在 Java 中实现协程

2024-02-13

这个问题与我的问题有关Java 中现有的协程实现 https://stackoverflow.com/questions/2846428/coroutines-in-java。如果像我怀疑的那样,Java 中目前没有完整的协程实现,那么实现它们需要什么?

正如我在该问题中所说,我了解以下内容:

  1. 您可以在幕后将“协程”实现为线程/线程池。
  2. 您可以在幕后使用 JVM 字节码做一些棘手的事情,以使协程成为可能。
  3. 所谓的“达芬奇机器”JVM 实现具有使协程无需任何操作即可实现的原语。 字节码操作。
  4. 还可以使用各种基于 JNI 的协程方法。

我将依次解决每个人的不足之处。

基于线程的协程

这种“解决方案”是病态的。协程的全部意义在于avoid线程、锁定、内核调度等的开销。协程应该是轻量且快速的,并且仅在用户空间中执行。以具有严格限制的全倾斜线程来实现它们会消除所有优点。

JVM 字节码操作

这个解决方案更实用,尽管实现起来有点困难。这与跳入 C 协程库的汇编语言(这是其中许多协程库的工作方式)大致相同,其优点是您只需担心并正确使用一种架构。

它还限制您只能在完全兼容的 JVM 堆栈上运行代码(这意味着,例如,不能在 Android 上运行),除非您能找到一种方法在不兼容的堆栈上执行相同的操作。然而,如果您确实找到了一种方法来做到这一点,那么您的系统复杂性和测试需求现在就会增加一倍。

达芬奇机器

达芬奇机器对于实验来说很酷,但由于它不是标准 JVM,因此它的功能不会在任何地方都可用。事实上,我怀疑大多数生产环境都会明确禁止使用达芬奇机器。因此,我可以用它来进行很酷的实验,但不能用于我希望发布到现实世界的任何代码。

这还存在与上面的 JVM 字节码操作解决方案类似的附加问题:无法在替代堆栈(例如 Android 堆栈)上工作。

JNI实现

这个解决方案使得在 Java 中执行此操作的意义完全没有意义。 CPU 和操作系统的每种组合都需要独立测试,并且每种组合都可能会出现令人沮丧的细微故障。当然,我也可以将自己完全束缚在一个平台上,但这也使得用 Java 做事的意义完全没有意义。

So...

有没有办法在 Java 中实现协程而不使用这四种技术之一?或者我是否会被迫使用这四种中气味最小的一种(JVM 操作)?


编辑添加:

只是为了确保包含混乱,这是一个related我的另一个 https://stackoverflow.com/questions/2846428/coroutines-in-java,但不一样。那个人正在寻找一个existing实施以避免不必要的重复劳动。这是一个与如果对方无法回答的情况下如何用 Java 实现协程有关的问题。目的是将不同的问题保留在不同的线程上。


我想看看这个:http://www.chiark.greenend.org.uk/~sgtatham/coroutines.html http://www.chiark.greenend.org.uk/~sgtatham/coroutines.html,它非常有趣,应该提供一个很好的起点。当然,我们使用 Java,所以我们可以做得更好(或者可能更糟,因为没有宏:))

根据我对协程的理解,你通常有一个producer and a consumer协程(或者至少这是最常见的模式)。但从语义上讲,您不希望生产者调用消费者,反之亦然,因为这会引入不对称性。但考虑到基于堆栈的语言的工作方式,我们需要有人来进行调用。

所以这是一个非常简单的类型层次结构:

public interface CoroutineProducer<T>
{
    public T Produce();
    public boolean isDone();
}

public interface CoroutineConsumer<T>
{
    public void Consume(T t);
}

public class CoroutineManager
{
    public static Execute<T>(CoroutineProducer<T> prod, CoroutineConsumer<T> con)
    {
        while(!prod.IsDone()) // really simple
        {
            T d = prod.Produce();
            con.Consume(d);
        }
    }
}

当然现在最困难的部分是实施接口,特别是很难将计算分解为单独的步骤。为此,您可能需要一整套持久控制结构。基本思想是我们想要模拟非本地控制转移(最终有点像我们模拟一个goto)。我们基本上希望不再使用堆栈和pc(程序计数器)通过将当前操作的状态保存在堆中而不是堆栈中。因此我们需要一堆辅助类。

例如:

假设在理想的世界中,您想要编写一个如下所示的消费者(伪代码):

boolean is_done;
int other_state;
while(!is_done)
{
    //read input
    //parse input
    //yield input to coroutine
    //update is_done and other_state;
}

我们需要像这样抽象局部变量is_doneand other_state我们需要抽象 while 循环本身,因为我们的yieldlike 操作不会使用堆栈。因此,让我们创建一个 while 循环抽象和关联的类:

enum WhileState {BREAK, CONTINUE, YIELD}
abstract class WhileLoop<T>
{
    private boolean is_done;
    public boolean isDone() { return is_done;}
    private T rval;
    public T getReturnValue() {return rval;} 
    protected void setReturnValue(T val)
    {
        rval = val;
    }


    public T loop()
    {
        while(true)
        {
            WhileState state = execute();
            if(state == WhileState.YIELD)
                return getReturnValue();
            else if(state == WhileState.BREAK)
                    {
                       is_done = true;
                return null;
                    }
        }
    }
    protected abstract WhileState execute();
}

这里的基本技巧是移动local变量为class变量并将范围块转换为类,这使我们能够在产生返回值后“重新进入”“循环”。

现在来实现我们的生产者

public class SampleProducer : CoroutineProducer<Object>
{
    private WhileLoop<Object> loop;//our control structures become state!!
    public SampleProducer()
    {
        loop = new WhileLoop()
        {
            private int other_state;//our local variables become state of the control structure
            protected WhileState execute() 
            {
                //this implements a single iteration of the loop
                if(is_done) return WhileState.BREAK;
                //read input
                //parse input
                Object calcluated_value = ...;
                //update is_done, figure out if we want to continue
                setReturnValue(calculated_value);
                return WhileState.YIELD;
            }
        };
    }
    public Object Produce()
    {
        Object val = loop.loop();
        return val;
    }
    public boolean isDone()
    {
        //we are done when the loop has exited
        return loop.isDone();
    }
}

类似的技巧可以用于其他基本控制流结构。理想情况下,您可以构建这些帮助程序类的库,然后使用它们来实现这些简单的接口,最终为您提供协同例程的语义。我确信我在这里写的所有内容都可以进行概括和扩展。

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