C/C++でコルーチンを実装する方法をわかりやすく解説

この記事では、C/C++におけるコルーチン（coroutines）の仕組みについて、実際のサンプルプログラムを通じて解説します。

コルーチンとは、2つのルーチン間で実行の制御を相互に切り替えることができる特殊な制御命令のことです。通常の関数呼び出しでは、呼び出された関数が完了すると制御は必ず元の呼び出し元に戻りますが、コルーチンでは処理を中断した地点の状態を保持したまま制御を渡し、次回の呼び出し時にその続きから実行を再開できます。この特性を活かすことで、イテレータや協調的マルチタスクなどが実装可能になります。

標準のC言語にはコルーチン構文が用意されていないため、ここでは static変数 と switch文 を組み合わせることで、コルーチンのような動作をシミュレートする手法を紹介します。

サンプルコード

#include<stdio.h>
int range(int a, int b){
   static long long int i;
   static int state = 0;
   switch (state){
   case 0:
      state = 1;
      for (i = a; i < b; i++){
         return i;
      //ここで制御をmainに返す
      case 1:; //次回呼び出し時にここから実行を再開
      }
   }
   state = 0;
   return 0;
}
int main(){
   int i;
   for (; i=range(1, 5);)
      printf("control at main :%d\n", i);
   return 0;
}

実行結果

control at main :1
control at main :2
control at main :3
control at main :4

コードの解説

このプログラムのポイントは、以下の2つのstatic変数にあります。

• static long long int i：ループカウンタの値を関数呼び出し間で保持します。
• static int state：現在の実行状態（どのcaseから再開するか）を記憶します。

初回呼び出し時は state が 0 なので case 0 から実行が始まり、for ループの1周目で return i により制御が main 関数へ戻ります。このとき、switch 文の内側に case 1 を配置することで（Duff's deviceと呼ばれる手法）、次回呼び出し時にはループの途中から処理を再開できる仕組みです。

範囲の終端に達すると state が 0 に戻り、関数は 0 を返して終了します。これにより、main 側の for ループも終了します。実行結果を見ると、1から4までの値が1つずつ main に渡されていることが確認でき、まさにコルーチン特有の「中断と再開」の動作が実現できています。

なお、C++20以降では言語仕様としてコルーチン（co_await、co_yield、co_return）が正式に導入されているため、このようなトリッキーな実装を行わなくても、より安全で可読性の高いコルーチンを記述できるようになりました。