C++20协程概念及实现

面试官问："说说 C++ 协程是什么？怎么实现的？和线程有什么区别？"

协程是 C++20 的重头戏，但很多人只知道"可以暂停恢复的函数"就答不下去了。面试官真正想听的是：协程的执行流程是什么样的、三个核心组件各自干什么、和线程到底差在哪。

简要回答

协程是能够暂停执行并在之后恢复的函数，C++20 通过 co_await、co_yield、co_return 三个关键字实现。

核心组件有三个：Promise 对象控制协程生命周期和返回值，Coroutine Handle 是恢复/销毁协程的句柄，Awaiter 定义 co_await 的等待行为。

和线程的本质区别：线程由操作系统内核调度，切换成本高；协程由用户态程序自己调度，切换成本极低，但不能真正并行。

详细回答

协程的执行流程

协程被调用时，不像普通函数那样一口气执行完。它的生命周期是这样的：

1. 分配协程帧（堆上，存储局部变量、参数、恢复点）
2. 创建 Promise 对象
3. 调用 promise.get_return_object() 拿到返回给调用者的对象
4. 执行协程体，遇到 co_await / co_yield 时暂停，控制权交还调用者
5. 调用者通过 handle.resume() 恢复执行，或 handle.destroy() 销毁

关键点在于：协程暂停时，它的整个执行状态（局部变量、执行位置）都保存在协程帧里，恢复时从断点继续，不需要重新初始化。

协程 vs 线程 vs 回调

• 线程：OS 内核调度，支持真正并行，但上下文切换要保存/恢复寄存器、切换栈，开销大（微秒级）
• 协程：用户态调度，协作式多任务，切换只需要保存几个指针，开销极小（纳秒级）。但同一时刻只有一个协程在跑
• 回调：逻辑被拆成碎片，容易回调地狱，错误处理复杂。协程用线性代码风格写异步逻辑，可读性好得多

适用场景

异步 I/O（网络请求、文件读写）、生成器（大数据集流式处理）、状态机（复杂状态转换）、游戏开发（角色行为序列）。

知识拓展

面试官可能追问：

Q1: 协程帧里都存了什么？

Promise 对象、函数参数的副本、所有局部变量、当前挂起点的位置信息。本质上就是一个堆分配的结构体，保存了协程"冻结"时的全部状态。

Q2: co_await 表达式的三阶段流程？

await_ready() — 检查结果是否已经就绪，就绪就不用挂起了；await_suspend() — 挂起协程，把 handle 交出去让别人来恢复；await_resume() — 恢复后拿到结果继续执行。

Q3: 怎么避免协程内存泄漏？

核心是确保 coroutine_handle 一定会被 destroy。实践中用 RAII 包装器（析构时自动 destroy）、在 final_suspend 返回 suspend_always 然后由持有者负责销毁、避免 handle 的循环引用。

Q4: 协程能替代线程吗？

不能。协程解决的是"异步代码写起来难看"的问题，不是并行计算的问题。CPU 密集型任务还是得用线程/线程池，协程适合 I/O 密集型场景。