Lua coroutine 不一样的多线程编程思路

Sunday, Apr 26th, 2009 by Tim | Tags: coroutine, Lua

上周末开始看《Lua程序设计》第二版，目前体会到其中比较有趣的有两点，一是强大的table数据结构，另外就是coroutine。也许Lua 中的coroutine是一种很好的设计模式，但我初步的体会还是没想到其他语言和场合能非常适合用到coroutine的场景。

协同程序与线程差不多，也就是一条执行序列，拥有自己独立的栈，局部变量和指令指针，同时又与其它协同程序共享全局变量和其它大部分东西。线程与协同程序的主要区别在于，一个具有多线程的程序可以同时运行几个线程，而协同程序却需要彼此协作地运行。就是说，一个具有多个协同程序的程序在任何时刻只能运行一个协同程序，并且正在运行的协同程序只会在其显示地挂起时，它的执行才会暂停。

如：

co = coroutine.create(function ()
for i=1,10 do
print("co", i)
coroutine.yield()
end
end)

从主线程调用
coroutine.resume(co)
会依次打印1到10

二、原理探析

coroutine创建的所谓的“线程”都不是真正的操作系统的线程，实际上是通过保存stack状态来模拟的。
由于是假的线程，所以切换线程的开销极小，同时创建线程也是轻量级的，new_thread只是在内存新建了一个stack用于存放新coroutine的变量，也称作lua_State

LUA_API lua_State *lua_newthread (lua_State *L)

调用yield()当前线程交出控制权，同时还可以通过stack返回参数。调用resume的线程(可理解为主线程)获得返回的参数。
Lua yield()和Java中的Thread.yield()有点相似，但是区别更大。Java中的yield调用后只是将当前CPU切换到另外一个线程，CPU可能随时会继续回到线程执行。
我更倾向于把Lua中的yield()和resume()和Java中的wait()和notify()来对比。它们表现的行为基本一致。
关于stack实现也可参看Yufeng(Erlang高手)的分析文章 lua coroutine是如何实现的？

三、Why coroutine?

上面对coroutine有个基本的了解，因此大家都会象我一样去想，为什么要用coroutine？先研究下优点

每个coroutine有自己私有的stack及局部变量。
同一时间只有一个coroutine在执行，无需对全局变量加锁。
顺序可控，完全由程序控制执行的顺序。而通常的多线程一旦启动，它的运行时序是没法预测的，因此通常会给测试所有的情况带来困难。所以能用coroutine解决的场合应当优先使用coroutine。

再看缺点，研究coroutine缺点之前，我寻找了一下Lua中为什么实现coroutine的一些说明。在巴西人写的paper Coroutines in Lua(pdf)中解释了几个原因：

Lua是ANSI C实现的，ANSI C并不包含thread的实现，因此如果要在Lua增加thread的支持就要使用操作系统本地的实现，这样会造成通用的问题。同时也会使Lua变得臃肿。因此Lua选择了在ANSI C上实现的coroutine。
Lua主要设计目的之一是给C调用，如果Lua内部又有多线程实现的话会造成C调用状态的混乱，而只提供coroutine层面的挂起则可以保持状态的一致性。

以上这些理由都是基于Lua特殊的原因而使用的，并不是很通用的原因。我们也了解到，coroutine实际上是一种古老的设计模式，它在60年代就已经定型，但是现代语言很少有重视这个特性，目前可以举例的有Windows的fibers, Python的generators

四、Lua coroutine和Erlang

上面优点有1条没展开，就是每个coroutine有自己私有的stack及内存变量空间。因此可以认为coroutine和Erlang中的 process是非常相似的。但是coroutine只能同时只有一个在执行，如果能让他多个同时跑，我觉得就和Erlang非常相似了。

《Lua程序设计》第二版30.2介绍的一种实现方法，让多个c threads启动，然后每个c thread启动一个coroutine(类似Erlang process)，然后通过stack传递变量值(类似Erlang process message)，这样就可以实现一个类似Erlang的process模型了。由于coroutine实际上可以用任何语言实现，那其他语言应该也可实现同样这种设计方法。

五、Lua其他

Lua目前主要用在游戏编程领域，通常的观点Lua是“胶水语言”。用来把各个模块化的功能粘合起来。就我目前阅读的一些代码来看，C和Lua通常是混合在一起的，并没有明确的边界。对于我一个外行的眼光看来我分不清哪些是在做C的事情，哪些是在调用Lua。特别是这个“胶水”如果放得太多，系统中各个模块的独立性将会受到影响。比如云风的这篇Lua 不是 C++也提到，“这属于过厚的粘合层，是绝对需要抛弃的”。

另外Code@Pig一篇[网游设计] 一点感想也提到要简化调用，我总结它的观点主要两点：