LUA 协程 Coroutine

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LUA 协程 Coroutine

Tinywan. 2017-07-19 16:54:09 浏览1727
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协程 Coroutine

协程(coroutine)并不是 Lua 独有的概念,如果让我用一句话概括,那么大概就是:一种能够在运行途中主动中断,并且能够从中断处恢复运行的特殊函数。(嗯,其实不是函数。)

举个最原始的例子:

下面给出一个最简单的 Lua 中 coroutine 的用法演示:

function greet()
    print "hello world"
end

co = coroutine.create(greet) -- 创建 coroutine

print(coroutine.status(co))  -- 输出 suspended
print(coroutine.resume(co))  -- 输出 hello world
                             -- 输出 true (resume 的返回值)
print(coroutine.status(co))  -- 输出 dead
print(coroutine.resume(co))  -- 输出 false    cannot resume dead coroutine (resume 的返回值)
print(type(co))              -- 输出 thread

协程在创建时,需要把协程体函数传递给创建函数 create。新创建的协程处于 suspended 状态,可以使用 resume 让其运行,全部执行完成后协程处于 dead 状态。如果尝试 resume 一个 dead 状态的,则可以从 resume 返回值上看出执行失败。另外你还可以注意到 Lua 中协程(coroutine)的变量类型其实叫做「thread」Orz...

乍一看可能感觉和线程没什么两样,但需要注意的是 resume 函数只有在 greet 函数「返回」后才会返回(所以说协程像函数)。

 函数执行的中断与再开

单从上面这个例子,我们似乎可以得出结论:协程果然就是某种坑爹的函数调用方式啊。然而,协程的真正魅力来自于 resume 和 yield 这对好基友之间的羁绊。

函数 coroutine.resume(co[, val1, ...])

开始或恢复执行协程 co。

如果是开始执行,val1 及之后的值都作为参数传递给协程体函数;如果是恢复执行,val1 及之后的值都作为 yield 的返回值传递。

第一个返回值(还记得 Lua 可以返回多个值吗?)为表示执行成功与否的布尔值。如果成功,之后的返回值是 yield 的参数;如果失败,第二个返回值为失败的原因(Lua 的很多函数都采用这种错误处理方式)。

当然,如果是协程体函数执行完毕 return 而不是 yield,那么 resume 第一个返回值后跟着的就是其返回值。

函数 coroutine.yield(...)

中断协程的执行,使得开启该协程的 coroutine.resume 返回。再度调用 coroutine.resume 时,会从该 yield 处恢复执行。

当然,yield 的所有参数都会作为 resume 第一个返回值后的返回值返回。

OK,总结一下:当 co = coroutine.create(f) 时,yield 和 resume 的关系如下图:

How coroutine makes life easier

如果要求给某个怪写一个 AI:先向右走 30 帧,然后只要玩家进入视野就往反方向逃 15 帧。该怎么写?

传统做法

经典的纯状态机做法。

-- 每帧的逻辑
function Monster:frame()
    self:state_func()
    self.state_frame_count = self.state_frame_count + 1
end

-- 切换状态
function Monster:set_next_state(state)
    self.state_func = state
    self.state_frame_count = 0
end

-- 首先向右走 30 帧
function Monster:state_walk_1()
    local frame = self.state_frame_count
    self:walk(DIRECTION_RIGHT)
    if frame > 30 then
        self:set_next_state(state_wait_for_player)
    end
end

-- 等待玩家进入视野
function Monster:state_wait_for_player()
    if self:get_distance(player) < self.range then
        self.direction = -self:get_direction_to(player)
        self:set_next_state(state_walk_2)
    end
end

-- 向反方向走 15 帧
function Monster:state_walk_2()
    local frame = self.state_frame_count;
    self:walk(self.direction)
    if frame > 15 then
        self:set_next_state(state_wait_for_player)
    end
end

协程做法

-- 每帧的逻辑
function Monster:frame()
    -- 首先向右走 30 帧
    for i = 1, 30 do
        self:walk(DIRECTION_RIGHT)
        self:wait()
    end

    while true do
        -- 等待玩家进入视野
        while self:get_distance(player) >= self.range do
            self:wait()
        end

        -- 向反方向走 15 帧
        self.direction = -self:get_direction_to(player)
        for i = 1, 15 do
            self:walk(self.direction)
            self:wait()
        end
    end
end

-- 该帧结束
function Monster:wait()
    coroutine.yield()
end

额外说一句,从 wait 函数可以看出,Lua 的协程并不要求一定要从协程体函数中调用 yield,这是和 Python 的一个区别。

协同程序(coroutine,这里简称协程)是一种类似于线程(thread)的东西,它拥有自己独立的栈、局部变量和指令指针,可以跟其他协程共享全局变量和其他一些数据,并且具有一种挂起(yield)中断协程主函数运行,下一次激活恢复协程会在上一次中断的地方继续执行(resume)协程主函数的控制机制。

Lua 把关于协程的所有函数放在一个名为 “coroutine” 的 table 里,coroutine 里具有以下几个内置函数:

-coroutine-yield [function: builtin#34]
|         -wrap [function: builtin#37]
|         -status [function: builtin#31]
|         -resume [function: builtin#35]
|         -running [function: builtin#32]
|         -create [function: builtin#33]

coroutine.create - 创建协程

函数 coroutine.create 用于创建一个新的协程,它只有一个以函数形式传入的参数,该函数是协程的主函数,它的代码是协程所需执行的内容

co = coroutine.create(function() 
    io.write("coroutine create!\n") 
end)
print(co)

当创建完一个协程后,会返回一个类型为 thread 的对象,但并不会马上启动运行协程主函数,协程的初始状态是处于挂起状态

coroutine.status - 查看协程状态

协程有 4 种状态,分别是:挂起(suspended)、运行(running)、死亡(dead)和正常(normal),可以通过 coroutine.status 来输出查看协程当前的状态。

print(coroutine.status(co))

coroutine.resume - 执行协程

函数 coroutine.resume 用于启动或再次启动一个协程的执行

coroutine.resume(co)

协程被调用执行后,其状态会由挂起(suspended)改为运行(running)。不过当协程主函数全部运行完之后,它就变为死亡(dead)状态。

传递给 resume 的额外参数都被看作是协程主函数的参数

co = coroutine.create(function(a, b, c)
    print("co", a, b, c)
end)
coroutine.resume(co, 1, 2, 3)

协程主函数执行完时,它的主函数所返回的值都将作为对应 resume 的返回值

co = coroutine.create(function()
    return 3, 4
end)
print(coroutine.resume(co))

coroutine.yield - 中断协程运行

coroutine.yield 函数可以让一个运行中的协程中断挂起

co = coroutine.create(function()
    for i = 1, 3 do
        print("before coroutine yield", i)
        coroutine.yield()
        print("after coroutine yield", i)
    end
end)
coroutine.resume(co)

coroutine.resume(co)
上面第一个 resume 唤醒执行协程主函数代码,直到第一个 yield。第二个 resume 激活被挂起的协程,并从上一次协程被中断 yield 的位置继续执行协程主函数代码,直到再次遇到 yield 或程序结束。

resume 执行完协程主函数或者中途被挂起(yield)时,会有返回值返回,第一个值是 true,表示执行没有错误。如果是被 yield 挂起暂停,yield 函数有参数传入的话,这些参数会接着第一个值后面一并返回

co = coroutine.create(function(a, b, c)
    coroutine.yield(a, b, c)
end)
print(coroutine.resume(co, 1, 2, 3))

以 coroutine.wrap 的方式创建协程

跟 coroutine.create 一样,函数 coroutine.wrap 也是创建一个协程,但是它并不返回一个类型为 thread 的对象,而是返回一个函数。每当调用这个返回函数,都会执行协程主函数运行。所有传入这个函数的参数等同于传入 coroutine.resume 的参数。 coroutine.wrap 会返回所有应该由除第一个(错误代码的那个布尔量) 之外的由 coroutine.resume 返回的值。 和 coroutine.resume 不同之处在于, coroutine.wrap 不会返回错误代码,无法检测出运行时的错误,也无法检查 wrap 所创建的协程的状态

function wrap(param)
    print("Before yield", param)
    obtain = coroutine.yield()
    print("After yield", obtain)
    return 3
end
resumer = coroutine.wrap(wrap) 
 
print(resumer(1))
 
print(resumer(2))

coroutine.running - 返回正在运行中的协程

函数 coroutine.running 用于返回正在运行中的协程,如果没有协程运行,则返回 nil

print(coroutine.running())
 
co = coroutine.create(function() 
    print(coroutine.running())
    print(coroutine.running() == co)
end)
coroutine.resume(co)
 
print(coroutine.running())

resume-yield 交互

下面代码放在一个 lua 文件里运行,随便输入一些字符后按回车,则会返回输出刚才输入的内容

function receive(prod)
    local status, value = coroutine.resume(prod)
    return value
end
 
function send(x)
    coroutine.yield(x)
end
 
function producer()
    return coroutine.create(function()
        while true do
            local x = io.read()
            send(x)
        end
    end)
end
 
function filter(prod)
    return coroutine.create(function()
--      for line = 1, math.huge do
        for line = 1, 5 do
            local x = receive(prod)
            x = string.format("%5d Enter is %s", line, x)
            send(x)
        end
    end)
end
 
function consumer(prod)
--  repeat
--      local x = receive(prod)
--      print(type(x))
--      if x then
--          io.write(x, "\n")
--      end
--  until x == nil 
    while true do
        local obtain = receive(prod)
        if obtain then
            io.write(obtain, "\n\n")
        else
            break
        end
    end
end
 
p = producer()
f = filter(p)
consumer(f)

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