T的值。當前需要從哪個暫停點恢複 、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,這樣一來,
運行後,也就是說 ,此時 eax中就是有效的返回值 ,實際的 C# 並不會直接操作 Task,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,等待一個 TaskCompletionSource 導致的暫停
性能測試
接下來我們來看看 Runtime Async 的性能表現
。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>。JIT 實際上會生成一個采用 Async Calling Convention 的內部版本 Program:Fib(int):int:this,JIT 看到的已經不是 A -- await B -- await C這樣直接的異步調用鏈,JIT 很難再把它重新恢複出來。例如跨越暫停點後仍然存活的局部變量
、並且調用鏈越深性能提升還會越大 !例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法,因此也確實需要一個 Task對象來存儲結果 。從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms
,於是誕生了諸如 ValueTask這樣的優化方案, awaiter.GetResult(); // 把 Task<int> 完成並把結果設置成 42
。檢查返回的 Continuation 是否為 null,
然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停 , // continuation 最終在哪裏執行取決於 awaiter 以及當前的 SynchronizationContext / TaskScheduler 等。於是程序可以立即繼續執行:
lea edx, [rbx-0x02]mov rdi, r14xor rsi, rsicall [Program:Fib(int):int:this] ; 進行第二次遞歸調用 Fib(n - 2)換成接近 C# 的偽代碼,Runtime Async 也有顯著的性能提升,最簡單的辦法就是將異步方法拆分成多個部分,會觸發此前注冊的 continuation,這個邊界就是 async thunk。但沒有發生暫停 。並沒有需要恢複的狀態,Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多。因此 Runtime Async 的開銷遠小於 Green Thread 。下麵會解釋 。返回值和 Continuation 都可以被放進寄存器裏 。awaiter 和 continuation 之間的交互 。等待一個已經完成的 ValueTask
除此之外 ,而且這樣一來 ,甚至比直接使用係統線程還要慢。同時額外增加一條用於傳遞 Continuation 的通道 。雖然 async/await 提供了簡潔的異步編程模型 ,這破壞了 JIT 對整個異步調用鏈的優化能力。因此運行時不僅需要切換普通棧指針, 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 。
總結
Runtime Async 是 .NET 11 引入的一套全新的異步執行機製 。 state = 1; // 注冊 continuation 。
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,所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用 ,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,當異步調用沒有真正發生暫停時 ,因此它們都可以直接通過寄存器傳遞,從而避免了線程切換的開銷。那麽直接返回一個 Task<int>對象包裝一下結果即可。
如果 rcx == null,
其次,
這個測試包含了各種不同的場景 :
- Synchronous baseline:同步基準測試
,被等待的異步操作尚未完成,
await關鍵字會暫停GetDataAsync方法的執行,當然 ,那 JIT 就算看穿了整個異步調用鏈,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>,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 Green Thread 通常會在用戶態自行切換調用棧 ,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 !C# 編譯器會把異步方法改寫成狀態機,從而簡化了異步編程的複雜性 。
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 , // 當 Task.Delay 完成後,並通過 MoveNext、因此如果代碼真正暫停了 ,那麽它就會直接返回正常的結果 ,但在整個異步調用鏈中,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,
- 還有一些異步方法的調用鏈實際上根本不會暫停
,這與傳統 async 的執行模型有本質區別
。.NET 的 Green Thread 實驗中發現 Green Thread 上做係統調用 1 億次 ,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 。在用戶態實現輕量級線程,那到運行時 ,並且需要在被等待的異步操作完成後繼續執行。保存這這些東西隻需要幾十個字節,當第一次調用異步方法時,調用方在收到非空的 Continuation 後 ,幾乎完全消除了傳統 async 的開銷 ,
Task.Delay(1000)是一個異步操作,還有,
這就得把 Green Thread 固定到某個係統線程,甚至需要操作係統提供專門的支持。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
,
另外,為什麽上麵明明有
Program:Fib(int):int:this,Runtime Async
傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機,它不再讓 C# 編譯器提前把 async 方法展開成狀態機,因此傳入的
Continuation為null。所有的異步抽象開銷全部消失了 !這種開銷可以達到普通線程直接執行係統調用的幾十倍 。最後 ,雖然很長但姑且先貼在這裏,
.NET 官方在實現完 Green Thread 後發現這玩意不僅局限性很大 , add ebx, r12d mov eax, ebx ; return value xor ecx, ecx ; null Continuation retSUSPEND_FIRST: ; Fib(n - 1) 暫停了 ,那麽這個
Task<T>對象就根本不會被創建 ,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 。其實隻是要讓編譯器知道在這個方法裏 ,甚至還可以在整個異步調用鏈中進行內聯 ,例如 goroutine 的用戶棧初始大小大約就是 2 KB,同時返回一個空的 Continuation 表示整個調用鏈沒有發生暫停。此時方法就會從上次暫停的地方繼續執行,而 await 關鍵字的作用是告訴編譯器這裏有暫停點,Runtime Async 的 Continuation 隻是一個非常輕量級的對象,而不需要先包裝到某個對象中再返回 。
Continuation非空的情況也能直接從生成代碼中看到。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>,直接返回結果。那麽當前異步調用鏈就需要暫停 。很多異步方法可能根本不會暫停,導致開發者無法自由地控製調度行為。例如 ,一個普通的方法調用類似於 :
result = B(args);而在 Runtime Async 中,等待一個已經完成的 Task
- Completed ValueTask await:異步方法, mov rdi, rcx mov rsi, 0x... ; Continuation call [CORINFO_HELP_ALLOC_CONTINUATION] mov r12, rax mov dword ptr [r12+0x48], ebx ; 保存 n 的值 ; ... 保存其他需要保存的狀態 ... mov rcx, r12 ; return Continuation retSUSPEND_SECOND: ; Fib(n - 2) 暫停了,整個調用鏈中根本沒有創建任何
Task對象,說明被調用的Fib沒有同步完成 。最終,在所有測試中,其實是不知道一個異步調用到底會不會真正暫停的 。也沒有任何狀態機的開銷 。雖然它們的調用鏈看起來是異步的 ,而是一係列狀態機、也無法做任何優化,而是通過
AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的Task<int>。首先 ,正常返回值和額外的 Continuation 都屬於調用約定的一部分 , FailTask(ResultTask, ex); } }}
這麽一來,
另外,沿著 Async Calling Convention 返回給上一層 。並返回一個非空的 Continuation 對象給調用方,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 。從而進一步提高性能。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
,