20分くらいでわかった気分になれるC++20コルーチン

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C++MIX #5資料

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2021-03-09 10:42:34

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1. 20分くらいで † わかった気分になれる C++20コルーチン 2019/9/4 C++MIX #5 †効果には個人差があります。C++20コルーチン 完全理解™️を保証するものではありません。 1

2. はじめに 誰? twitter @yohhoy / hatena id:yohhoy 何を? Coroutines C++20導入予定の コルーチン 概要を紹介 どうして? 勉強会駆動 C++20コルーチン調査 本日のディスカッション ネタ提供 2

3. Question: コルーチン? 並行タスク(Concurrency task) 非同期I/O(Asynchronous I/O) ジェネレータ(Generator) エラー伝搬(Error propagation) 3

4. Answer: C++20コルーチン 並行タスク(Concurrency task) 非同期I/O(Asynchronous I/O) ジェネレータ(Generator) エラー伝搬(Error propagation) 4

5. Answer: C++20コルーチン 並行タスク(Concurrency task) ハイレベル機能の 非同期I/O(Asynchronous I/O) 実装に利用する 低レベル言語仕様 と ジェネレータ(Generator) 新しい構文 を定義 エラー伝搬(Error propagation) 5

6. C++20コルーチンのユーザは誰? 並行タスク ライブラリ 非同期I/O ライブラリ ライブラリ プログラマ コルーチン コルーチン 言語仕様 言語仕様 ジェネレータ, etc. アプリケーション プログラマ co_await co_await co_yield co_yield co_return co_return 6

7. C++23, C++26, or someday 並行タスク ライブラリ 非同期I/O ライブラリ Parallel Algorithm Ranges Library std::expected Executors TS Networking TS ジェネレータ, etc. アプリケーション プログラマ 7

8. C++20コルーチン 標準ヘッダ<coroutine> coroutine_traits<R,Args...> coroutine_handle<Promise> suspend_never suspend_always noop_coroutine() 新キーワード co_await co_yield co_return カスタマイズポイント Promise type Awaitable type operator co_await 8

9. C++20コルーチン 9

10. C++20コルーチン 10

11. If you are 11

12. 関数とコルーチン C++コルーチンは関数を拡張したもの 関数(function) 呼出(call)により処理開始/呼出元へ復帰(return) コルーチン(coroutine) 呼出(call)により処理開始/呼出元へ復帰(return) 途中での中断(suspend)と再開(resume)をサポート 12

13. 関数とコルーチン 関数(サブルーチン) caller function call コルーチン return resume resume caller coroutine return call suspend suspend 13

14. 関数とコルーチン コルーチンを途中破棄 caller destroy coroutine 別スレッドから再開 caller thread#1 coroutine_handle移動 caller thread#2 coroutine 14

15. 関数とコルーチン 本体部にコルーチン構文が登場したらコルーチン 関数シグネチャからは区別しない/できない future<int> c1() { co_yield 42; } future<int> f1() { return make_future(42); } task<void> c2() { co_await read(); co_await write(); } task<void> f2() { return []{ read(); write(); }; } coroutine ※上記コード片は説明用のイメージです。 function 15

16. Asymmetric vs. Symmetric 非対称(Asymmetric)/対称(Symmetric)コルーチンの 両方をサポートする 非対称コルーチン 現コルーチンを中断=再開元(resumer)に戻る 大抵のケースでは非対称コルーチンが使われる 対称コルーチン 任意のコルーチンへと制御を移す(control transfer) 相手コルーチンを”知っている”ケースでのみ利用 16

17. Asymmetric vs. Symmetric Asymmetric Bookkeeping code coroutine#1 coroutine#2 coroutine#3 Symmetric coroutine#1 coroutine#2 coroutine#3 17

18. Stackless vs. Stackful C++コルーチンはスタックレス(Stackless) コルーチンでのみ co_await/co_yield を利用可能 ネストしたラムダ式や呼出先の関数では利用不可 中断/再開用のコールスタック保持不要のため軽量 【参考:スタックフル(Stackful)コルーチン】 任意のタイミングでコルーチン中断/再開が可能 Go言語のgoroutineや協調的ファイバ(Fiber)など 中断/再開用のコールスタックを保持するため高コスト 18

19. Stackless vs. Stackful 関数 f フレーム void f() { // suspend } task<void> g() // suspend f(); } void f() { // suspend } コルーチン g フレーム Stackless (C++コルーチン) コルーチン g フレーム task<void> g() // suspend f(); } Stackful 19

20. C++20コルーチン (再掲) 標準ヘッダ<coroutine> coroutine_traits<R,Args...> coroutine_handle<Promise> suspend_never suspend_always noop_coroutine() 新キーワード co_await co_yield co_return カスタマイズポイント Promise type Awaitable type operator co_await 20

21. C++コルーチンの実例 〜 アプリケーションプログラマ視点 〜 generator iota(int end) { for (int n = 0; n < end; ++n) co_yield n; } int main() { auto g = iota(10); for (auto e : g) std::cout << e << " "; } $ clang++ src.cpp -std=c++2a $ ./a.out 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 21

22. C++コルーチンの実例 〜 ライブラリプログラマ視点 〜 struct generator { struct promise_type { int value_; auto get_return_object() { return generator{*this}; } auto initial_suspend() { return std::suspend_always{}; } auto final_suspend() { return std::suspend_always{}; } auto yield_value(int v) { value_ = v; return std::suspend_always{}; } void return_void() {} void unhandled_exception() { throw; } }; using coro_handle = std::coroutine_handle<promise_type>; struct iterator { coro_handle coro_; bool done_; iterator& operator++() { coro_.resume(); done_ = coro_.done(); return *this; } bool operator!=(const iterator& rhs) const { return done_ != rhs.done_; } int operator*() const { return coro_.promise().value_; } }; // (cont.) // (cont.) ~generator() { if (coro_) coro_.destroy(); } generator(generator const&) = delete; generator(generator&& rhs) : coro_{std::exchange(rhs.coro_, nullptr)} {} iterator begin() { coro_.resume(); return {coro_, coro_.done()}; } iterator end() { return {{}, true}; } private: explicit

23. C++コルーチン At-a-Glance コルーチン開始時に 動的メモリ確保 Return object コルーチン開始時に オブジェクト生成 Return type コルーチン 中断処理 Coroutine state 型を導出 Promise object Promise type 引数, ローカル変数 generator iota(int end) { 再開位置情報 for(int n=0; n<end; ++n) co_yield n; } Awaiter object Awaitable type 取得 コルーチン 再開要求 中断時の 動作記述 coroutine_handle 23

24. コルーチンハンドル std::coroutine_handle<Promise> コルーチン再開用のハンドル型 Promise object経由でハンドルを取得する コルーチンの実行に対してハンドルが1:1対応 コルーチン 呼出(call) 再開(resume) co_await式 co_yield式 取得 from_promise コルーチン ハンドル 中断(suspend) 24

25. Promise コルーチン動作仕様を記述するユーザ定義クラス Promise typeはコルーチン戻り値型から導出 Promise objectはコルーチン実行と1:1対応 動作のカスタマイズポイントを規定 (constructor) initial_suspend get_return_object final_suspend yield_value return_value await_transform return_void unhandled_exception operator new/delete get_return_object_on_allocation_failure 25

26. Awaitable 中断/再開の動作仕様を記述するユーザ定義クラス コルーチン本体のco_await/co_yield動作を制御 コルーチン開始直後/終了直前の動作を制御 動作のカスタマイズポイントを規定 await_ready await_suspend await_resume <coroutine>提供クラス Trivial Awaitable std::always_suspend std::never_suspend 26

27. その他 std::coroutine_traitsトレイツ特殊化 コルーチン引数とPromise typeコンストラクタ co_yield式とyield_value co_return式とreturn_value/return_void co_await演算子オーバーロード unhandled_exceptionと例外処理 型消去(Type Erasure)されたstd::coroutine_handle<> std::coroutine_handleとvoidポインタ相互運用 ヒープメモリ確保省略最適化(“Halo”) ... 27

28. C++20コルーチン対応状況 コンパイラサポート状況 Clang, MSVC :部分的にサポート GCC, etc. :未対応 対応ライブラリ CppCoro - A coroutine library for C++ https://github.com/lewissbaker/cppcoro Boost.ASIO [Experimental] https://github.com/boostorg/asio Facebook Folly [Experimental] https://github.com/facebook/folly 28

29. まとめ C++20コルーチンは 処理の中断/再開をサポートする関数 軽量なスタックレスコルーチン ライブラリ実装用の低レベル部品のみ提供 多数のカスタマイズポイントを規定 C++20以後のコルーチン・ライブラリ発展に期待 君だけの 最強ライブラリを 作れるぞ! 29

30. [おまけ] More information Working Draft, Standard for Programming Language C++ http://eel.is/c++draft/ Halo: coroutine Heap Allocation eLision Optimization https://wg21.link/p0981r0 Impact of coroutines on current and upcoming library facilities https://wg21.link/p0975r0 Coroutine Theory https://lewissbaker.github.io/2017/09/25/coroutine-theory How C++ coroutines work https://kirit.com/How%20C%2B%2B%20coroutines%20work luncliff/coroutine https://luncliff.github.io/coroutine/Home/ C++コルーチン拡張メモ https://qiita.com/yohhoy/items/aeb3c01d02d0f640c067 30

31. [おまけ] Stackless vs. Stackful Stackful Coroutines(Fiber) fiber_context - fibers without scheduler [Oliver K., Nat G.] https://wg21.link/p0876r8 Fibers under the magnifying glass [Gor N.] https://wg21.link/p1364r0 Response to “Fibers under the magnifying glass” [Nat G., Oliver K.] https://wg21.link/p0866r0 Response to response to “Fibers under the magnifying glass” [Gor N.] https://wg21.link/p1520r0 Gorさん = C++20に統合されたCoroutines TS提案者 Oliverさん = Boost.Coroutine, Coroutine2, Fiber, Contextライブラリ作者 31