C++20的协程（Coroutines）如何使用？（入门示例）

协程是用户态可挂起恢复的函数，C++20采用无栈协程，编译器将其重写为状态机；需含co_await/co_yield/co_return之一，返回类型须定义promise_type以支持协程协议。

协程不是线程，也不依赖操作系统调度；它是用户态的、可挂起和恢复的函数，适合写异步 I/O、生成器、状态机等逻辑清晰但传统回调写法容易嵌套过深的场景。C++20 的协程是无栈协程（stackless），编译器会将协程函数重写为状态机，由你控制内存布局和执行时机。

第一步：识别协程函数——三个关键字缺一不可

一个函数要成为协程，必须在函数体中至少出现以下任一关键词：

• co_await：等待某个“可等待对象”（如自定义 awaiter、std::suspend_always）
• co_yield：产出值并挂起，常用于生成器
• co_return：结束协程（可能触发清理或回调）

只要用了其中一个，编译器就按协程处理——自动改写函数签名、生成 promise 对象、管理状态机。注意：函数返回类型必须满足特定要求（见下一步）。

第二步：返回类型需支持协程协议——关键在 promise_type

协程函数的返回类型（比如 Generator）必须嵌套定义 promise_type，该类型负责协程生命周期的关键行为：

• get_return_object()：返回协程句柄（如 Generator 实例），供调用者接收
• initial_suspend()：决定协程启动时是否立刻挂起（常返回 std::suspend_always 或 std::suspend_never）
• final_suspend()：协程结束前是否挂起（影响资源释放时机）
• unhandled_exception()：捕获未处理异常
• return_void() / return_value(T)：对应 co_return 的不同写法

标准库没提供通用协程类型，你需要自己定义（或使用第三方如 cppcoro）。初学建议从简单生成器入手。

第三步：动手写一个整数生成器（Generator）

下面是最小可行示例，实现一个每次调用 next() 返回下一个斐波那契数的协程：

template
class Generator {
  struct promise_type;
  using handle_type = std::coroutine_handle

  handle_type h_;

public:
  Generator(handle_type h) : h_(h) {}
  Generator(Generator&& g) noexcept : h_(std::exchange(g.h_, {})) {}
  ~Generator() { if (h_) h_.destroy(); }

  T next() {
    h_.resume();
    return h_.promise().current_value;
  }

  struct promise_type {
    T current_value;
    std::suspend_always initial_suspend() { return {}; }
    std::suspend_always final_suspend() noexcept { return {}; }
    Generator get_return_object() { return Generator{handle_type::from_promise(*this)}; }
    void return_void() {}
    void unhandled_exception() { std::terminate(); }
    std::suspend_always yield_value(T value) {
      current_value = value;
      return {};
    }
  };
};

// 协程函数
Generator fibonacci() {
  int a = 0, b = 1;
  co_yield a;
  co_yield b;
  while (true) {
    int next = a + b;
    co_yield next;
    a = b;
    b = next;
  }
}

使用方式：

auto gen = fibonacci();
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
  std::cout << gen.next() << " "; // 输出前10个斐波那契数
}

第四步：理解 co_await —— 自定义 awaiter 的核心三接口

当你写 co_await expr，expr 类型需提供：

• await_ready()：返回 bool，true 表示无需挂起，直接继续
• await_suspend(handle)：挂起时调用，可安排 handle 在未来某时 resume（例如投递到线程池、注册到 epoll）
• await_resume()：resume 后返回给 co_await 表达式的值

这是实现异步 I/O 的入口。例如封装一个 sleep_for awaiter，内部用 std::thread::sleep_for + std::jthread 或定时器唤醒 handle，就能写出 co_await sleep_for(500ms) 这样的代码。

不复杂但容易忽略：协程对象的内存必须手动管理（或用智能指针包装 handle），且 promise 对象默认分配在协程帧中（栈上），若需跨 suspend 持久化，得重载 operator new 做堆分配。