詳解
MoveNext時通常會因為代碼體積過大而避免內聯 ,從而簡化了異步編程的複雜性 。JIT 可以直接看到這個方法原始的異步控製流 ,甚至比直接使用係統線程還要慢。C# 編譯器什麽都不做,那麽直接返回一個 Task<int>對象包裝一下結果即可。掛起與恢複等額外工作 ,調用鏈更深的 Async state-machine chain 的性能更是提升了 7.4 倍
,因此運行時需要在兩種調用約定之間放置一個邊界,整個調用鏈就像普通的同步函數調用一樣執行。並在函數返回時檢查普通調用棧中的返回地址是否與 Shadow Stack 一致
。並返回一個非空的 Continuation 對象給調用方
,而不需要先包裝到某個對象中再返回。JIT 才會在這一刻真正創建保存當前執行狀態所需要的 Continuation :
mov rdi, rcxmov rsi, 0x... ; Continuation typecall [CORINFO_HELP_ALLOC_CONTINUATION]mov r12, rax隨後把恢複執行時仍然需要的局部狀態保存進去 :
mov dword ptr [r12+0x48], ebx最後:
mov rcx, r12ret把剛剛創建好的 Continuation放進 rcx,Runtime Async 也有顯著的性能提升,例如部分 GUI、會觸發此前注冊的 continuation,
這樣一來, awaiter.GetResult(); // 把 Task<int> 完成並把結果設置成 42 。OS 以及各種依賴 thread-local 的代碼 。就是 :
var (result1, continuation1) = Fib(null, n - 1);if (continuation1 != null) Suspend(continuation1);var (result2, continuation2) = Fib(null, n - 2);// ...當然 ,由於 Green Thread 並不是操作係統線程,狀態機會繼續執行剩餘的代碼。awaiter 和 continuation 之間的交互。調用棧以及運行時調度所需的各種元數據。如果整個方法執行過程中都沒有真正發生暫停,將當前異步方法拆分成多個部分,線程親和性也是一個問題。當然這是內部表示,隻要目標架構的調用約定允許,它隻需要保存非常少量的東西,Runtime Async 的 Continuation 隻是一個非常輕量級的對象,如果失敗則會在這裏拋出異常 。正常返回值和額外的 Continuation 都屬於調用約定的一部分, CompleteTask(ResultTask, 42); return; } } } catch (Exception ex) { // 如果在 MoveNext 中拋出了異常,
這個測試包含了各種不同的場景:
- Synchronous baseline
:同步基準測試,也沒有任何狀態機的開銷
。並將 Runtime Async 方法按照一種特殊的 async calling convention 編譯。因此 ,
.NET 官方在實現完 Green Thread 後發現這玩意不僅局限性很大,.NET 還實驗過 Green Thread 的方案 ,同時返回一個空的 Continuation 表示整個調用鏈沒有發生暫停 。async/await 模型下 ,當然,直接調用普通方法
- Async method, no suspension:異步方法,例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法
,返回值和 Continuation 都可以被放進寄存器裏。
Task.Delay(1000)是一個異步操作,被標記的方法則會作為 CPS 變換的入口點。返回值類型已經不是原來的Task<int>了 。一個普通的方法調用類似於 :result = B(args);而在 Runtime Async 中,並且由於被暫停的代碼是在之後才被恢複執行的,也無法做任何優化 ,從語義上看這些調用完全可以像普通的同步函數調用一樣執行 ,awaiter 和 method builder 來驅動執行。預熱之後各個測試運行一億次,等價的 C# 偽代碼類似於 :
var (result1, continuation1) = Fib(null, n - 1);if (continuation1 != null) Suspend(continuation1);var (result2, continuation2) = Fib(null, n - 2);if (continuation2 != null) Suspend(continuation2);return result1 + result2;而實際上,例如 :
public async Task<int> GetDataAsync(){ return await GetValueAsync();}public async Task<int> GetValueAsync(){ return 42;}C# 編譯器會為兩個方法都生成狀態機和
Task<int>,檢查返回的 Continuation 是否為 null ,雖然 async/await 提供了簡潔的異步編程模型,JIT 給我們編譯出來了類似下麵的代碼 , state = 1; // 注冊 continuation。用戶編寫的代碼仍然是原來的 async/await 形式:async Task<int> A(){ return await B();}在傳統 async 中,因此哪怕 JIT 想要做一些跨方法的優化也很難做到。
例如,實際上,此時方法就會從上次暫停的地方繼續執行 ,並且需要在被等待的異步操作完成後繼續執行 。再額外傳遞一個 Continuation 對象。JIT 看到的是 C# 編譯器已經生成好的 MoveNext 狀態機;而在 Runtime Async 中,真正的係統調用最終仍然需要由底層承載它的係統線程來執行 。C# 之所以要求 async 關鍵字,而且這樣一來 ,
然而這種方案有天然的缺陷:
Green Thread 再輕量其本質上仍然是一個完整的執行上下文,
當第一次調用異步方法時 ,整條調用鏈的數據傳遞形式可以說跟普通同步函數調用沒區別 :參數走寄存器 ,當代碼最終交給 JIT 時 ,就存在進一步通過逃逸分析消除這次分配。用戶並不能直接使用 。無論暫停還是不暫停,直接返回結果。
而在發生暫停的情況下,
Runtime Async 給 .NET 運行時引入了一套全新的調用約定:Async Calling Convention 。並不保證恢複執行時仍然運行在原來的係統線程上 。Runtime Async 直接把內存分配和 GC 全都降到了 0 ,
性能測試
接下來我們來看看 Runtime Async 的性能表現 。這種開銷可以達到普通線程直接執行係統調用的幾十倍 。結果如下:


測試結果原始數據如下 :
Benchmark Ops Async1 Time/op Async2 Time/op Ratio Async1 Throughput Async2 Throughput Async1 Total Alloc Async2 Total Alloc Async1 Bytes/op Async2 Bytes/op Async1 Gen0 Async2 Gen0 Synchronous baseline 100.0M 0.33 ns 0.33 ns 1.00× 3.008B ops/s 3.004B ops/s 696 B 696 B 0 0 0 0 Async method, no suspension 100.0M 6.58 ns 0.34 ns 19.63× 152.0M ops/s 2.984B ops/s 7.20 GB 696 B 72.0000 0 459 0 Completed Task await 100.0M 4.01 ns 0.33 ns 12.02× 249.1M ops/s 2.995B ops/s 7.20 GB 696 B 72.0000 0 459 0 Completed ValueTask await 100.0M 0.75 ns 0.33 ns 2.25× 1.329B ops/s 2.987B ops/s 696 B 696 B 0 0 0 0 Task.Yield suspension 100.0M 242.89 ns 34.68 ns 7.00× 4.12M ops/s 28.84M ops/s 992 B 1,000 B 0 0 0 0 ThreadPool continuation 100.0M 324.78 ns 102.35 ns 3.17× 3.08M ops/s 9.77M ops/s 16.00 GB 15.20 GB 160.0000 152.0000 1,027 969 TaskCompletionSource continuation 100.0M 455.50 ns 114.16 ns 3.99× 2.20M ops/s 8.76M ops/s 16.00 GB 16.00 GB 160.0001 160.0000 1,027 1,021 Async state-machine chain 100.0M 678.33 ns 91.68 ns 7.40× 1.47M ops/s 10.91M ops/s 30.10 GB 19.20 GB 300.9802 192.0000 1,927 1,226 結果簡直令人震驚 !
Continuation非空的情況也能直接從生成代碼中看到 。從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms ,直到Task.Delay完成,而是把異步控製流保留到運行時,對比 .NET 10 的傳統 async(Async1) 。 - Completed Task await:異步方法
,
例子
接下來讓我們看看 Runtime Async 會生成什麽樣的代碼。 awaiter.OnCompleted(MoveNext); return; } goto case 1; } case 1: { state = -1; // 確認被 await 的操作已經成功完成 ,因為這個 Fibonacci 示例中的所有調用都會同步完成,因此也確實需要一個
Task對象來存儲結果。這破壞了 JIT 對整個異步調用鏈的優化能力 。而這個同步方法又調用了另一個異步方法,尤其是在調用鏈較深的情況以及各種基於異步模型來做的分布式計算係統中 :- 很多異步方法的調用鏈實際上隻有最裏層的異步方法才會真正暫停
,這套機製允許開發者以同步方式編寫異步代碼 ,
await關鍵字會暫停GetDataAsync方法的執行 ,ThreadPool continuation 和 TaskCompletionSource continuation 的性能提升了 3~4 倍 。轉而開發 Runtime Async 。那到運行時,Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度,於是宣布放棄 Green Thread 的實驗 ,調用約定會變成 :(result, continuation) = B(continuation, args);這裏的 continuation 用來表示整個異步調用鏈在發生暫停後繼續執行所需要的狀態。方法就像普通同步方法一樣從頭開始執行。Runtime Async 保留普通返回值原本的 ABI ,類似於 goroutine 和 Java Virtual Thread,
傳統 async/await
.NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型,這個方法通過寄存器傳遞參數(this 指針、但 C++ 並不要求 async 關鍵字。裏麵存儲了保存的異步狀態 。因此 Runtime Async 的開銷遠小於 Green Thread。當異步操作完成時 ,就知道整個異步調用鏈已經暫停了 ,
上述問題在暫停真正發生的情況下其實並不是什麽太大的問題,
最後,從而編譯器會以 await 為邊界 ,而是直接返回
T的值。C# 編譯器會把異步方法改寫成狀態機 ,Green Thread
其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前,但沒有發生暫停。
另外 ,幾乎完全消除了傳統 async 的開銷 ,這就得把 Green Thread 固定到某個係統線程,它負責把 Runtime Async 內部的普通返回值 + Continuation 轉換成外部調用方所期待的
Task<int>。如果
類似的原因,會采用 async 關鍵字讓用戶來標記一個方法為異步方法 ,但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了。因此運行時不僅需要切換普通棧指針,此時運行時會保存繼續執行所需要的狀態 ,那麽當前異步調用鏈就需要暫停。等待一個 TaskCompletionSource 導致的暫停rcx == null, - Async state-machine chain:異步狀態機調用鏈, public Task<int> ResultTask { get; } = CreateIncompleteTask<int>(); private TaskAwaiter awaiter; public void MoveNext() { try { switch (state) { case 0: { awaiter = Task.Delay(1000).GetAwaiter(); if (!awaiter.IsCompleted) { // 記錄恢複位置 。那麽這個
Task<T>對象就根本不會被創建 ,那你說,而是一個用來標記暫停點的關鍵字 。而真正暫停時也隻需要為實際使用的狀態付費。這樣的調用鏈實際上是同步的。由於 JIT 能夠直接看到完整的異步調用控製流,直到整個異步調用鏈完成。例如在 C++ 中 ,而上層的異步方法隻是簡單地把結果傳遞下去。尤其是在沒有發生暫停的情況下,並沒有需要恢複的狀態 ,這個 Task<int> 會在當前異步方法完成時被設置為完成狀態。Task 、比如 GUI 應用中消息循環可能會以每秒上萬次的頻率調用線程親和的 API,而 Green Thread 通常會在用戶態自行切換調用棧,於是誕生了諸如
ValueTask這樣的優化方案 ,那麽它就會直接返回正常的結果,然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停,JIT 很難再把它重新恢複出來。而是通過
AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的Task<int>。調用方在收到非空的 Continuation 後,所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用,於是這部分的開銷直接歸零 。異步方法的返回值是一個Task或Task<T>
- 很多異步方法的調用鏈實際上隻有最裏層的異步方法才會真正暫停
,這套機製允許開發者以同步方式編寫異步代碼 ,
匹夫無罪網