はじめに

定義

コンピューター・サイエンスにおいて、ルーチンとは命令の連なりのことであると定義されます。複数のルーチンの実行が親子関係を形づくり、子は必ず親よりも先に終了します。コルーチン（この用語はメルヴィン・コンウェイが導入¹）は、ルーチンを一般化したものです（ドナルド・クヌース²）。コルーチンとルーチンの主な違いは、コルーチンがその進行の停止と再開を明示的に行えることにあります。これは、追加の命令で実行状態を保存することで行えます。したがって、強化された制御フロー（実行コンテキストを管理します）を提供するのです。

仕組み

関数 foo() と bar() が、それぞれ代わる代わる実行（関数の本文を抜けたり入ったりする）されてほしいです。

もしコルーチンがルーチンと全く同じように呼びだされたなら、スタックは呼び出されるごとに伸び、ポップされることはないでしょう。リターンアドレスがスタックエントリの一番上でしょうから、コルーチンの中間にジャンプすることが出来ないのです。

解決法は、各コルーチンが自身のスタックとコントロールブロック（Boost.Contextのboost::contexts::fcontext_t）を持つことです。コルーチンが停止される前に、現在アクティブなコルーチンのvolatileでないレジスタ（スタックと命令・プログラムポインターを含みます）をそのコルーチンのコントロールブロックに保存します。新しく作動したコルーチンのレジスターは、再開する前に関連付けられたコントロールブロックから回復される必要があります。

コンテキストスイッチはシステム特権を必要としないので、C++に便利な協調的マルチタスクを提供します。コルーチンは擬似並列処理を提供します。プログラムに幾つかのことを同時に行わせたいとき、コルーチンはこれを単一の制御フローを用いるよりも簡潔かつ優雅に行う助けになります。利点は特に再帰関数を用いた時に明らかになります。例えば二分木をトラバーサルするときです（例「same fringe」を参照）。

特性

コルーチンの特性³は:

• ローカルデータの値が連続する呼び出し（コンテキストスイッチ）の間で持続する
• 実行の停止はコントロールがコルーチンを残すことで行われ、後に再開される
• 対称あるいは非対称コントロール移動機構（以下を参照）
• 一級オブジェクト（引数として渡せて、returnで返せて、データ構造に保存して後で使えて、開発者が自由に操作できる）
• スタックフルまたはスタックレス

コルーチンは、協調タスク（ファイバー）、イテレーター、ジェネレーター、無限リスト、パイプなどのコンポーネントの実装をサポートするので、シミュレーション、人工知能、並行プログラミング、テキスト処理、データ操作と言った領域で便利です。

実行移動機構

２つのカテゴリのコルーチンがあります。対称と非対称です。

非対称コルーチンはその呼び出し元を知っていて、暗黙的に呼び出し元へコントロールを譲る特別な命令を使えます。それに対して、すべての対称コルーチンは同等です。１つの対称コルーチンがどれか他の対称コルーチンにコントロールを渡します。よって、対称コルーチンは必ず、コントロールをどのコルーチンに譲るか明示する必要があります。

両方の概念は等しいものなので、完全に一般的なコルーチンライブラリーは対称と非対称のどちらのコンセプトも提供できます。

スタックフル性

スタックレスコルーチンに対して、スタックフルコルーチンはネストしたスタックフレームの内側から停止できます。実行はコードの前回停止した場所と正確に同じ地点から再開されます。スタックレスコルーチンの場合は、トップレベルのルーチンだけが停止されます。いかなるトップレベルのルーチンから呼ばれたルーチンも、自身を停止しません。これは停止・再開操作を汎用的なライブラリー内のルーチンに提供することを不可能にします。

一級継続

一級継続は引数として渡したり、関数から返されたり、データ構造に保存してあとから使うことが出来ます。幾つかの実装（例：C#のyield）においては、継続は直接アクセスしたり、直接操作したり出来ません。

スタックフル性と一級セマンティクス無しには、いくつかの便利な実行コントロールフローをサポートできません（例えば、協調的マルチタスクやチェックポイントです）。

¹. Conway, Melvin E.. "Design of a Separable Transition-Diagram Compiler". Commun. ACM, Volume 6 Issue 7, July 1963, Article No. 7 ↩

². Knuth, Donald Ervin (1997). "Fundamental Algorithms. The Art of Computer Programming 1", (3rd ed.) ↩

³. Moura, Ana Lucia De and Ierusalimschy, Roberto. "Revisiting coroutines". ACM Trans. Program. Lang. Syst., Volume 31 Issue 2, February 2009, Article No. 6 ↩