一、ucontext基本要义
1、如何实现协程
要说到如何实现，我们就需要先知道我们具体需要实现哪些东西：
（1） 协程的数据结构，用于保存上下文
（2） 调度器，用于调度协程
（3） resume语义，运行某个特定的协程（从上次让出的时间片处开始）
（4） yield语义，协程主动让出CPU。
在多线程中，线程的调度是由内核完成的，码农作为用户基本上无从插手。而当你在用户态实现协程时，理所当然时间片是否让出，如何让出都要在用户态完成，那么让出的这个动作，就是yield——当然，为了保证下次运行当前任务还能从你让出的这个时空开始，还需要把这个任务的上下文保存到某处，比如：一个ucontext结构中。
2、ucontext_t 上下文
linux中已实现了ucontext结构，给用户让渡了一部分控制代码上下文的能力。ucontext_t 中保存的上下文主要包括以下几个部分：
（1） 运行时各个寄存器的值
（2） 运行栈（堆就不用保存了，你存不存，他都在那里，不来不去）
（3） 信号
基本上有了这些，就可以有效地在用户态保存运行现场了，以上的枚举只是一个大概的思路。那么ucontext_t的定义如下：
typedef struct ucontext {
/* pointer to the context that will be resume when this context returns */ struct ucontext *uc_link;
/* the set of signals that are blocked when this context is active */ sigset_t uc_sigmask;
/* the stack used by this context */ stack_t uc_stack;
/* a machine-specific representation of the saved context */ mcontext_t uc_mcontext;
...
} ucontext_t; 当然，系统实现的具体内容可能远远不止这些，但是标准里的规定，就是至少有这些字段。
OK，那我们就此得到了一个可以保存上下文的结构，它有
（1） 当本上下文退出时，将会激活的上下文
（2） 当本上下文激活时，需要被阻塞的信号
（3） 可以指定的运行栈，上下文可以在这个栈上运行
（4） 硬件相关的上下文集，保存具体的寄存器
我们可以发挥一下想象力，有了他们我可以做什么呢？
（1） 指定某个函数运行，然后运行完了恢复到调度器的上下文继续调度，用uc_link字段实现——是不是颇有点线程池的感觉？
（2） 指定上下文运行在某个指定的栈上
（3） 把上下文切来切去，就像setjmp和longjmp干的事情一样
3、调用相关的API
为了实现这些功能，linux 共定义了四个函数 ：
#include <ucontext.h>
int getcontext(ucontext_t *ucp);
int setcontext(const ucontext_t *ucp); getcontext： 使用当前上下文初始化指定ucontext_t 结构体， 就是获取当前上下文，并保存到ucp指向的ucontext_t实例中。
setcontext： 则是从ucp指向的实例恢复上下文到现场， 这个函数一旦调用成功，是不会返回的，因为 EIP 已经指向待跳转的状态了。 不过setcontext还是有几点需要注意：
- 如果ucp的来源是getcontext，则是像上次getcontext调用刚返回一样运行。
- 如果ucp的来源是makecontext，则会先调用makecontext的func函数（就是第二个参数那个函数指针），func返回后进入uc_link指定的上下文中执行。如果这个成员为NULL，则线程退出。
- 还有一种来源是signal handler，就是sigsetjmp和siglongjmp，但是现在已经很少用了。
void makecontext(ucontext_t *ucp, void (*func)(), int argc, ...);
int swapcontext(ucontext_t *oucp, const ucontext_t *ucp); makecontext： 将指定 ucontext_t 结构体修改为执行指定函数，通过这个函数我们可以为即将调用的函数手动分配运行的栈空间； 调用可以修改getcontext得到的上下文——也就是说make之前，你要先get。makecontext可以做下面几件事：
- 指定运行栈
- 指定swap或者set调用后运行的函数（指定为func）
- 指定上面那个函数运行完后，要切换到的那个上下文
swapcontext： 做的事情就很简单：getcontext到oucp，然后用ucp去setcontext。 这个函数有点类似 getcontext 和 setcontext 的组合，它首先将当前状态保存，然后跳转到新的状态去。需要注意的是，被保存的状态 EIP 是这个函数返回后的下一条语句。
二、协程的实现
1、创建（create）
要运行协程，首先要创建协程，而要自己撸一个协程库，则需要创建一个Scheduler来调度他，并且在他上面去创建协程。
由于协程刚刚创建时，是不需要运行的，直到第一次切到这个协程，所以创建的时候我们只需要准备好运行的函数指针，和一些其他标志状态和必要的量就可以了。
2、唤醒（resume）
协程的唤醒，就需要准备一些事情了。首先，我们可能需要在唤醒之前把现场保存下来。然后唤醒目标协程的上下文，当然这就需要我们先判断一下协程是否是第一次唤醒，第一次的话，就需要get & make一下context，不是的话，直接setcontext就可以切到目标协程了。写成伪代码大概是这样：
if target coroutine is new:
getcontext =>target coroutine
target stack => target coroutine
makecontext => target coroutine
getcontext => schedule routine
set context <= target routine
else:
target stack => target corutine
swap coroutine schdule context <=> target context 3、让出（yield）
协程的让出，和唤醒干的事差不多，只不过变成了它的逆过程：保存栈，恢复上下文到调度器的上下文。写成伪代码大概是这样的：
save stack
tag this routine old routine
swap context target context <=> schdule context 这样执行完yield之后，就可以切到resume刚执行完swapcontext那样了。是的，就像你刚刚执行完那个调用，然后什么都没发生一样。
详细可参考文章：
三、协程的应用
编写一个 用斐波那契数列的计算调用，来理解协程的调用过程：
#include <stdio.h>
#include <ucontext.h>
#include <unistd.h>
int fib_res;
ucontext_t main_ctx, fib_ctx;
char fib_stack[1024 * 32];
void calc_fib() {
// (1111111)
int a0 = 0, a1 = 1;
while(1) {
fib_res = a0 + a1;
a0 = a1; a1 = fib_res;
printf("calc_fib res=%d\n", fib_res);
//将结果发送给外部，并移交控制权
swapcontext(&fib_ctx, &main_ctx); // (bbbbb)
// (3333333)
}
}
void test_case() {
// 初始化当前的上下文
getcontext(&fib_ctx);
fib_ctx.uc_link = 0;
fib_ctx.uc_stack.ss_sp = fib_stack; //指定运行栈
fib_ctx.uc_stack.ss_size = sizeof(fib_stack);
fib_ctx.uc_stack.ss_flags = 0;
//修改fib_ctx运行calc_fib, 且不带参数
makecontext(&fib_ctx, calc_fib, 0);
while(1){
// 通过交换上下文将控制权传递给calc_fib()
swapcontext(&main_ctx, &fib_ctx); // (aaaaaaa)
// (22222222)
printf("test_case fib=%d\n", fib_res);
if (fib_res > 100) break;
}
}
int main() {
test_case();
return 0;
} 代码中相关的调用我都加了注释，下面我来简单描述一下执行的过程：
- 首先标号 (aaaa) 调用会将控制权转交给 fib_ctx指定的上下文，也就是31行初始化设置的calc_fib 函数同时保存状态，由于 fib_ctx 之前是由 makecontext 函数修改过的，所以这次跳转会跳转到标号 (111111) 这个位置。
- calc_fib 计算好一次迭代的结果，通过标号 (bbbbb) 将控制权交回 main 函数，跳转到之前保存的状态，即标号 (2222222)。
- main_ctx的处理逻辑中，会检查 如果 fib_res <= 100，标号 (aaaaa) 继续执行，由于标号 (bbbbbb) 的调用保存了之前 calc_fib 的状态，所以这次跳转到标号 (333333) 的位置， calc_fib 继续之前的状态执行。
至此，我们就在 C语言 中实现了这个简单的协程， 运行结果如下:
