在 Linux 系统中，协程并非内核原生支持的调度实体，而是完全在用户空间实现的一种并发编程范式，它通过在用户态进行轻量级的上下文切换，实现了比线程更高效的并发处理能力，尤其适用于网络 I/O 密集型等高并发场景，其核心实现机制围绕着用户态调度、上下文切换以及栈管理这几个关键技术点展开。
核心原理：用户态调度与上下文切换
协程的本质是“可以暂停和恢复执行的函数”，与线程由内核进行抢占式调度不同，协程的调度权完全掌握在用户程序手中，这被称为协作式调度，一个协程可以主动执行挂起操作，将 CPU 执行权让给另一个协程，并在未来的某个时刻从挂起点恢复执行，这种调度模式绕开了内核，避免了系统调用的巨大开销,从而实现了极高的切换效率。
实现协作式调度的关键在于上下文切换，当一个协程需要暂停时，必须保存当前的执行上下文，包括 CPU 寄存器（如指令指针 rip、栈指针 rsp、通用寄存器等）和栈状态，当需要恢复该协程时，再从保存的区域中恢复这些上下文信息，使其仿佛从未中断过一样继续执行，Linux 下的协程实现，其核心就是设计一套高效、安全的用户态上下文切换机制。
实现路径：从 POSIX 到汇编
在 Linux 平台上，实现用户态上下文切换主要有两种技术路径：一种是基于 POSIX 标准的 ucontext 族函数,另一种则是直接使用汇编语言进行底层操作。
基于 ucontext 的实现
ucontext（用户上下文）是 POSIX 标准提供的一套用于操作用户态执行上下文的 API,它主要包括以下几个函数：
getcontext(ucp): 获取当前执行上下文，并保存到ucontext_t结构体中。makecontext(ucp, func, argc, ...): 修改一个由getcontext获取的上下文，使其指向一个新的函数func，并设置好栈指针和参数，这个函数让上下文“准备就绪”。setcontext(ucp): 激活指定的上下文，当前上下文会丢失，程序跳转到ucp指向的位置继续执行,不会返回。swapcontext(oucp, ucp): 保存当前上下文到oucp，然后激活ucp指向的上下文，这是实现协程切换的核心函数，它同时完成了“保存”和“恢复”两个动作。
使用 ucontext 实现协程的流程相对直观：为每个协程分配独立的栈空间，通过 getcontext 初始化上下文，然后使用 makecontext 将其与协程函数绑定，在协程切换时，调用 swapcontext 即可，这种方式的优点是标准化、可移植性好，代码逻辑清晰，但其缺点也十分明显：ucontext 函数实现较为笨重，需要保存和恢复的上下文信息过多，导致切换性能不佳,在现代高性能库中已较少使用。
基于汇编代码的实现
为了追求极致的性能，主流的高性能协程库（如腾讯的 libco、Boost.Context）都选择直接使用汇编语言来编写上下文切换的核心逻辑，这种方式可以精确控制只保存和恢复最关键的寄存器,从而将切换开销降到最低。
其基本思想如下：
- 分配栈：为每个协程从堆上分配一块内存作为其独立的运行栈。
- 构造上下文：在新协程的栈顶，手动构造一个“伪装”的栈帧，这个栈帧中存放着协程函数的入口地址、参数以及切换回来时需要恢复的寄存器值。
- 编写切换函数：用汇编实现一个核心的
swap函数，该函数通常接收两个参数，分别指向当前协程（old）和目标协程（new）的上下文保存区域。 - 保存与恢复：
swap函数的逻辑是：- 将当前 CPU 的关键寄存器（
rip,rsp,rbx,r12–r15等）保存到old指向的内存区域。 - 从
new指向的内存区域加载寄存器值到 CPU。 - 通过
ret或jmp指令，跳转到新的指令指针rip处,从而完成切换。
- 将当前 CPU 的关键寄存器（
通过汇编，开发者可以针对特定 CPU 架构（如 x86-64）进行深度优化，仅保存 callee-saved 寄存器（被调用者保护寄存器），因为 caller-saved 寄存器（调用者保护寄存器）在编译器生成的函数调用代码中通常已经处理,这使得协程切换的代价甚至可以媲美一次函数调用的开销。
关键设计抉择：栈管理
除了上下文切换机制，协程的栈管理也是一个核心设计点，它直接影响内存的使用效率和切换性能，主要分为两种模型：独立栈和共享栈。
| 特性 | 独立栈 | 共享栈 |
|---|---|---|
| 内存占用 | 高，每个协程都需要预分配一块固定大小的栈空间（如 128KB），若协程数量巨大，内存消耗会非常可观。 | 低，所有协程共享一个大的栈空间，每个协程在运行时只占用其实际使用的栈大小。 |
| 切换开销 | 低，切换时仅需交换栈指针（rsp）和少量寄存器，无需内存拷贝。 |
高，切换时需要将当前协程的栈内容拷贝到堆内存的“备份区”，再将目标协程的栈内容从备份区拷贝回共享栈。 |
| 实现复杂度 | 低，逻辑简单，易于实现和调试。 | 高，需要精细管理栈的拷贝与恢复，处理栈溢出等问题也更为复杂。 |
| 适用场景 | 协程数量相对可控，对性能要求极致的场景。 | 需要支持海量（百万级）协程，对内存占用敏感的场景。 |
独立栈模型因其简单高效而被广泛采用，但需要权衡栈空间大小，设置过大会浪费内存，过小则可能导致栈溢出，共享栈模型通过牺牲一部分切换性能，极大地节约了内存,使得在有限的内存资源下创建海量协程成为可能。
Linux 下的协程实现是一门在用户空间精雕细琢的艺术，它通过巧妙的用户态调度机制，将并发的粒度从线程细化到函数级别，其核心在于实现一个高效的上下文切换函数，无论是基于可移植的 ucontext API，还是为性能而生的汇编代码，都旨在最小化切换带来的性能损失，栈管理的独立栈与共享栈两种设计，为开发者在内存和性能之间提供了灵活的权衡空间，正是这些精巧的设计，使得协程在构建高性能、高并发的 Linux 服务端应用中扮演着越来越重要的角色。
