计算机原理101: 什么是协程

《计算机底层的秘密》读书笔记 + GPT问答整理

1. 什么是协程？

与普通函数不同的是， 协程能知道自己上一次执行到了哪里。有暂停和恢复的能力。

协程最重要的作用是让程序员以同步的方式来进行异步编程。

2. 协程是如何实现的？

在堆区中申请一块内存用来存放协程的运行时栈帧信息。协程的切换、调度完全发生在用户态， 不需要操作系统介入。

🎯 举例： Python 的 async def 协程会编译为一个生成器对象（coroutine object），状态保存在对象内部的 frame 和 stack 属性中——这些都在堆上。

C# 的 async 方法会被编译为一个状态机类，局部变量、await 点等保存在该状态机的字段中——也在堆上。

Python 协程是基于生成器协议实现的状态机，其挂起点通过 await 保存状态在堆中的协程对象中，恢复由事件循环控制，通过 .send() 继续执行。

3. 协程是怎么休眠和恢复的？

协程的暂停和恢复核心在于状态机机制（state machine） 🌀 步骤简化：

1. 编译时构建状态机 协程函数会被编译为一个状态机，每个 await 是一个“状态切换点”。

例如，下面的 C# 协程：

async Task ExampleAsync() {
    await A();  // 状态0
    await B();  // 状态1
    await C();  // 状态2
}

会被转成如下伪状态机：

switch (state) {
    case 0:
        await A(); state = 1; return;
    case 1:
        await B(); state = 2; return;
    case 2:
        await C(); state = -1; return;
}

1. 暂停：遇到 await 或 yield
   • 当前执行状态（如状态编号、局部变量）被保存到状态对象中（堆上）；
   • 控制权返回给调度器（如事件循环）；
   • 所在线程可以去执行别的任务。
2. 恢复：await 的异步操作完成时
   • 调度器调用状态机的 MoveNext() 或 resume()；
   • 从保存的状态继续执行，仿佛从 await 后一行继续运行。

Python和C#中的协程调度

📌 所以：C# 中的“调度器”可以理解为 await 背后由编译器和 .NET runtime 编排的 TaskScheduler + 状态机 + 同步上下文组合

📌 所以：Python 中的调度器是 asyncio 中的 事件循环对象，通常通过 asyncio.run() 启动并控制。

4. 协程和线程的区别是什么？

5. 协程和I/O的关系

协程是一种结构化的方式，让我们可以在 I/O 操作期间“挂起”执行、释放线程资源，并在 I/O 完成后继续执行，而不会阻塞线程。

等 I/O 完成 → 程序自动“挂起” → 当前线程可以去干别的事 → I/O 完成后自动“恢复”

协程的最大价值就是用在 I/O 密集型任务 上，尤其是网络请求、文件操作、数据库访问等慢操作。

6. 都哪些语言实现了协程？

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