现代 C++ 实战（27）：协程与 Actor 模型

第 26 篇的两个练手项目收尾了数据结构；系列最后一篇进入现代 C++ 的两条并发进阶路线：C++20 协程让异步代码像同步一样写，Actor 模型让并发像发消息一样简单。

demo：ref/cpp_demo/projects/learning_guide/（coroutine/ + actor/）。

这是「现代 C++ 实战」系列的第 27 篇（收官）。建议先读第 12 篇：多线程基础和第 14 篇：线程池。

一、协程基础：三个关键字

C++20 协程用编译器魔法把异步逻辑写成顺序代码：

关键字	作用	示例
`co_yield`	产生一个值并挂起	Generator
`co_await`	等待异步操作完成	Task
`co_return`	协程返回	结束协程

Generator<int> counter(int max) {
    for (int i = 1; i <= max; ++i) {
        co_yield i;   // 产生值，挂起
    }
}

for (int n : counter(5)) {
    std::cout << n << " ";  // 1 2 3 4 5
}

协程底层三件套：

概念	说明
`promise_type`	定义协程行为（挂起策略、返回值处理）
`coroutine_handle`	协程句柄，恢复/销毁
返回类型	必须包含 promise_type（如 `Generator<T>`）

二、Generator：惰性序列

Generator 是惰性的——只在迭代时才计算下一个值：

Generator<int> fibonacci(int count) {
    int a = 0, b = 1;
    for (int i = 0; i < count; ++i) {
        co_yield a;
        auto next = a + b;
        a = b; b = next;
    }
}

Generator<int> natural_numbers() {
    for (int i = 0; ; ++i) co_yield i;  // 无限序列
}

demo 提供函数式组合，类似 Ranges 管道：

// 取前 5 个偶数的平方
auto gen = take(
    map(filter(natural_numbers(), [](int x) { return x % 2 == 0; }),
        [](int x) { return x * x; }),
    5);

操作	作用
`map(gen, fn)`	变换每个元素
`filter(gen, pred)`	过滤
`take(gen, n)`	取前 n 个

三、Task：异步任务

Generator 用 co_yield；异步 I/O 用 co_await：

Task<int> async_compute() {
    co_await schedule_on(thread_pool);  // 切换到线程池
    int result = heavy_work();
    co_return result;
}

// 调用方
auto task = async_compute();
int val = co_await task;  // 等待完成

Task + Scheduler 实现协作式多任务：

主协程 ──co_await──> 挂起
                        │
线程池执行 heavy_work   │
                        │
主协程 <──resume──────── 完成

C++23 的 std::generator 是标准库版 Generator；Task 仍需自定义或使用第三方库（cppcoro、libunifex）。

四、Actor 模型概念

不要共享状态，通过消息传递。

Actor A                    Actor B
  │                          │
  │  ──── Ping{seq: 0} ────> │
  │  <─── Pong{seq: 0} ───── │
  │  ──── Ping{seq: 1} ────> │
  │  <─── Pong{seq: 1} ───── │

概念	说明
Actor	独立实体，拥有自己的状态
Mailbox	线程安全消息队列
Message	类型安全的消息（`std::variant`）
ActorRef	Actor 的引用，用于发送消息
ActorSystem	管理 Actor 生命周期

每个 Actor 单线程处理自己的邮箱——无锁共享状态，避免数据竞争。

五、Actor 实现要点

Mailbox：线程安全队列

template<typename T>
class Mailbox {
    std::queue<T> queue_;
    std::mutex mutex_;
    std::condition_variable cv_;
public:
    void send(T msg) {
        { std::lock_guard lock(mutex_); queue_.push(std::move(msg)); }
        cv_.notify_one();
    }
    std::optional<T> receive() {
        std::unique_lock lock(mutex_);
        cv_.wait(lock, [this] { return !queue_.empty() || closed_; });
        if (queue_.empty()) return std::nullopt;
        auto msg = std::move(queue_.front());
        queue_.pop();
        return msg;
    }
};

Actor 基类

class Actor : public std::enable_shared_from_this<Actor> {
    Mailbox<Message> mailbox_;
    std::thread thread_;
protected:
    virtual void on_receive(const Message& msg) = 0;
    void run() {
        while (auto msg = mailbox_.receive()) {
            on_receive(*msg);
        }
    }
};

Ping-Pong 演示

两个 Actor 互相发消息，演示消息传递而非共享变量：

class PingActor : public Actor {
    void on_receive(const Message& msg) override {
        if (msg.is<Pong>()) {
            ++count_;
            if (count_ < max_) pong_.send(Ping{count_}, self_shared());
        }
    }
};

demo 还包含：Counter Actor、Worker Pool、状态机 Actor。

六、协程 vs Actor vs 线程池

模型	优势	劣势	适用
线程池	成熟、简单	回调地狱、共享状态	CPU 密集、通用并发
协程	异步代码线性化	生态仍在发展	I/O 密集、网络服务
Actor	无共享状态、易推理	消息开销、调试难	分布式、状态机、游戏

选型决策树：
  I/O 密集 + 需要线性代码？ → 协程
  多实体 + 状态隔离？       → Actor
  CPU 密集 + 任务队列？     → 线程池（第 14 篇）
  简单同步？               → std::thread + mutex

三者可组合：Actor 内部用协程处理消息，线程池作为协程调度器。

七、运行 demo

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3

cd ref/cpp_demo/projects/learning_guide
./build.sh --run
# 选择 coroutine 或 actor 模块

协程演示：Generator 基础、斐波那契、map/filter/take 组合、Task 异步、调度器。

Actor 演示：Mailbox 多线程、Ping-Pong、Counter、Worker Pool、状态机。

需要 C++20 编译器（协程支持）。

八、系列总结：28 篇回顾

「现代 C++ 实战」系列至此完结。28 篇（00–27）覆盖五条主线：

季	篇号	主题	核心收获
第零季	00–02	环境与基础	CMake、版本地图、工具链
第一季	03–11	语言特性	移动语义、智能指针、Lambda、C++17/20/23
第二季	12–17	并发与工程	线程、同步、线程池、设计模式、测试
第三季	18–23	算法与数据结构	排序、哈希、树、图、字符串、DP
第四季	24–27	进阶项目	HTTP、SQLite、LRU/JSON、协程/Actor

学习路线建议：
  00 环境 → 01 CMake → 02 版本地图
       ↓
  03–11 语言特性（按顺序）
       ↓
  12–17 并发与工程
       ↓
  18–23 算法（可跳跃阅读）
       ↓
  24–27 项目实战（综合运用）

39 个 demo 在 ref/cpp_demo/，统一 ./build.sh --run 运行。大纲详见 docs/CPP_SERIES_OUTLINE.md。

九、小结

要点	内容
协程	`co_yield` / `co_await` / `co_return`
Generator	惰性序列，支持 map/filter/take
Task	异步任务 + 调度器
Actor	消息传递、Mailbox、无共享状态
选型	I/O→协程，隔离→Actor，CPU→线程池