Сопрограммы на С++, начальный уровень

Автор: /A\

Coroutine (сопрограмма, корутина) — функция, выполнение которой можно явно прерываться методами языка программирования. В отличие от прерывания выполнения потока (thread), который реализован в ОС и происходит неявно и в любой момент. Здесь я разбираю в чем преимущество корутин и какие корутины добавлены в C++20.

Предварительно с терминологией можно ознакомиться в Википедии: сопрограмма

Рассмотрим как работает простой код на уровне железа и ОС:

auto buf = new Buffer{ 10_Mb };
ReadFile( "file.name", buf );

В двух строках происходит множество неявных прерываний:

auto buf = new Buffer{ 10_Mb };

Выделяется память для записи файла в RAM. Внутри вызывается аллокатор памяти, который обычно защищен мютексом (wiki). Если в этот же момент в другом потоке происходит еще одно выделение памяти, то мютекс позволит выполниться одному потоку, а другой остановится и будет разбужен ОС спустя какое-то время.

ReadFile( "file.name", buf );

Происходит чтение из файла. Доступ к диску медленный, поэтому ОС останавливает поток и возобновляет его, когда чтение из файла завершится.

Получается в каждой строке кода происходит неявная остановка выполнения потока, что приводит к смене контекста (context switch), который занимает более 1мс. Когда поток остановлен, его место занимает другой поток, сколько он выполняется - неизвестно, а значит нет гарантий, когда именно возобновится выполнение нашего потока.

Подход с использованием потоков оказался слишком медленным, так появились различные асинхронные алгоритмы, например с использованием thread pool и promise:

AllocBuffer( 10_Mb )
  .then( [](Buffer buf)
  {
    ReadFile( "file.name", buf )
    .then( [](Buffer buf, size_t readn)
    {
      // делаем что-то с загруженными данными
    });
  });