原文地址：https://www.linuxidc.com/Linux/2012-07/66395p2.htm

協程的好處不用再多說，作為與函數調用/返回相對的概念，它使我們思考問題的方式經歷一場變革。現在我們關注的是C，由于C本身的特質，將協程引入其中將會是一 個挑戰。無數先驅已經為這個目標拋了頭顱灑了熱血，于是我們有了libtask之類。而這里提到的，是一個堪稱最輕量級的協程實現：Protothreads（http://dunkels.com/adam/pt/index.html）。所謂最輕量級，就是說，功能已經不能再精簡了，幾乎就是原語級別的。——確實，這種最簡帶來了一些使用上的繁瑣不便，但在打退堂鼓之前，先來看看它的優點吧：

不依賴任何庫（包括C標準庫和OS，是的，可以在bootloader里使用它），甚至本身都算不上個“庫”，事實上整個實現都只有.h文件。充上一條，.h文件共也只有5個而已，總共的有效行數也就100數量級（版本1.4）。接著補充，那些行中大部分也都是宏定義，所以使用該庫導致程序的膨脹基本可以忽略不計。每個協程的內存開銷只有一個指針那么大。說實話，這種形式的所謂“庫”的最佳使用方式，是去參考其源代碼然后直接借鑒到自己的程序中。這么點代碼就能實現協程的功能，其原理也就一層窗戶紙。事實上Protothreads使用了兩種方式來實現協程，你可以選擇其中一種方式：

• 用switch語句來實現
• 用GCC擴展語法來實現

前者通用性好但低效，使用起來也有更多不便，后者相反。默認是前者，本人傾向于后者（后者MinGW也支持的），這歸咎于用慣了GCC，而且后者從思想上確實更加簡明，沒有trick的意味。這里的原理敘述也以后者為主。

這個如洪水猛獸般的“擴展語法”，其實就是：可以把label地址保存到變量。label就是goto的那個label，就是那個人人喊打的goto。如下：

begin:printf("This is a message\n");/* goto begin; -- 我們本來應該這么用 */void *p = &&begin;goto *p;

&&不是取地址又取地址^_^而是擴展語法，這個運算符用于label，表示取其在代碼段中的地址，就是說獲得一個指針。指向代碼段的指針，第一反應是函數指針，但這個不是，因為它并不指向一個函數的入口，而是指向其腹部。這種指針類型C中是不存在的，GCC也不想把事情搞大，整出個新數據類型來，于是用void *通吃了。這樣這個值就可以當普通數據一樣擺弄來擺弄去，最后靠goto *p，來從其他任何地方跳到這個地址來執行。

或許還記得，C的goto是不能跨越函數邊界的，從理論角度這叫確保了單入單出的結構化編程，從底層實現角度，則保證了棧幀不混亂，即：如果goto到另一個函數的代碼段中，但另一個函數的棧幀并沒有準備好，棧頂還是當前函數的棧幀，那么目的函數在訪問局部數據時候就會發生混亂。這種原來不可能發生的混亂，在這種擴展語法的支持下成為了可能。這是需要注意的一點，在使用擴展的goto語句的時候也要注意不要越過函數邊界（當然，如果你BT到了解棧幀協議并試圖手工建立棧幀的話，就當我沒說^_^）。

Protothreads庫對協程的實現，說來也簡單，且看一個協程函數的示意：

int foo(struct pt *p) {PT_BEGIN(p);……??????? /* 代碼段1 */PT_YIELD(p);……??????? /* 代碼段2 */PT_END(p); }

這個函數，在每次重入這個協程的時候都要被調用，靠這些PT_開頭的宏，函數可以確定每次被調用時應該執行函數體的哪一部分。比如調用兩次foo的話，第一次會執行代碼段1，第二次則執行代碼段2。原理如下：

結構體struct pt其實只有一個void *型成員，就是傳說中那“一個指針的開銷”，每個協程都有個對應的此物。該指針在初始化的時候被置NULL（由另一個宏PT_INIT在別處完成），在foo函數中，PT_BEGIN會檢查這個指針，若是NULL，則表明是第一次啟動該協程，什么也不做。接下來遇到了PT_YIELD，即協程掛起原語。此宏內部定義一個label，并立即將該label保存進pt結構體中。這樣，此處可能有多種方式進入，一是順序執行到此，二是從別處goto過來。這所謂別處，其實就在PT_BEGIN。如果它檢查到pt不為空，則立即goto過去。現在PT_YIELD根據到達此處的方式做進一步判斷，如果是自然執行到此，該掛起了，則立即reeturn出函數。否則，則是剛剛重入回來，繼續執行下邊的代碼段2。這個判斷是如何進行的？——靠一個標志位，PT_BEGIN每次被調用都首先置一個標志，而PT_YIELD則在label之前清除這個標志。這樣，在label之后，PT_YIELD就可以據此判斷，若標志沒了，則是自然執行到此，若標志存在，則是從PT_BEGIN處goto過來的。——說穿了，就是setjmp的一個超輕量級版。

至于PT_END，其作用除了清除pt指針以外，主要是為了返回協程的狀態。實際上PT_YIELD中的return也是帶值的，之所以foo函數要聲明為int，就是為了每次調用foo都能得到該協程當前的狀態，是掛起了、結束了，還是中途退出了等等。
應該注意到了一點，就是既然每次重入協程都要重新調用foo函數，則說明foo函數中留不下任何狀態，如果定義局部變量，則其內容都會丟失。嗯……這就是我指的“繁瑣與不便”的主要所在吧，你需要讓一切協程狀態都以外部變量的形式存在，典型做法是封裝成一個結構體，作為該函數的第二個參數。嗯，畢竟，C是接近底層的語言，讓它自動背著你創建好多變量的副本，或者好多個協程局部的堆棧，還是不如你自己精確掌控對每塊內存的使用，不是嗎？畢竟不能用腳本語言的眼光來看C ^_^

現在，用這種方式創建了好多協程，那么接下來用一個簡單的方式讓它們運轉起來，這個輪轉調度簡單得難以置信：

while (1) {foo1(p1);foo2(p2);...foon(pn); }

這就是調度器的主循環，只需要往復依次調用每個協程的入口函數即可。

以上敘述了Protothreads庫的核心內容，實際上該庫還包含了動態協程建立、協程間通信等設施，對于一個如此單薄的庫來說，還是相當令人驚喜的。最后為了再次強調其單薄，在此列舉一下其所有的頭文件：

• ??????? lc-addrlabels.h?????用GCC語法擴展實現的協程基礎
• ??????? lc-switch.h??????????? 用switch語句實現的協程基礎
• ??????? lc.h? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?該文件存在的意義僅僅為了選擇以上兩者之一
• ??????? pt.h? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?基于lc.h的協程設施的真正實現
• ??????? pt-sem.h?????????????? 協程間通信（信號量）的實現

源文件下載地址：http://dunkels.com/adam/pt/download.html?

總結

以上是生活随笔為你收集整理的最轻量级的C协程库：Protothreads的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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