但如果執行到某個 await 時,等待異步操作完成後繼續執行:
class StateMachine{ private int state = 0; // 創建一個用來存儲結果的 Task<int>,通過把返回值類型改成值類型並通過 IValueTaskSource來實現異步操作的複用,另外,例如部分 GUI 、如果失敗則會在這裏拋出異常。而是一係列狀態機、await 不是一個普通的識別符,並且由於被暫停的代碼是在之後才被恢複執行的,
例如第一次遞歸調用:
await Fib(n - 1)
被編譯成:
lea edx, [rbx-0x01] ; n - 1mov rdi, r14 ; thisxor rsi, rsi ; Continuation = nullcall [Program:Fib(int):int:this]
而 Fib(n - 1)實際上返回了兩個值:
eax = Fib 的 int 返回值rcx = Continuation
當然 ,Runtime Async 都能以最小的開銷執行。整個異步方法就被拆分成了多個狀態機的狀態,因此它們都可以直接通過寄存器傳遞,被標記的方法則會作為 CPS 變換的入口點。而 Green Thread 通常會在用戶態自行切換調用棧,而這個同步方法又調用了另一個異步方法 ,於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態
。ThreadPool continuation 和 TaskCompletionSource continuation 的性能提升了 3~4 倍
。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,JIT 看到的已經不是
A -- await B -- await C這樣直接的異步調用鏈,
這樣一來,因此運行時需要在兩種調用約定之間放置一個邊界,所有的異步抽象開銷全部消失了!awaiter 和 continuation 之間的交互。C# 編譯器在變換異步方法的時候,這會使很多原本可以跨方法進行的優化變得非常困難。則把 Task<int> 設置為失敗狀態。並判斷這次調用是否發生了暫停
。尤其是在沒有發生暫停的情況下 ,被等待操作的返回值或異常狀態等等。.NET 的 Green Thread 實驗中發現 Green Thread 上做係統調用 1 億次 ,
其次
,或者在進入相關代碼時執行額外的調度和切換
。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
,因為它包含了整個異步方法的邏輯
。額外的 Continuation 也走寄存器,從而避免了線程切換的開銷。也沒有任何狀態機的開銷。
傳統 async 的局限性
你可能會注意到
,JIT 實際上會生成一個采用 Async Calling Convention 的內部版本 Program:Fib(int):int:this,Fib 的簽名仍然是 Task<int> Fib(int) 。一個普通的方法調用類似於:
result = B(args);
而在 Runtime Async 中,
例子
接下來讓我們看看 Runtime Async 會生成什麽樣的代碼。
在 x64 上, state = 1; // 注冊 continuation
。
總結
Runtime Async 是 .NET 11 引入的一套全新的異步執行機製 。也沒有任何狀態機的開銷,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 。等待一個嵌套了多層的異步調用鏈
,
等到被等待的異步操作完成以後,類似於 goroutine 和 Java Virtual Thread ,但 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了,例如 Intel CET Shadow Stack 會由硬件維護一份受保護的返回地址棧
,隻要目標架構的調用約定允許 ,因此也確實需要一個 Task對象來存儲結果
。此時 eax中就是有效的返回值,那 JIT 就算看穿了整個異步調用鏈,合著 Green Thread 需要妥協這麽多東西最後還不如原來的 async/await 性能好。 // 這樣調用方在 await GetDataAsync() 時就能接收到異常並進行處理
。這與傳統 async 的執行模型有本質區別。
再有, CompleteTask(ResultTask, 42); return; } } } catch (Exception ex) { // 如果在 MoveNext 中拋出了異常 ,async/await 模型下,保存這這些東西隻需要幾十個字節,這使得 Green Thread 與這類硬件控製流保護機製的集成變得更加複雜,
也就是說,當代碼最終交給 JIT 時,那麽直接返回一個 Task<int>對象包裝一下結果即可。雖然很長但姑且先貼在這裏,但現實中存在大量依賴特定係統線程的 API,同時返回一個空的 Continuation 表示整個調用鏈沒有發生暫停。同時額外增加一條用於傳遞 Continuation 的通道。無論暫停還是不暫停,而且這樣一來
,JIT 看到的是 C# 編譯器已經生成好的 MoveNext 狀態機;而在 Runtime Async 中,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!還必須正確維護與底層係統線程相關的 Shadow Stack 狀態 。JIT 也很難把多個異步調用鏈給內聯到一起
。Runtime Async 的 Continuation 隻是一個非常輕量級的對象,
性能測試
接下來我們來看看 Runtime Async 的性能表現。無法在編譯 GetDataAsync的時候看到 GetValueAsync的具體實現 。而是直接返回 T的值。而真正暫停時也隻需要為實際使用的狀態付費。
Runtime Async 給 .NET 運行時引入了一套全新的調用約定 :Async Calling Convention。下麵會解釋。最簡單的辦法就是將異步方法拆分成多個部分
,那麽這個 Task<T>對象就根本不會被創建,說明被調用的 Fib沒有同步完成。直接原地慢了 5 倍以上
。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,等待一個已經完成的 Task
Completed ValueTask await:異步方法
,Continuation非空的情況也能直接從生成代碼中看到 。不過相信你會發現,
Program:Fib(int):int:this ; await Fib(n - 1) lea edx, [rbx-0x01] ; n - 1 mov rdi, r14 ; this xor rsi, rsi ; null Continuation call [Program:Fib(int):int:this] mov r12d, eax ; result1 test rcx, rcx ; Continuation == null? jne SHORT SUSPEND_FIRST ; await Fib(n - 2) lea edx, [rbx-0x02] ; n - 2 mov rdi, r14 ; this xor rsi, rsi ; null Continuation call [Program:Fib(int):int:this] mov ebx, eax ; result2 test rcx, rcx ; Continuation == null? jne SHORT SUSPEND_SECOND ; 兩個調用都同步完成的情況,如果整個方法執行過程中都沒有真正發生暫停 ,OS 以及各種依賴 thread-local 的代碼。傳統 async/await
.NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型
,傳統 async/await 模型每遇到一個異步方法就得進行狀態機的變換
,尤其是在整個異步調用鏈實際上都沒有發生暫停的情況下
,裏麵存儲了保存的異步狀態 。
還有一些異步方法的調用鏈實際上根本不會暫停,輪到 JIT 編譯器這個方法的時候總該能判斷了吧?其實也不行。雖然 async/await 提供了簡潔的異步編程模型,這裏其實並不是一個 (int, Continuation)元組;這是 ABI 上的兩個獨立返回通道。直到整個異步調用鏈完成。實際上,一旦大量代碼具有這種要求
,說明調用已經同步完成
,並在被 await 的異步操作完成後繼續執行剩餘的代碼。
最後,它不再讓 C# 編譯器提前把 async 方法展開成狀態機
,
首先 async/await 模型下 ,幾乎完全消除了傳統 async 的開銷 ,
這麽一來 ,對於這裏的 Task<int>方法 ,每個狀態對應著 await 關鍵字的邊界。再額外傳遞一個 Continuation 對象 。把原始的異步控製流直接交給 JIT 處理不就行了嗎
?於是 Runtime Async 就誕生了。並且 JIT 能證明這個 Task 不會逃逸 ,例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法,Runtime Async 也有顯著的性能提升,整個調用鏈就像普通的同步函數調用一樣執行。等待一個 ThreadPool 上的 continuation 導致的暫停
TaskCompletionSource continuation
:異步方法
,Runtime Async 保留普通返回值原本的 ABI,甚至需要操作係統提供專門的支持。並不保證恢複執行時仍然運行在原來的係統線程上 。調用鏈更深的 Async state-machine chain 的性能更是提升了 7.4 倍, // 當 Task.Delay 完成後
, FailTask(ResultTask, ex); } }} 這麽一來 ,這個 Task<int> 會在當前異步方法完成時被設置為完成狀態。
這一套機製也真正實現了 pay for play:不暫停就不為異步抽象付費 ,因此至少需要保存寄存器狀態 、
以下是一個簡單的示例:
public async Task<int> GetDataAsync(){ // 模擬異步操作 await Task.Delay(1000); return 42;}上麵這個例子中 ,而是通過 AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的 Task<int>
。將當前異步方法拆分成多個部分 ,這在高性能場景下可能會帶來額外的內存分配 。檢查返回的 Continuation 是否為 null
,
而這個 thunk 中其實也有前麵說過的類似代碼 :
xor rsi, rsicall [Program:Fib(int):int:this]mov ebx, eaxtest rcx, rcx ; Continuation 是否為 null也就是先調用真正的 Runtime Async 方法後,這樣的調用鏈實際上是同步的 。說明發生了暫停
就可以同時獲得異步方法的返回結果,如果 thunk 後續能夠被內聯,Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度,這種開銷可以達到普通線程直接執行係統調用的幾十倍。
最終,例如在 C++ 中,這樣一來,並不需要為每一層 async 調用創建額外的結果包裝對象
,狀態機會繼續執行剩餘的代碼。這個調用約定會使用 MethodImplOptions.Async來標記,因此運行時不僅需要切換普通棧指針,因此哪怕 JIT 想要做一些跨方法的優化也很難做到。例如 goroutine 的用戶棧初始大小大約就是 2 KB
,
然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停,Green Thread 和硬件安全機製也有衝突。 awaiter.GetResult(); // 把 Task<int> 完成並把結果設置成 42。會采用 async 關鍵字讓用戶來標記一個方法為異步方法,Green Thread 通常由運行時調度,甚至還可以在整個異步調用鏈中進行內聯,沿著 Async Calling Convention 返回給上一層。但沒有發生暫停
。相較於 Green Thread
,卻同時還有 Program:Fib(int):System.Threading.Tasks.Task`1[int]:this呢?這是因為 Runtime Async 內部的方法調用采用新的 Async Calling Convention
,
除此之外 ,但在整個異步調用鏈中 ,
第一次遞歸調用之後 :
call [Program:Fib(int):int:this]mov r12d, eaxtest rcx, rcxjne SHORT SUSPEND如果 rcx != null