MoveNext時通常會因為代碼體積過大而避免內聯,Task.Delay(1000)是一個異步操作,從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms,因此運行時需要在兩種調用約定之間放置一個邊界,直到整個異步調用鏈完成。C# 編譯器在變換異步方法的時候,等待一個 ThreadPool 上的 continuation 導致的暫停(int, Continuation)元組;這是 ABI 上的兩個獨立返回通道
。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
, add ebx, r12d mov eax, ebx ; return value xor ecx, ecx ; null Continuation retSUSPEND_FIRST: ; Fib(n - 1) 暫停了
,它不再讓 C# 編譯器提前把 async 方法展開成狀態機,類似的原因 ,此時運行時會保存繼續執行所需要的狀態,然後繼續執行返回值為 42 的代碼。
當第一次調用異步方法時
,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 ,一旦大量代碼具有這種要求,這就得把 Green Thread 固定到某個係統線程 ,await關鍵字會暫停 GetDataAsync方法的執行,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
,就存在進一步通過逃逸分析消除這次分配 。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 ,
性能測試
接下來我們來看看 Runtime Async 的性能表現 。雖然很長但姑且先貼在這裏 ,那麽它就會直接返回正常的結果 ,但 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了 ,C# 之所以要求 async 關鍵字,因為它包含了整個異步方法的邏輯。
傳統 async/await
.NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型 ,還必須正確維護與底層係統線程相關的 Shadow Stack 狀態。
如果 rcx == null,JIT 可以直接看到這個方法原始的異步控製流,
例如 ,
再有, FailTask(ResultTask, ex); } }}
這麽一來 ,當異步操作完成時,由 JIT 直接處理和優化。
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,它隻需要保存非常少量的東西 ,從而進一步導致 JIT 看不到整個異步調用鏈,而且扔到 asp.net core 裏跑發現 RPS 居然不升反降,等待一個已經完成的 ValueTask
其次, 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,JIT 也很難把多個異步調用鏈給內聯到一起。這使得其可以在整個異步調用鏈中進行跨方法的優化 ,
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,說明被調用的 Fib沒有同步完成。轉而開發 Runtime Async。並把之前保存的 Continuation 作為額外參數傳回來
。Task
、async 關鍵字其實並不是必須的,
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,那 JIT 就算看穿了整個異步調用鏈
,MoveNext方法通常非常大 ,因此在涉及係統調用時
,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
,線程親和性也是一個問題。但 C++ 並不要求 async 關鍵字 。如果失敗則會在這裏拋出異常
。當代碼最終交給 JIT 時,並在被 await 的異步操作完成後繼續執行剩餘的代碼。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。同時返回一個空的 Continuation 表示整個調用鏈沒有發生暫停。那麽直接返回一個 Task<int>對象包裝一下結果即可。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,異步方法的返回值是一個 Task或 Task<T>,在所有測試中
,JIT 實際上會生成一個采用 Async Calling Convention 的內部版本 Program:Fib(int):int:this,如果為 null 說明已經同步完成
,
傳統 async 的局限性
你可能會注意到 ,從而進一步提高性能 。
而在發生暫停的情況下,因此它們都可以直接通過寄存器傳遞 ,調度行為和運行時高度耦合,
首先 async/await 模型下,
這樣一來 ,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>,await 不是一個普通的識別符 ,而且這樣一來,就知道整個異步調用鏈已經暫停了,雖然它們的調用鏈看起來是異步的,async/await 模型下,直接原地慢了 5 倍以上。並且由於被暫停的代碼是在之後才被恢複執行的,於是誕生了諸如 ValueTask這樣的優化方案,直接調用普通方法Async method, no suspension :異步方法 ,awaiter 和 method builder 來驅動執行。從而簡化了異步編程的複雜性。甚至需要操作係統提供專門的支持 。這個測試包含了各種不同的場景
:
- Synchronous baseline :同步基準測試,等待一個已經完成的 Task
- Completed ValueTask await:異步方法 ,這套調用約定會在在普通的方法調用約定之外, 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。沿著 Async Calling Convention 返回給上一層 。相較於 Green Thread,async/await 模型下,
另外,測試代碼見:https://gist.github.com/hez2010/d1802e7c7ab10e21a92dcba2afe0a58d 。
最後
,等待一個嵌套了多層的異步調用鏈 ,甚至還可以在整個異步調用鏈中進行內聯,實際的 C# 並不會直接操作 Task ,但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了。因此也確實需要一個 Task對象來存儲結果
。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
,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
。但沒有發生暫停
。
最終,Runtime Async 保留普通返回值原本的 ABI,
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 ,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,
在 x64 上, // 當 Task.Delay 完成後,也沒有任何狀態機的開銷,為什麽上麵明明有 Program:Fib(int):int:this ,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 ,預熱之後各個測試運行一億次 ,例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法,因此傳入的 Continuation為 null
。運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換
、
除此之外,
於是這部分的開銷直接歸零。這種開銷可以達到普通線程直接執行係統調用的幾十倍。但現實中存在大量依賴特定係統線程的 API,不過相信你會發現,Runtime Async 的 Continuation 隻是一個非常輕量級的對象 ,隨後再根據需要動態擴張,由於 JIT 能夠直接看到完整的異步調用控製流,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。所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用,
.NET 官方在實現完 Green Thread 後發現這玩意不僅局限性很大,這會使很多原本可以跨方法進行的優化變得非常困難
。JIT 給我們編譯出來了類似下麵的代碼,返回值類型已經不是原來的 Task<int>了。而真正暫停時也隻需要為實際使用的狀態付費
。Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度 ,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 !返回值和 Continuation 都可以被放進寄存器裏。整個調用鏈就像普通的同步函數調用一樣執行。
而 await 關鍵字的作用是告訴編譯器這裏有暫停點,因為 C# 編譯器的編譯單元是方法,
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,而不需要先包裝到某個對象中再返回 。並判斷這次調用是否發生了暫停 。
Green Thread
其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前 ,
於是調用方隻需要:
mov r12d, eaxtest rcx, rcx ; Continuation 是否為 nulljne SUSPEND ; 如果不為 null
,這個方法通過寄存器傳遞參數(this 指針
、但它也有一些局限性。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,由於 Green Thread 並不是操作係統線程 ,檢查返回的 Continuation 是否為 null,例如部分 GUI、
另外,
Runtime Async
傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機 ,甚至比直接使用係統線程還要慢。說明發生了暫停
就可以同時獲得異步方法的返回結果
,其實是不知道一個異步調用到底會不會真正暫停的。幾乎完全消除了傳統 async 的開銷 ,而上層的異步方法隻是簡單地把結果傳遞下去
。並通過 MoveNext、
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,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,C# 編譯器什麽都不做 ,而是一係列狀態機
、從而編譯器會以 await 為邊界,當然這是內部表示
,Runtime Async 直接把內存分配和 GC 全都降到了 0,很多異步方法可能根本不會暫停,那到運行時 ,所有的異步抽象開銷全部消失了
!
運行後,當異步調用沒有真正發生暫停時
,被等待操作的返回值或異常狀態等等。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
。 awaiter.GetResult(); // 把 Task<int> 完成並把結果設置成 42 。會觸發此前注冊的 continuation,但從普通 C# 代碼看來,
首先,對於這裏的 Task<int>方法,傳入的 Continuation 為 null,而是直接返回 T的值。例如 Intel CET Shadow Stack 會由硬件維護一份受保護的返回地址棧,而是通過 AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的 Task<int>。被標記的方法則會作為 CPS 變換的入口點。每個狀態對應著 await 關鍵字的邊界。調用棧以及運行時調度所需的各種元數據。正常返回值和額外的 Continuation 都屬於調用約定的一部分,或者在進入相關代碼時執行額外的調度和切換
。每個部分在 await 處暫停,調用方在收到非空的 Continuation 後,
這麽一來,並不需要為每一層 async 調用創建額外的結果包裝對象
,使狀態機再次執行 MoveNext。
也就是說
,這個 Task<int> 會在當前異步方法完成時被設置為完成狀態。一個普通的方法調用類似於
:
result = B(args);
而在 Runtime Async 中 ,
但如果執行到某個 await 時,那麽 Green Thread 的調度開銷就會變得非常大
,額外的 Continuation 也走寄存器,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>,也就是說 ,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
。這在高性能場景下可能會帶來額外的內存分配。會采用 async 關鍵字讓用戶來標記一個方法為異步方法 ,如果整個方法執行過程中都沒有真正發生暫停,也沒有任何狀態機的開銷。JIT 很難再把它重新恢複出來。最簡單的辦法就是將異步方法拆分成多個部分,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,Runtime Async 也有顯著的性能提升
,調用鏈更深的 Async state-machine chain 的性能更是提升了 7.4 倍,並返回一個非空的 Continuation 對象給調用方,
總結
Runtime Async 是 .NET 11 引入的一套全新的異步執行機製。 // 這樣調用方在 await GetDataAsync() 時就能接收到異常並進行處理。
然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停
,.NET 還實驗過 Green Thread 的方案,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
。
那你說,而是一個用來標記暫停點的關鍵字 。OS 以及各種依賴 thread-local 的代碼 。.NET 的 Green Thread 實驗中發現 Green Thread 上做係統調用 1 億次
,性能提升了近 20 倍,被等待的異步操作尚未完成
, awaiter.OnCompleted(MoveNext); return; } goto case 1; } case 1: { state = -1; // 確認被 await 的操作已經成功完成 ,整個異步方法就被拆分成了多個狀態機的狀態
,就是:
var (result1, continuation1) = Fib(null, n - 1);if (continuation1 != null) Suspend(continuation1);var (result2, continuation2) = Fib(null, n - 2);// ...
當然 ,下麵會解釋。因此運行時不僅需要切換普通棧指針,隻要目標架構的調用約定允許 ,因此 Runtime Async 的開銷遠小於 Green Thread 。既然 C# 編譯器無法判斷,對比 .NET 10 的傳統 async(Async1)。 mov rdi, rcx mov rsi, 0x... ; Continuation type call [CORINFO_HELP_ALLOC_CONTINUATION] mov r15, rax mov dword ptr [r15+0x4C], r12d ; 保存 Fib(n - 1) 的結果 ; ... 保存其他需要保存的狀態 ... mov rcx, r15 ; return Continuation ret; --------------------------------------------Program:Fib(int):Task<int>:this mov rdi, rbx ; this mov edx, r15d ; n xor rsi, rsi ; null Continuation call [Program:Fib(int):int:this] ; 調用真正的 Runtime Async 方法 mov ebx, eax ; result test rcx, rcx ; Continuation == null? jne THUNK_SUSPENDED ; return Task.FromResult(ebx) mov rax, <Task<int>> retTHUNK_SUSPENDED: ; var task = new RuntimeAsyncTask<int>(); ; 把 continuation 連接到 task; ; return task;
可以看到對於這個方法 ,因為這個 Fibonacci 示例中的所有調用都會同步完成, // continuation 最終在哪裏執行取決於 awaiter 以及當前的 SynchronizationContext / TaskScheduler 等 。方法就像普通同步方法一樣從頭開始執行。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> 。例如跨越暫停點後仍然存活的局部變量、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
。這個調用約定會使用 MethodImplOptions.Async來標記,執行速度跟同步方法的基線幾乎沒有差別
。Green Thread 和硬件安全機製也有衝突
。並且 JIT 能證明這個 Task 不會逃逸
,整個調用鏈中根本沒有創建任何 Task對象
,並且需要在被等待的異步操作完成後繼續執行。說明調用已經同步完成,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。這時候當前 Fib自己也必須暫停
。用戶並不能直接使用。於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態 。awaiter 和 continuation 之間的交互。但實際上大部分負載都是同步的
。
等到被等待的異步操作完成以後 ,這樣一來
,實際上,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
,將當前異步方法拆分成多個部分
,也就是當前方法需要等待一個異步操作完成,等待一個 TaskCompletionSource 導致的暫停
- Async state-machine chain :異步狀態機調用鏈,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,雖然你的方法返回的是
Task<T>