协程原理与设计

什么是M:N协程？为什么要支持M:N协程？如何设计M:N协程？tRPC-Cpp引入了公司开源组件Flare/fiber作为底层库，本文多角度分析梳理了M:N协程的关键原理和特性。

1 常见线程模型的问题

在高并发编程场景，如互联网后台类业务中，既要保证高性能，也要保持编程的便利性。目前trpc-cpp中支持了2类模型：线程模型、N:1协程。

线程是操作系统的最小调度单元，可以通过系统调用挂起，也可能被操作系统随时抢占打断。以下是常见的各种线程并发模型。

为了支持高并发，多路复用（Window/IOCP，Linux/epoll等）是必须的手段。线程数量过多，会极大地降低系统性能。为此，trpc-cpp中实现了其中2种并发模型，都采取了“有限线程”+“多路复用”的方案。

1.1. IO/Handle分离：方案11

这也是很常见的线程模型，在Thrift、Tars等RPC框架中都有实现。关键特征即在于IO、Handle线程独立，通过队列通信。

• 优点：
  • 各个Handle线程很自然地达到负载均衡。
  • 各个任务天然隔离，适应任意类型的业务：IO-Bound、CPU-Bound等。

• 缺点：
  • 一个请求/回复，至少经过2个线程，会引入额外的调度延迟，在低延迟业务中有所不足。IO/Handle之间的通知机制需要良好设计，避免过多唤醒的系统调用。
  • 在高并发时，IO/Handle之间的全局队列需要良好的设计，否则可能成为系统瓶颈。
  • 由于Handle中提供了Promise/Future风格接口，此处需要额外注意continuation的运行线程控制，另外也需要考虑到CPU-Bound或者阻塞逻辑对continuation的影响，否则业务编程困难。
  • 在部分业务场景，合适的IO/Handle线程数量比例难以估算，配置困难。

1.2. IO/Handle合并：方案9

这种线程模型，和传统的高性能框架比较相似，如Nginx、Seastar等，关键特征在于各个工作线程独立运行，消除竞争，追求极致效率。

• 优点：
  • 架构简洁可靠：全异步方案，逻辑统一，易于理解。
  • 对于NUMA架构天然适配。
  • 一个请求/回复，只在一个线程处理，对于低延迟业务友好。
  • 可以做到无锁编程。

• 缺点：
  • 不允许阻塞代码，否则可能引起问题，所以对于业务开发门槛稍高。对于CPU-Bound业务同样不合适。
  • 同一个线程中的各个任务容易互相干扰。

1.3. N:1协程

N:1协程也即在多个协程协作运行在一个系统线程上，当然系统线程可以有多个。基于封装层次，分为：非hook、部分hook、全面hook。 目前常见的C++协程实现都是这种，如libco，spp协程等。

trpc-cpp在上述IO/Handle分离线程模型的Handle线程中支持N:1协程的子模式。协程库实现来自spp框架，是部分hook，也即网络相关的系统调用。默认是没有开启的，需要用户主动调用spp提供的网络接口。

这个方案很大的优点是，可以完全无锁编写同步风格代码，对于普通的互联网后台业务（IO-Bound型）编程是很友好的。

但是也有一