有堆疊與無堆疊協程

協同式多工解釋了 Coroutine（協程）為什麼能在排程上比執行緒（Thread）便宜，但還沒回答另一個問題：當一個 Coroutine 被暫停又恢復時，它的執行狀態到底存在哪裡？這就牽涉到 Coroutine 的另一個核心分類：有堆疊協程（Stackful Coroutine）與無堆疊協程（Stackless Coroutine）。

為什麼需要保存狀態#

不論是執行緒還是 Coroutine，「暫停 / 恢復」的本質都是：

把當前的執行位置記下來（程式計數器、變數、呼叫關係）。
等下次被排程時，從記下的位置繼續往下跑。

執行緒是怎麼做到的？每條執行緒都有自己的呼叫堆疊（Call Stack），切換時 OS 會儲存暫存器、堆疊指標、頁表狀態等資訊，下次再還原。這套機制完整但成本高。

Coroutine 也要解決同樣的問題，不過它有兩種設計選擇。

有堆疊協程（Stackful Coroutine）#

有堆疊協程給每個 Coroutine 配一個獨立的呼叫堆疊：

暫停時把整個堆疊儲存起來，恢復時換回來。
因為有自己的堆疊，所以可以在任意函式裡呼叫 yield() 或對應的暫停 API，不限制呼叫位置。
缺點是每個 Coroutine 都要付出堆疊空間的成本，數量大時記憶體占用會明顯。

許多語言用的是這條路線，例如 Lua 的 coroutine、Go 的 goroutine（雖然 Go runtime 對堆疊做了動態調整）。

無堆疊協程（Stackless Coroutine）#

Kotlin 的 Coroutine 走的是另一條路：無堆疊協程。它不為每個 Coroutine 配一個獨立堆疊，而是把暫停所需的狀態存在物件裡。

關鍵字是 Continuation：

每個 suspend 函式（suspend function）背後都隱含一個 Continuation 實例。
Coroutine 暫停時，把當下的區域變數、執行位置等資訊塞進 Continuation。
恢復時呼叫 Continuation 的 resumeWith(...)，從上次斷點繼續。

換句話說，Continuation 就是 Coroutine 內部的回呼（Callback），編譯器把 suspend 函式拆成一個狀態機，每個暫停點就是一個狀態。從外面看是線性的程式，從內部看是回呼鏈。

Kotlin Coroutine 使用 CPS（Continuation-Passing Style）轉換實作 suspend。雖然底層仍是回呼，但這層轉換由編譯器自動完成，使用者寫的還是線性風格的程式。

為什麼 Kotlin 選擇無堆疊#

選擇無堆疊有幾個直接好處：

記憶體輕：不需要為每個 Coroutine 保留獨立堆疊，狀態只是個物件。
可以與 JVM 緊密整合：Coroutine 跑在普通的 JVM 執行緒上，對偵錯與監控工具友善。
對函式庫作者友善：不必額外維護堆疊管理。

代價也很明顯：

不能在任意位置 suspend：suspend 函式只能從 suspend 函式或 Coroutine 範圍內呼叫，不能在普通函式中間隨手讓出。
編譯後狀態機變多，呼叫鏈在堆疊追蹤上會比較不直覺。

CoroutineScope 與 Continuation 的關係#

第一個 Coroutine 程式裡用到的 coroutineScope { ... }，作用之一就是提供承載 Continuation 的環境。當你在 scope 中呼叫 suspend 函式時：

編譯器會把 Continuation 傳進去。
suspend 函式利用這個 Continuation 把工作完成後的「下一步」串起來。
因為 Continuation 與 scope 綁在一起，scope 結束時內部的 Coroutine 也會收尾。

這也解釋了 suspend 函式為什麼一定要在 CoroutineScope 中執行：沒有 scope 就沒有對應的 Continuation，編譯器無從產生狀態機的串接。

小結#

Coroutine 的「暫停 / 恢復」要解決的是執行狀態保存的問題。
有堆疊協程（Stackful Coroutine）給每個 Coroutine 一個獨立堆疊，靈活但成本高。
無堆疊協程（Stackless Coroutine）把狀態放進 Continuation 物件，輕量但需要 suspend 配合。
Kotlin Coroutine 選擇了無堆疊路線，搭配編譯器的 CPS 轉換，讓我們可以用線性語法寫非同步程式。

原文出處#

原書/iThome：https://ithelp.ithome.com.tw/articles/10261501
原書/iThome：https://ithelp.ithome.com.tw/articles/10262296
書本：Kotlin 小宇宙（iThome 鐵人賽系列書）