的局部变量和堆内存：协程的局部变量存储在栈上，堆内存则由操作系统管理，但切换时并不会丢失，协程之间共享堆内存。
在 Linux 中，协程切换通常由用户级线程库来管理，最常见的实现方式包括 手动上下文切换 或者利用 setjmp/longjmp 或 asm 技术来保存和恢复上下文。
setjmp 和 longjmp 是 C 标准库中的一对函数，可以用于 保存和恢复程序的执行状态。这些函数通常用于实现协程或用户态线程的上下文切换。
setjmp用于保存当前的执行上下文（如程序计数器、栈指针等）。longjmp用于恢复之前使用setjmp保存的上下文，跳转到保存的位置，继续执行。
使用 setjmp 和 longjmp 可以非常方便地实现协程的切换，但这种方法需要手动管理栈和上下文，复杂度较高。
在 Linux 中，ucontext.h 提供了一些函数，允许程序员管理线程的上下文，进而实现协程切换。例如，getcontext 和 setcontext 函数可以用来获取和设置执行上下文。
getcontext：获取当前线程的上下文。setcontext：恢复并执行指定的上下文。makecontext：设置一个上下文，让它执行指定的函数。
这种方法也可以用于实现协程的调度和切换，但 ucontext.h 在现代的 Linux 系统中已经不再推荐使用，因为它存在一些限制，并且有些功能在新的系统中可能不完全支持。
有些高效的协程库会使用 汇编语言 来实现协程切换。通过汇编语言，我们可以直接操作 CPU 寄存器，保存和恢复协程的上下文。这种方法可以实现更高效的协程切换，但通常需要更多的手动工作和对汇编的了解。
例如，可以通过以下步骤来实现协程切换：
- 使用
save指令将当前协程的栈、寄存器等状态保存到用户空间的结构中。 - 使用
restore指令从目标协程的结构中恢复状态，跳转到目标协程的位置。
- 轻量级：协程是比线程更轻量的执行单元，切换时不会涉及到内核态的操作，因此不会有 内核态与用户态的切换开销。
- 低开销：协程的上下文切换只涉及少量的寄存器和栈的保存与恢复，比线程上下文切换要高效得多。
- 灵活性：协程调度是完全由用户控制的，可以实现 非抢占式调度，协程主动让出 CPU，避免了频繁的上下文切换。
- 调度复杂性：因为协程调度是由用户空间的程序控制的，必须小心管理各个协程的状态，避免死锁、资源竞争等问题。
- 协作式调度：协程的调度通常是 协作式的（协程主动让出控制权），如果协程没有正确的让出控制权，可能会导致程序 阻塞 或 死循环。
协程的切换非常适用于以下场景：
- 高并发 I/O 密集型任务：例如，网络编程、文件操作等，多个协程可以在同一个线程内执行，避免了线程切换带来的开销。
- 协作式调度：比如游戏引擎、图形渲染等，需要高效管理多个任务，协程可以提供较为简单的控制流。
- 轻量级任务并发：当任务数量很多，但每个任务的执行时间很短时，协程提供了一种比线程更高效的并发模型。
在 Linux 中，协程切换通常是 用户级 的，不涉及内核操作，因此不会引起操作系统层面的上下文切换。协程的切换由用户态的库来管理，通常通过保存和恢复寄存器、栈指针等状态来实现。相比线程，协程切换的开销非常小，适用于高并发的 I/O 密集型任务。最常见的协程实现方式包括基于 setjmp/longjmp、ucontext 或汇编语言的方式来实现上下文切换。
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