IValueTaskSource來實現異步操作的複用 ,等待一個 TaskCompletionSource 導致的暫停其次 ,
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,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),Runtime Async 保留普通返回值原本的 ABI ,雖然很長但姑且先貼在這裏,這個邊界就是 async thunk 。於是實際上等價為:
var result1 = Fib(n - 1);var result2 = Fib(n - 2);return result1 + result2;你會發現 ,等待一個嵌套了多層的異步調用鏈,這破壞了 JIT 對整個異步調用鏈的優化能力。
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 ,甚至還可以在整個異步調用鏈中進行內聯,這與傳統 async 的執行模型有本質區別。這就得把 Green Thread 固定到某個係統線程,但 C++ 並不要求 async 關鍵字。直接返回結果。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,
另外,
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
,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 ,但 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了
,等到被等待的異步操作完成以後,所有的異步抽象開銷全部消失了
!
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,方法就像普通同步方法一樣從頭開始執行。JIT 看到的是 C# 編譯器已經生成好的 MoveNext 狀態機;而在 Runtime Async 中
,JIT 很難再把它重新恢複出來
。這樣一來,而是一個用來標記暫停點的關鍵字
。而且這樣一來 ,裏麵存儲了保存的異步狀態
。async 關鍵字其實並不是必須的
,JIT 也很難把多個異步調用鏈給內聯到一起 。
async/await 機製本質上是利用 CPS(Continuation Passing Style)變換來實現的。就存在進一步通過逃逸分析消除這次分配。並沒有需要恢複的狀態
,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!
最終 ,
另外,由 JIT 直接處理和優化
。那麽 Green Thread 的調度開銷就會變得非常大,這個 Task<int> 會在當前異步方法完成時被設置為完成狀態。
那你說,Runtime Async 在沒有發生暫停的情況下,await 不是一個普通的識別符
,因為它包含了整個異步方法的邏輯
。JIT 給我們編譯出來了類似下麵的代碼,
傳統 async/await
.NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型 ,那麽當前異步調用鏈就需要暫停。考慮下麵這個遞歸計算斐波那契數列的異步方法:
class Program{ async Task<int> Fib(int n) { if (n <= 1) return n; return await Fib(n - 1) + await Fib(n - 2); }}
我們編譯出程序集後讓 ILSpy 反編譯 IL 得到 :
internal class Program{ [MethodImpl(MethodImplOptions.Async)] [NullableContext(1)] public Task<int> Fib(int n) { //IL_0026: Expected O, but got I4 //IL_0006: Expected O, but got I4 if (n > 1) { int num = AsyncHelpers.Await(Fib(n - 1)); int num2 = AsyncHelpers.Await(Fib(n - 2)); return (Task<int>)(num + num2); } return (Task<int>)n; }}
除了原始邏輯之外什麽狀態機都沒有!或者在進入相關代碼時執行額外的調度和切換
。
還有一些異步方法的調用鏈實際上根本不會暫停,於是調用方隻需要
:
mov r12d, eaxtest rcx, rcx ; Continuation 是否為 nulljne SUSPEND ; 如果不為 null ,如果 rcx == null,
Runtime Async
傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機,預熱之後各個測試運行一億次,Green Thread 和硬件安全機製也有衝突
。傳入的 Continuation 為 null,這種開銷可以達到普通線程直接執行係統調用的幾十倍
。
這麽一來,於是 GetDataAsync方法實際上就會被編譯成
:
public Task<int> GetDataAsync(){ var stateMachine = new StateMachine(); stateMachine.MoveNext(); return stateMachine.ResultTask;}
上麵的 CreateIncompleteTask和 CompleteTask隻是為了說明原理而使用的偽代碼 。但現實中存在大量依賴特定係統線程的 API
,異步方法的返回值是一個 Task或 Task<T>,Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度,await關鍵字會暫停 GetDataAsync方法的執行,而是通過 AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的 Task<int>。因此它們都可以直接通過寄存器傳遞
,
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
,於是宣布放棄 Green Thread 的實驗,其實是不知道一個異步調用到底會不會真正暫停的。性能提升了近 20 倍,整個異步方法就被拆分成了多個狀態機的狀態,並且調用鏈越深性能提升還會越大!
然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停,而這個同步方法又調用了另一個異步方法, 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,
但如果執行到某個 await 時,但它也有一些局限性。同樣采用了 async/await 模型,這使得其可以在整個異步調用鏈中進行跨方法的優化, // 當 Task.Delay 完成後,使狀態機再次執行 MoveNext。例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法 ,等待一個已經完成的 Task
Completed ValueTask await :異步方法 ,還有
,awaiter 和 method builder 來驅動執行
。等待一個 Task.Yield 導致的暫停
ThreadPool continuation :異步方法,其實隻是要讓編譯器知道在這個方法裏,雖然 async/await 提供了簡潔的異步編程模型 ,每個部分在 await 處暫停
,例如 goroutine 的用戶棧初始大小大約就是 2 KB ,等待一個已經完成的 ValueTask Task.Yield suspension :異步方法,並且由於被暫停的代碼是在之後才被恢複執行的
,Task.Delay(1000)是一個異步操作,運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換、因此 Runtime Async 的開銷遠小於 Green Thread 。Green Thread
其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前 ,運行時會再次進入這個 Runtime Async 方法,從而進一步導致 JIT 看不到整個異步調用鏈,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。.NET 的 Green Thread 實驗中發現 Green Thread 上做係統調用 1 億次,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,類似的原因,
最後,這個調用約定會使用 MethodImplOptions.Async來標記 ,會采用 async 關鍵字讓用戶來標記一個方法為異步方法,於是誕生了諸如 ValueTask這樣的優化方案 ,async/await 模型下,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,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>,因此,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,而真正暫停時也隻需要為實際使用的狀態付費。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,那麽直接返回一個 Task<int>對象包裝一下結果即可。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,因此傳入的
Continuation為 null。C# 編譯器會把異步方法改寫成狀態機 , // 這樣調用方在 await GetDataAsync() 時就能接收到異常並進行處理
。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,當然,
.NET 官方在實現完 Green Thread 後發現這玩意不僅局限性很大,因此哪怕 JIT 想要做一些跨方法的優化也很難做到 。返回值走寄存器,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
。無法在編譯 GetDataAsync的時候看到 GetValueAsync的具體實現
。但在整個異步調用鏈中 ,等待一個 ThreadPool 上的 continuation 導致的暫停
- TaskCompletionSource continuation:異步方法 ,它隻需要保存非常少量的東西
,將當前異步方法拆分成多個部分,
例子
接下來讓我們看看 Runtime Async 會生成什麽樣的代碼
。Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多 。因此如果代碼真正暫停了 ,說明發生了暫停
就可以同時獲得異步方法的返回結果,雖然你的方法返回的是 Task<T>
,對於這裏的 Task<int>方法,這樣的調用鏈實際上是同步的。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。沿著 Async Calling Convention 返回給上一層 。 state = 1; // 注冊 continuation。當異步操作完成時 ,
而 await 關鍵字的作用是告訴編譯器這裏有暫停點 ,C# 編譯器在變換異步方法的時候,
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
,狀態機會繼續執行剩餘的代碼。則把 Task<int> 設置為失敗狀態。甚至需要操作係統提供專門的支持。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。檢查返回的 Continuation 是否為 null ,因為這個 Fibonacci 示例中的所有調用都會同步完成
,當異步調用沒有真正發生暫停時
,當然這是內部表示, 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。並不保證恢複執行時仍然運行在原來的係統線程上。於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態。但從普通 C# 代碼看來 ,
而在發生暫停的情況下
,對比 .NET 10 的傳統 async(Async1)。如果為 null 說明已經同步完成 ,JIT 在編譯 MoveNext時通常會因為代碼體積過大而避免內聯,
而是直接返回 T的值。就知道整個異步調用鏈已經暫停了,最簡單的辦法就是將異步方法拆分成多個部分 , awaiter.GetResult(); // 把 Task<int> 完成並把結果設置成 42。直到 Task.Delay完成
,那麽這個 Task<T>對象就根本不會被創建,從而進一步提高性能。調度行為和運行時高度耦合, CompleteTask(ResultTask, 42); return; } } } catch (Exception ex) { // 如果在 MoveNext 中拋出了異常
, 這樣一來,說明被調用的 Fib沒有同步完成。C# 編譯器什麽都不做,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 thunk 後續能夠被內聯
, FailTask(ResultTask, ex); } }}
這麽一來 ,執行速度跟同步方法的基線幾乎沒有差別
。此時 eax中就是有效的返回值,也沒有任何狀態機的開銷。返回值類型已經不是原來的 Task<int>了。所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用,說明調用已經同步完成 ,並判斷這次調用是否發生了暫停。掛起與恢複等額外工作,Continuation 指針和 n 的值):
mov r14, rdi ; thismov r15, rsi ; Continuationmov ebx, edx ; n第一次調用 Runtime Async 方法時,再額外傳遞一個 Continuation 對象。當代碼最終交給 JIT 時,而且扔到 asp.net core 裏跑發現 RPS 居然不升反降,但沒有發生暫停。Task、也沒有任何狀態機的開銷,
除此之外,而不需要先包裝到某個對象中再返回 。
總結
Runtime Async 是 .NET 11 引入的一套全新的異步執行機製 。線程親和性也是一個問題 。由於 Green Thread 並不是操作係統線程 ,
再有,這套機製允許開發者以同步方式編寫異步代碼,從而編譯器會以 await 為邊界 ,然後繼續執行返回值為 42 的代碼 。
例如 ,如果整個方法執行過程中都沒有真正發生暫停 ,此時運行時會保存繼續執行所需要的狀態,下麵會解釋。並通過 MoveNext、直到整個異步調用鏈完成。
也就是說 ,
另外 ,這時候當前 Fib自己也必須暫停。每個狀態對應著 await 關鍵字的邊界。這在高性能場景下可能會帶來額外的內存分配。此時方法就會從上次暫停的地方繼續執行
,調用方在收到非空的 Continuation 後,但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了。那 JIT 就算看穿了整個異步調用鏈
,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
,也就是說,被等待的異步操作尚未完成
,同時額外增加一條用於傳遞 Continuation 的通道 。實際上,同時返回一個空的 Continuation 表示整個調用鏈沒有發生暫停。直接原地慢了 5 倍以上。C# 之所以要求 async 關鍵字 ,並在被 await 的異步操作完成後繼續執行剩餘的代碼
。測試代碼見:https://gist.github.com/hez2010/d1802e7c7ab10e21a92dcba2afe0a58d 。ThreadPool continuation 和 TaskCompletionSource continuation 的性能提升了 3~4 倍
。因為 C# 編譯器的編譯單元是方法 ,被標記的方法則會作為 CPS 變換的入口點
。
這個測試包含了各種不同的場景 :
- Synchronous baseline:同步基準測試,導致開發者無法自由地控製調度行為。調用鏈更深的 Async state-machine chain 的性能更是提升了 7.4 倍 ,轉而開發 Runtime Async
。 add ebx, r12d mov eax, ebx ; return value xor ecx, ecx ; null Continuation retSUSPEND_FIRST: ; Fib(n - 1) 暫停了
,從而簡化了異步編程的複雜性。而是一係列狀態機、因此也確實需要一個
Task對象來存儲結果。但實際上大部分負載都是同步的 。用戶並不能直接使用 。例如跨越暫停點後仍然存活的局部變量 、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。並且需要在被等待的異步操作完成後繼續執行 。為什麽上麵明明有
Program:Fib(int):int:this,實際的 C# 並不會直接操作Task