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协程(三)协程与Continuation

zihua 2013-09-26 01:09:00 点击: 922 | 收藏


Continuation表示一个运算在其指定位置的剩余部分。当Continuation作为语言的第一类(First-class)对象时,可用于实现多种控制结构。同样作为控制结构,First-class continuation的表达力比协程更加强大,而且有着明确定义的语义,以至于在它出现之后对协程的研究就几乎完全停止了。但后来Revisiting Coroutines中证明了完全协程与One-shot continuation的表达力是完全相同的,而且协程更容易理解和使用,在某些情况下也更加高效。

理解Continuation

Continuation是一种描述程序的控制状态的抽象,它用一个数据结构来表示一个执行到指定位置的计算过程;这个数据结构可以由程序语言访问而不是隐藏在运行时环境中。Continuation在生成之后可作为控制结构使用,在调用时会从它所表示的控制点处恢复执行。

注意Continuation所保存的控制状态中并不包括数据。关于这一点有个很有趣的“Continuation三明治”的描述:

假设你在厨房里的冰箱前面,正打算做一个三明治。这时你获取一个Continuation放进兜里。然后从冰箱拿了些火鸡和面包做了个三明治,放在了桌子上。现在调用兜里的那个Continuation,你会发现你又站在了冰箱前,正打算做个三明治。但这时桌子上已经有个三明治了,而且火鸡和面包也不见了。于是你吃掉了三明治。

Continuation以及与相关的call/cc(Call-with-current-continuation)、CPS(Continuation-passing style)这几个概念比较难理解也容易混淆,要彻底把它们搞明白还真得花一番功夫。Continuation的资料也不多,这里列出几篇中文资料供参考:

First-class continuation

Continuation这个术语很多时候也用于表示First-class continuation。这时它表示一种语言构造,使语言可以在任意点保存执行状态并且在之后的某个点返回。这里与协程做比较的正是First-class continuation(或者说是call/cc机制),而不是Continuation结构或CPS编程风格。

调用call/cc时,会把当前Continuation打包成一个第一类对象。然后这个捕获的Continuation被传给call/cc的参数——此参数必须是带一个参数的过程。如果在这个过程中没有调用Continuation就返回了,则返回值作为call/cc的值。如果在其中调用了Continuation并传给它一个值,则这个值立即返回到call/cc处。

基于First-class continuation很容易实现完全协程,主要思路是在切换协程时保存当前Continuation并调用目标协程的Continuation。以下是由Marc De Scheemaecker基于Ruby call/cc实现的完全对称协程:

class Coroutine
    def initialize(&block)
        # Creates a coroutine. The associated block does not run yet.
        @started = false
        @finished = false
        @block = Proc::new {
            callcc{|@cc|}
            block.call
            @finished = true
            @started = false
        }
    end

    def start
        # Starts the block. It's an error to call this method on a coroutine
        # that has already been started.
        raise "Block already started" if @started

        @started = true
        @block.call
    end

    def switch(coroutine)
        # Switches context to another coroutine. You need to call this method
        # on the current coroutine.
        switch = true

        if not coroutine.finished? then
            callcc{|@cc|}

            if switch then
                switch = false

                if coroutine.running? then
                    coroutine.continuation.call
                else
                    coroutine.start
                end
            end
        end
    end

    def running?
        # Returns true if the associated block is started and has not yet
        # finished
        @started and not @finished
    end

    def finished?
        # Returns true if the associated block is finished
        @finished
    end

    def continuation
        # Returns the associated continuation object
        @cc
    end

end

One-shot continuation

所谓One-shot continuation,即只允许调用一次的Continuation。标准的Continuation是允许多次调用(Multi-shot)的,但是很难高效地实现这样的Continuation,因为每次调用之前都必然要生成一个副本,而且在绝大多数情况下Continuation都只会被调用一次,受此启发Bruggeman et al.提出了One-shot continuation的概念和控制符call/1cc。One-shot continuation几乎可以所有应用中替换标准Continuation(包括上面协程的实现)。多次调用One-shot continuation会引发错误,无论是隐式调用(从传给call/1cc的过程中返回)还是显式调用(直接调用由call/1cc创建的Continuation)。

前面提到过完全协程与One-shot continuation的表达力是相同的,证明方式便是它们可以相互实现。从对称协程的视角来看,捕获一个One-shot continuation相当于新建一个协程并把控制传递给它。调用时相当于把控制返回给创建者。这种相似性使得基于对称协程可以很简洁地实现call/1cc。

下面是Lua实现One-shot continuation的代码,首先实现一个完全对称协程:

coro = {}
coro.main = function() end
coro.current = coro.main

-- function to create a new coroutine
function coro.create(f)
    local co = function(val)
        f(val)
        error("coroutine ended")
    end
    return coroutine.wrap(co)
end

-- function to transfer control to a coroutine
function coro.transfer(co, val)
    if coro.current == coro.main then
        return coroutine.yield(co, val)
    end

    -- dispatching loop
    while true do
        coro.current = co
        if co == coro.main then
            return val
        end
        co, val = co(val)
    end
end

然后是call1cc:

function call1cc(f)
    -- save the continuation "creator"
    local ccoro = coro.current
    -- invoking the continuation transfers control
    -- back to its creator
    local cont = function(val)
        if ccoro == nil then
            error("one shot continuation called twice")
        end
        coro.transfer(ccoro, val)
    end
    -- when a continuation is captured,
    -- a new coroutine is created and dispatched
    local val
    val = coro.transfer(coro.create(function()
        local v = f(cont)
        cont(v)
    end))
    -- when control is transfered back, the continuation
    -- was "shot" and must be invalidated
    ccoro = nil
    -- the value passed to the continuation
    -- is the return value of call1/cc
    return val
end

效率问题

可以看到,Continuation可以实现协程,同时协程也可以实现One-shot continuation,但这两种相反实现的效率并不相同。

在Bruggeman et al.描述的One-shot continuation实现中,控制栈由栈段(Stack segment)组成的链表表示,整个控制栈被构造成栈帧(Stack of frame)或活动记录(Activation record)。捕获Continuation时,当前栈段被保存到Continuation中,然后分配一个新的栈段。调用Continuation时,丢弃当前栈段,控制返回到之前保存的栈段。

创建一个协程同样包括分配一个单独的栈,但挂起和恢复协程的代价只比标准的函数调用略高。

使用协程实现One-shot continuation时,创建一个单独的协程——即栈“段”——就足以表示一个Continuation。因此,通过协程实现的One-shot continuation与直接实现效率几乎相同。而以Continuation实现协程时,通常每次协程挂起时都需要捕获一个新的Continuation。这导致每次控制转换都需要重新分配一个栈段,相比直接实现的协程效率要大大降低并且需要更多内存。

这里有一篇Lua、LuaJIT Coroutine和Ruby Fiber的切换效率对比,我猜测大概就是因为Ruby是在call/cc之上实现的Fiber。

原文链接:http://www.simple-is-better.com/news/697

作者:zihua | 分类: 系统架构 | 标签: 协程 lua continuation | 阅读: 922 | 发布于: 2013-09-26 01时 |