CPS 变换与状态机

源：Coroutines design document (KEEP)

Kotlin 协程之所以能在没有原生 VM 支持的情况下实现挂起，全靠编译器的 CPS (Continuation Passing Style) 变换。

什么是 CPS？

CPS 即“续体传递风格”。简单来说，编译器会将挂起函数的签名进行转换：

源码签名

suspend fun fetchUser(id: String): User

转换后 (伪代码)

// 返回值变成了 Object，因为它可能返回数据，也可能返回挂起标志
fun fetchUser(id: String, completion: Continuation<User>): Any?

每一个 suspend 函数都会额外增加一个 Continuation 参数，这个参数本质上就是该函数运行后的“余下逻辑（续体）”。

状态机生成的原理

编译器会将协程体内的逻辑根据挂起点拆分成多个代码块，并生成一个 label 变量来记录当前执行到哪一步。

状态拆解示例

假设有如下代码：

suspend fun demo() {
    println("Start")
    val res = request() // 挂起点
    println("Result: $res")
}

编译器生成的逻辑类似于：

查看状态机伪代码

class DemoContinuation extends ContinuationImpl {
    int label = 0;
    Object result;

    @Override
    public Object invokeSuspend(Object result) {
        switch (this.label) {
            case 0:
                println("Start");
                this.label = 1;
                // 调用 request 并传入自己 (this)
                Object maybeSuspended = request(this);
                if (maybeSuspended == COROUTINE_SUSPENDED) return COROUTINE_SUSPENDED;
            case 1:
                // 恢复执行
                println("Result: " + result);
                return Unit.INSTANCE;
        }
    }
}

Continuation：续体对象

Continuation 是协程状态的容器，它包含：

• coroutineContext: 协程上下文。
• resumeWith(result): 用于恢复协程执行的方法。

挂起与恢复的闭环

1. 挂起：函数返回一个特殊的单例 COROUTINE_SUSPENDED。
2. 退出：线程退出当前的 invokeSuspend 执行。
3. 完成任务：异步操作（如 OkHttp 拦截器）完成后，拿到结果。
4. 恢复：调用 continuation.resume(result)，重新触发 invokeSuspend，此时 label 已更新，进入下一个 case。

性能考量：分配与开销

虽然 CPS 引入了额外的对象分配（每个挂起函数调用链都会生成或重用 Continuation），但 Kotlin 编译器进行了大量优化：

• 状态机重用：在同一个协程内，多个挂起点共享同一个 Continuation 实例。
• 内联优化：对于非挂起的路径，尽可能减少分支开销。

核心准则总结

1. 理解 label 是协程的“进度条”：它决定了恢复时从哪一行代码开始执行。
2. 挂起函数是对象而非纯函数：在底层，它们是带有状态的类成员。
3. 不要试图手动模拟 CPS：这是编译器的工作，手动操作极易破坏协程的原子性。