协程（三）协程与Continuation

理解Continuation

Continuation是一种描述程序的控制状态的抽象，它用一个数据结构来表示一个执行到指定位置的计算过程；这个数据结构可以由程序语言访问而不是隐藏在运行时环境中。Continuation在生成之后可作为控制结构使用，在调用时会从它所表示的控制点处恢复执行。

注意Continuation所保存的控制状态中并不包括数据。关于这一点有个很有趣的“Continuation三明治”的描述：

假设你在厨房里的冰箱前面，正打算做一个三明治。这时你获取一个Continuation放进兜里。然后从冰箱拿了些火鸡和面包做了个三明治，放在了桌子上。现在调用兜里的那个Continuation，你会发现你又站在了冰箱前，正打算做个三明治。但这时桌子上已经有个三明治了，而且火鸡和面包也不见了。于是你吃掉了三明治。

Continuation以及与相关的call/cc（Call-with-current-continuation）、CPS（Continuation-passing style）这几个概念比较难理解也容易混淆，要彻底把它们搞明白还真得花一番功夫。Continuation的资料也不多，这里列出几篇中文资料供参考：

• 从Continuation概念说到它在开发中的应用，这篇文章对Continuation的实现和CPS讲解得非常清楚。
• Continuations Made Simple and Illustrated，早年Python社区的讨论，有中文翻译简介延续“Continuation”。
• 尾递归与Continuation，老赵（@jeffz_cn）在C#中使用CPS的演示。

First-class continuation

Continuation这个术语很多时候也用于表示First-class continuation。这时它表示一种语言构造，使语言可以在任意点保存执行状态并且在之后的某个点返回。这里与协程做比较的正是First-class continuation（或者说是call/cc机制），而不是Continuation结构或CPS编程风格。

调用call/cc时，会把当前Continuation打包成一个第一类对象。然后这个捕获的Continuation被传给call/cc的参数——此参数必须是带一个参数的过程。如果在这个过程中没有调用Continuation就返回了，则返回值作为call/cc的值。如果在其中调用了Continuation并传给它一个值，则这个值立即返回到call/cc处。

基于First-class continuation很容易实现完全协程，主要思路是在切换协程时保存当前Continuation并调用目标协程的Continuation。以下是由Marc De Scheemaecker基于Ruby call/cc实现的完全对称协程：

class Coroutine
    def initialize(&block)
        # Creates a coroutine. The associated block does not run yet.
        @started = false
        @finished = false
        @block = Proc::new {
            callcc{|@cc|}
            block.call
            @finished = true
            @started = false
        }
    end

    def start
        # Starts the block. It's an error to call this method on a coroutine
        # that has already been started.
        raise "Block already started" if @started

        @started = true
        @block.call
    end

    def switch(coroutine)
        # Switches context to another coroutine. You need to call this method
        # on the current coroutine.
        switch = true

        if not coroutine.finished? then
            callcc{|@cc|}

            if switch then
                switch = false

                if coroutine.running? then
                    coroutine.continuation.call
                else
                    coroutine.start
                end
            end
        end
    end

    def running?
        # Returns true if the associated block is started and has not yet
        # finished
        @started and not @finished
    end

    def finished?
        # Returns true if the associated block is finished
        @finished
    end

    def continuation
        # Returns the associated continuation object
        @cc
    end

end

One-shot continuation

所谓One-shot continuation，即只允许调用一次的Continuation。标准的Continuation是允许多次调用（Multi-shot）的，但是很难高效地实现这样的Continuation，因为每次调用之前都必然要生成一个副本，而且在绝大多数情况下Continuation都只会被调用一次，受此启发Bruggeman et al.提出了One-shot continuation的概念和控制符call/1cc。One-shot continuation几乎可以所有应用中替换标准Continuation（包括上面协程的实现）。多次调用One-shot continuation会引发错误，无论是隐式调用（从传给call/1cc的过程中返回）还是显式调用（直接调用由call/1cc创建的Continuation）。

前面提到过完全协程与One-shot continuation的表达力是相同的，证明方式便是它们可以相互实现。从对称协程的视角来看，捕获一个One-shot continuation相当于新建一个协程并把控制传递给它。调用时相当于把控制返回给创建者。这种相似性使得基于对称协程可以很简洁地实现call/1cc。

下面是Lua实现One-shot continuation的代码，首先实现一个完全对称协程：

coro = {}
coro.main = function() end
coro.current = coro.main

-- function to create a new coroutine
function coro.create(f)
    local co = function(val)
        f(val)
        error("coroutine ended")
    end
    return coroutine.wrap(co)
end

-- function to transfer control to a coroutine
function coro.transfer(co, val)
    if coro.current == coro.main then
        return coroutine.yield(co, val)
    end

    -- dispatching loop
    while true do
        coro.current = co
        if co == coro.main then
            return val
        end
        co, val = co(val)
    end
end

然后是call1cc：

function call1cc(f)
    -- save the continuation "creator"
    local ccoro = coro.current
    -- invoking the continuation transfers control
    -- back to its creator
    local cont = function(val)
        if ccoro == nil then
            error("one shot continuation called twice")
        end
        coro.transfer(ccoro, val)
    end
    -- when a continuation is captured,
    -- a new coroutine is created and dispatched
    local val
    val = coro.transfer(coro.create(function()
        local v = f(cont)
        cont(v)
    end))
    -- when control is transfered back, the continuation
    -- was "shot" and must be invalidated
    ccoro = nil
    -- the value passed to the continuation
    -- is the return value of call1/cc
    return val
end

效率问题

可以看到，Continuation可以实现协程，同时协程也可以实现One-shot continuation，但这两种相反实现的效率并不相同。

在Bruggeman et al.描述的One-shot continuation实现中，控制栈由栈段（Stack segment）组成的链表表示，整个控制栈被构造成栈帧（Stack of frame）或活动记录（Activation record）。捕获Continuation时，当前栈段被保存到Continuation中，然后分配一个新的栈段。调用Continuation时，丢弃当前栈段，控制返回到之前保存的栈段。

创建一个协程同样包括分配一个单独的栈，但挂起和恢复协程的代价只比标准的函数调用略高。

使用协程实现One-shot continuation时，创建一个单独的协程——即栈“段”——就足以表示一个Continuation。因此，通过协程实现的One-shot continuation与直接实现效率几乎相同。而以Continuation实现协程时，通常每次协程挂起时都需要捕获一个新的Continuation。这导致每次控制转换都需要重新分配一个栈段，相比直接实现的协程效率要大大降低并且需要更多内存。

这里有一篇Lua、LuaJIT Coroutine和Ruby Fiber的切换效率对比，我猜测大概就是因为Ruby是在call/cc之上实现的Fiber。