在现代C++开发中，协程（Coroutine）作为一种轻量级的并发编程模型，正逐渐被开发者所重视。尤其是在需要延迟计算、逐个产生数据的场景下，生成器（Generator）模式显得尤为实用。本文将带你从零开始，使用C++20标准中的协程特性，实现一个简单的生成器，并深入理解其背后的工作机制。

传统的函数一旦返回，其执行上下文就会被销毁，无法再次从中断处继续执行。而协程则不同，它可以在运行过程中通过co_yield暂停自身，保留当前的状态，待下一次调用时从中断点恢复执行。这种能力使得协程非常适合用于实现惰性求值的数据流，比如无限序列、大文件逐行读取或网络数据流处理等。

要实现一个生成器，首先我们需要定义一个符合协程规范的返回类型。这个类型必须包含一个名为promise_type的嵌套类型，它是协程状态管理的核心。我们以一个返回整数的生成器为例：

cpp

include

include

struct Generator {
struct promisetype { int currentvalue;

    std::suspend_always initial_suspend() { return {}; }
    std::suspend_always final_suspend() noexcept { return {}; }
    Generator get_return_object() { return Generator{this}; }

    void return_void() {}
    std::suspend_always yield_value(int value) {
        current_value = value;
        return {};
    }

    void unhandled_exception() { std::terminate(); }
};

using handle_type = std::coroutine_handle<promise_type>;

explicit Generator(promise_type* p)
    : coro(handle_type::from_promise(*p)) {}

~Generator() {
    if (coro) coro.destroy();
}

Generator(const Generator&) = delete;
Generator& operator=(const Generator&) = delete;

Generator(Generator&& other) noexcept
    : coro(other.coro) {
    other.coro = nullptr;
}

Generator& operator=(Generator&& other) noexcept {
    if (this != &other) {
        if (coro) coro.destroy();
        coro = other.coro;
        other.coro = nullptr;
    }
    return *this;
}

int value() const { return coro.promise().current_value; }

bool move_next() {
    if (!coro || coro.done()) return false;
    coro.resume();
    return !coro.done();
}

private:
handle_type coro;
};

上述代码中，promise_type定义了协程的行为：yield_value在每次调用co_yield时被触发，保存当前值并挂起；get_return_object返回供外部使用的生成器对象；而initial_suspend和final_suspend控制协程启动和结束时是否挂起。

接下来，我们可以编写一个使用该生成器的函数，例如生成斐波那契数列：

cpp Generator fibonacci() { int a = 0, b = 1; while (true) { co_yield a; int next = a + b; a = b; b = next; } }

使用方式非常直观：

cpp int main() { auto gen = fibonacci(); for (int i = 0; i < 10; ++i) { if (gen.move_next()) { std::cout << gen.value() << " "; } } std::cout << std::endl; return 0; }

输出结果为：0 1 1 2 3 5 8 13 21 34

整个过程无需预计算所有值，而是按需生成，节省内存且响应迅速。这正是生成器的魅力所在。

值得注意的是，C++20的协程是无栈协程（stackless coroutine），这意味着它们不能在任意嵌套层级中挂起，只能在最外层的协程函数中使用co_yield、co_await等关键字。但这也带来了更高的性能和更低的开销。

此外，生成器对象的生命周期管理至关重要。由于协程状态由堆上分配的帧维护，我们必须确保在不再需要时正确销毁句柄，避免资源泄漏。上面的移动语义设计正是为此服务。

总结来说，C++20协程为实现高效、优雅的生成器提供了语言级别的支持。通过合理设计promise_type和协程句柄的封装，我们可以轻松构建出功能强大且易于使用的惰性序列生成工具。随着编译器对协程支持的日益成熟，这类技术将在实际项目中发挥越来越重要的作用。