通过 C++20 协程制作 python 生成器

Question

假设我有这个 python 代码：

def double_inputs():
    while True:
        x = yield
        yield x * 2
gen = double_inputs()
next(gen)
print(gen.send(1))

正如预期的那样打印“2”。我可以像这样在 c++20 中制作生成器：

#include <coroutine>

template <class T>
struct generator {
    struct promise_type;
    using coro_handle = std::coroutine_handle<promise_type>;

    struct promise_type {
        T current_value;
        auto get_return_object() { return generator{coro_handle::from_promise(*this)}; }
        auto initial_suspend() { return std::suspend_always{}; }
        auto final_suspend() { return std::suspend_always{}; }
        void unhandled_exception() { std::terminate(); }
        auto yield_value(T value) {
            current_value = value;
            return std::suspend_always{};
        }
    };

    bool next() { return coro ? (coro.resume(), !coro.done()) : false; }
    T value() { return coro.promise().current_value; }

    generator(generator const & rhs) = delete;
    generator(generator &&rhs)
        :coro(rhs.coro)
    {
        rhs.coro = nullptr;
    }
    ~generator() {
        if (coro)
            coro.destroy();
    }
private:
    generator(coro_handle h) : coro(h) {}
    coro_handle coro;
};

generator<char> hello(){
    //TODO:send string here via co_await, but HOW???
    std::string word = "hello world";
    for(auto &ch:word){
        co_yield ch;
    }
}

int main(int, char**) {
    for (auto i = hello(); i.next(); ) {
        std::cout << i.value() << ' ';
    }
}

这个生成器只是一个字母一个字母地生成一个字符串，但是这个字符串是硬编码的。在 python 中，不仅可以从生成器中产生一些东西，而且也可以从生成器中产生一些东西。我相信它可以通过 C++ 中的 co_await 来完成。

我需要它像这样工作：

generator<char> hello(){
    std::string word = co_await producer; // Wait string from producer somehow 
    for(auto &ch:word){
        co_yield ch;
    }
}

int main(int, char**) {
    auto gen = hello(); //make consumer
    producer("hello world"); //produce string
    for (; gen.next(); ) {
        std::cout << gen.value() << ' '; //consume string letter by letter
    }
}

我怎样才能做到这一点？如何使用 c++20 协同程序制作这个“生产者”？

Answer 1

如果你想这样做，你基本上有两个问题需要克服。

首先是C++是一种静态类型语言。这意味着需要在编译时知道所涉及的所有内容的类型。这就是为什么您的 generator 类型需要是一个模板，以便用户可以指定它从协程到调用者的牧羊人类型。

所以如果你想要这个bi-directional接口，那么something你的hello函数必须指定输出类型和输入类型。

最简单的方法是创建一个对象并将对该对象的非const 引用传递给生成器。每次它执行 co_yield 时，调用者都可以修改引用的对象，然后请求一个新值。协程可以从引用中读取并查看给定的数据。

但是，如果您坚持使用协程的未来类型作为输出和输入，那么您需要同时解决第一个问题（通过使您的 generator 模板采用 OutputType 和InputType) 以及第二个问题。

看，您的目标是为协程获取一个值。问题在于该值的来源（调用协程的函数）有一个未来的对象。但是协程 无法访问 未来的对象。它也不能访问 future 引用的 promise 对象。

或者至少，它不能轻易做到。

有两种方法可以解决这个问题，适用于不同的用例。第一个操纵协程机制以通过后门方式进入 promise。第二个操纵属性 of co_yield 来做基本相同的事情。

转换

协程的 promise 对象通常是隐藏的，协程无法访问。未来对象可以访问它，承诺创建该对象并充当承诺数据的接口。但它也可以在 co_await 机器的某些部分访问。

具体来说，当您对协程中的任何表达式执行 co_await 时，机器会查看您的承诺类型以查看它是否具有名为 await_transform 的函数。如果是这样，它将在每个表达式上调用该承诺对象的 await_transform co_await （至少，在您直接编写的 co_await 中，不是隐式等待，例如 co_yield).

创建的等待

因此，我们需要做两件事：在承诺类型上创建 await_transform 的重载，并创建一个其唯一目的是允许我们调用该 await_transform 函数的类型。

所以看起来像这样：

struct generator_input {};

...

//Within the promise type:
auto await_transform(generator_input);

一个简短的笔记。像这样使用 await_transform 的缺点是，通过为我们的承诺指定此函数的一个重载，我们会影响任何使用此函数的协程中的 every co_await类型。对于生成器协程，这不是很重要，因为没有太多理由 co_await 除非你正在做这样的黑客攻击。但是，如果您正在创建一个更通用的机制，可以明确地等待任意可等待对象作为其生成的一部分，那么您就会遇到问题。

好的，所以我们有这个 await_transform 函数；这个功能需要做什么？它需要 return 一个可等待的对象，因为 co_await 将等待它。但是这个可等待对象的目的是传递对输入类型的引用。幸运的是，co_await 用于将可等待对象转换为值的机制由可等待对象的 await_resume 方法提供。所以我们可以 return 一个 InputType&:

//Within the `generator<OutputType, InputType>`:
    struct passthru_value
    {
        InputType &ret_;

        bool await_ready() {return true;}
        void await_suspend(coro_handle) {}
        InputType &await_resume() { return ret_; }
    };


//Within the promise type:
auto await_transform(generator_input)
{
    return passthru_value{input_value}; //Where `input_value` is the `InputType` object stored by the promise.
}

这使协程可以通过调用 co_await generator_input{}; 访问该值。请注意，此 return 是对该对象的引用。

可以很容易地修改 generator 类型以允许修改存储在承诺中的 InputType 对象。只需添加一对 send 函数来覆盖输入值：

void send(const InputType &input)
{
    coro.promise().input_value = input;
} 

void send(InputType &&input)
{
    coro.promise().input_value = std::move(input);
}

这代表了一种非对称传输机制。协程在它自己选择的地点和时间检索一个值。因此，它没有真正的义务立即响应任何变化。这在某些方面是好的，因为它允许协程将自己与有害更改隔离开来。如果您在容器上使用 range-based for 循环，则外部世界不能（在大多数情况下）直接修改该容器，否则您的程序将显示 UB。所以如果协程那样脆弱，它可以从用户那里复制数据，从而防止用户修改它。

总而言之，所需的代码并不多。下面是经过这些修改的 run-able example of your code：

#include <coroutine>
#include <exception>
#include <string>
#include <iostream>

struct generator_input {};


template <typename OutputType, typename InputType>
struct generator {
    struct promise_type;
    using coro_handle = std::coroutine_handle<promise_type>;

    struct passthru_value
    {
        InputType &ret_;

        bool await_ready() {return true;}
        void await_suspend(coro_handle) {}
        InputType &await_resume() { return ret_; }
    };

    struct promise_type {
        OutputType current_value;
        InputType input_value;


        auto get_return_object() { return generator{coro_handle::from_promise(*this)}; }
        auto initial_suspend() { return std::suspend_always{}; }
        auto final_suspend() { return std::suspend_always{}; }
        void unhandled_exception() { std::terminate(); }
        auto yield_value(OutputType value) {
            current_value = value;
            return std::suspend_always{};
        }

        void return_void() {}

        auto await_transform(generator_input)
        {
            return passthru_value{input_value};
        }
    };

    bool next() { return coro ? (coro.resume(), !coro.done()) : false; }
    OutputType value() { return coro.promise().current_value; }

    void send(const InputType &input)
    {
        coro.promise().input_value = input;
    } 

    void send(InputType &&input)
    {
        coro.promise().input_value = std::move(input);
    } 

    generator(generator const & rhs) = delete;
    generator(generator &&rhs)
        :coro(rhs.coro)
    {
        rhs.coro = nullptr;
    }
    ~generator() {
        if (coro)
            coro.destroy();
    }
private:
    generator(coro_handle h) : coro(h) {}
    coro_handle coro;
};

generator<char, std::string> hello(){
    auto word = co_await generator_input{};

    for(auto &ch: word){
        co_yield ch;
    }
}

int main(int, char**)
{
    auto test = hello();
    test.send("hello world");

    while(test.next())
    {
        std::cout << test.value() << ' ';
    }
}

更顺从

使用显式 co_await 的替代方法是利用 co_yield 的属性。也就是说，co_yield 是一个表达式，因此它有一个值。具体来说，它（大部分）等同于 co_await p.yield_value(e)，其中 p 是承诺对象（哦！）而 e 是我们要产生的。

幸运的是，我们已经有了一个yield_value功能；它 returns std::suspend_always。但它也可以 return 一个总是挂起的对象，但是也 co_await 可以解压成 InputType&:

struct yield_thru
{
    InputType &ret_;

    bool await_ready() {return false;}
    void await_suspend(coro_handle) {}
    InputType &await_resume() { return ret_; }
};

...

//in the promise
auto yield_value(OutputType value) {
    current_value = value;
    return yield_thru{input_value};
}

这是一种对称传输机制；对于您产生的每个价值，您都会收到一个价值（可能与之前的价值相同）。与显式 co_await 方法不同，您无法在开始生成它们之前 收到值 。这可能对某些界面有用。

当然，您可以根据需要组合它们。

通过 C++20 协程制作 python 生成器

Making python generator via c++20 coroutines

python

c++

yield

c++20

c++-coroutine

转换

更顺从