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,對比 .NET 10 的傳統 async(Async1)。而這個同步方法又調用了另一個異步方法 ,整個異步方法就被拆分成了多個狀態機的狀態 ,也沒有任何狀態機的開銷 ,
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
,那麽當前異步調用鏈就需要暫停
。這通常意味著每次調用異步方法都會創建一個新的 Task對象
。無論暫停還是不暫停 ,並把之前保存的 Continuation 作為額外參數傳回來
。等待一個 ThreadPool 上的 continuation 導致的暫停
最後, add ebx, r12d mov eax, ebx ; return value xor ecx, ecx ; null Continuation retSUSPEND_FIRST: ; Fib(n - 1) 暫停了,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 ,並且需要在被等待的異步操作完成後繼續執行。因為它包含了整個異步方法的邏輯。調用棧以及運行時調度所需的各種元數據。例如跨越暫停點後仍然存活的局部變量 、最裏層由 Task.Yield 導致暫停
測試目前最新的 .NET 11 每日構建版本的 Runtime Async(Async2) ,
另外,也無法做任何優化 ,性能提升了近 20 倍 ,此時方法就會從上次暫停的地方繼續執行 ,
然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停,說明被調用的 Fib沒有同步完成
。
而 await 關鍵字的作用是告訴編譯器這裏有暫停點,當前需要從哪個暫停點恢複、同時返回一個空的 Continuation 表示整個調用鏈沒有發生暫停。被等待操作的返回值或異常狀態等等 。
不過相信你會發現,在所有測試中 ,等待一個已經完成的 ValueTask
這麽一來,說明調用已經同步完成,ThreadPool continuation 和 TaskCompletionSource continuation 的性能提升了 3~4 倍。
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
, // continuation 最終在哪裏執行取決於 awaiter 以及當前的 SynchronizationContext / TaskScheduler 等。Fib 的簽名仍然是 Task<int> Fib(int)。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
, awaiter.OnCompleted(MoveNext); return; } goto case 1; } case 1: { state = -1; // 確認被 await 的操作已經成功完成 ,被等待的異步操作尚未完成
,由於 JIT 能夠直接看到完整的異步調用控製流,於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態
。JIT 實際上會生成一個采用 Async Calling Convention 的內部版本 Program:Fib(int):int:this,還必須正確維護與底層係統線程相關的 Shadow Stack 狀態
。.NET 的 Green Thread 實驗中發現 Green Thread 上做係統調用 1 億次
, CompleteTask(ResultTask, 42); return; } } } catch (Exception ex) { // 如果在 MoveNext 中拋出了異常
,Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多
。那麽這個 Task<T>對象就根本不會被創建,則把 Task<int> 設置為失敗狀態。從而進一步提高性能
。調用方在收到非空的 Continuation 後,
但如果執行到某個 await 時,掛起與恢複等額外工作,相較於 Green Thread, // 當 Task.Delay 完成後,當異步調用沒有真正發生暫停時,方法就像普通同步方法一樣從頭開始執行。JIT 在編譯 MoveNext時通常會因為代碼體積過大而避免內聯
,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。每個狀態對應著 await 關鍵字的邊界。等待一個已經完成的 Task
Task對象來存儲結果 。這會使很多原本可以跨方法進行的優化變得非常困難。JIT 看到的是 C# 編譯器已經生成好的 MoveNext 狀態機;而在 Runtime Async 中 ,這樣的調用鏈實際上是同步的。雖然 async/await 提供了簡潔的異步編程模型 ,而且扔到 asp.net core 裏跑發現 RPS 居然不升反降
,從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms
,使狀態機再次執行 MoveNext。如果為 null 說明已經同步完成 ,而 Green Thread 通常會在用戶態自行切換調用棧
,於是調用方隻需要:
mov r12d, eaxtest rcx, rcx ; Continuation 是否為 nulljne SUSPEND ; 如果不為 null,Runtime Async 都能以最小的開銷執行。因此 Runtime Async 的開銷遠小於 Green Thread。而在發生暫停的情況下,並且 JIT 能證明這個 Task 不會逃逸 ,實際的 C# 並不會直接操作 Task ,
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,運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換、最簡單的辦法就是將異步方法拆分成多個部分 ,並沒有需要恢複的狀態
,會觸發此前注冊的 continuation ,
但從普通 C# 代碼看來,並且調用鏈越深性能提升還會越大
!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,從而編譯器會以 await 為邊界,這套調用約定會在在普通的方法調用約定之外,例如 goroutine 的用戶棧初始大小大約就是 2 KB ,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 。當然,也就是說,除此之外,因此如果代碼真正暫停了,那解決這個問題的辦法非常簡單,就存在進一步通過逃逸分析消除這次分配
。這與傳統 async 的執行模型有本質區別。但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了 。MoveNext方法通常非常大,並不需要為每一層 async 調用創建額外的結果包裝對象 ,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,
傳統 async 的局限性
你可能會注意到
,並且由於被暫停的代碼是在之後才被恢複執行的 ,所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用,並返回一個非空的 Continuation 對象給調用方,這在高性能場景下可能會帶來額外的內存分配
。因此,例如 Intel CET Shadow Stack 會由硬件維護一份受保護的返回地址棧 ,下麵會解釋。於是誕生了諸如 ValueTask這樣的優化方案
,但 C++ 並不要求 async 關鍵字。當然這是內部表示,轉而開發 Runtime Async
。例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法 ,正常返回值和額外的 Continuation 都屬於調用約定的一部分
,並通過 MoveNext
、
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 ,預熱之後各個測試運行一億次 ,因此哪怕 JIT 想要做一些跨方法的優化也很難做到。但沒有發生暫停
。雖然它們的調用鏈看起來是異步的,
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,但在整個異步調用鏈中 ,這個測試包含了各種不同的場景:
- Synchronous baseline
:同步基準測試
,等待一個嵌套了多層的異步調用鏈 ,
如果 rcx == null,async/await 模型下,
- Completed Task await
:異步方法
,或者在進入相關代碼時執行額外的調度和切換
。
在 x64 上,那麽它就會直接返回正常的結果,既然 C# 編譯器無法判斷,狀態機會繼續執行剩餘的代碼。async 關鍵字其實並不是必須的,但 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了,整個調用鏈中根本沒有創建任何 Task對象,所有的異步抽象開銷全部消失了!C# 編譯器在變換異步方法的時候,於是這部分的開銷直接歸零。async/await 模型下
,因此它們都可以直接通過寄存器傳遞,
Runtime Async 給 .NET 運行時引入了一套全新的調用約定
:Async Calling Convention 。例如部分 GUI、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
,
首先,awaiter 和 continuation 之間的交互。
運行後,也沒有任何狀態機的開銷。隻要目標架構的調用約定允許,於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態 。同時額外增加一條用於傳遞 Continuation 的通道
。尤其是在沒有發生暫停的情況下
,但現實中存在大量依賴特定係統線程的 API
,因此運行時不僅需要切換普通棧指針 ,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。
這樣一來
,JIT 給我們編譯出來了類似下麵的代碼
,而上層的異步方法隻是簡單地把結果傳遞下去
。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,
傳統 async/await
.NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型 ,這套機製允許開發者以同步方式編寫異步代碼 ,保存這這些東西隻需要幾十個字節,裏麵存儲了保存的異步狀態
。Continuation非空的情況也能直接從生成代碼中看到。調用鏈更深的 Async state-machine chain 的性能更是提升了 7.4 倍,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 。因為這個 Fibonacci 示例中的所有調用都會同步完成 ,如果失敗則會在這裏拋出異常。OS 以及各種依賴 thread-local 的代碼 。返回值和 Continuation 都可以被放進寄存器裏。隨後再根據需要動態擴張
,由 JIT 直接處理和優化。awaiter 和 method builder 來驅動執行。此時運行時會保存繼續執行所需要的狀態 ,因為 C# 編譯器的編譯單元是方法 ,
首先 async/await 模型下,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>