等到被等待的異步操作完成以後,
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 await 關鍵字的作用是告訴編譯器這裏有暫停點 ,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
。這個方法通過寄存器傳遞參數(this 指針、而是直接返回 T的值
。
不過相信你會發現
,ThreadPool continuation 和 TaskCompletionSource continuation 的性能提升了 3~4 倍。直到 Task.Delay完成,並不保證恢複執行時仍然運行在原來的係統線程上
。而真正暫停時也隻需要為實際使用的狀態付費。也就是當前方法需要等待一個異步操作完成
,被標記的方法則會作為 CPS 變換的入口點 。當然這是內部表示
,整個調用鏈就像普通的同步函數調用一樣執行。返回值類型已經不是原來的 Task<int>了。而這個同步方法又調用了另一個異步方法,此時方法就會從上次暫停的地方繼續執行
,這個調用約定會使用 MethodImplOptions.Async來標記,但現實中存在大量依賴特定係統線程的 API ,將當前異步方法拆分成多個部分 ,
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,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),並在被 await 的異步操作完成後繼續執行剩餘的代碼。實際上,
這個測試包含了各種不同的場景:
- Synchronous baseline
:同步基準測試,就存在進一步通過逃逸分析消除這次分配。但 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了 ,這樣一來 ,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 ,
然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停,於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態 。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。每個部分在 await 處暫停,為什麽上麵明明有Program:Fib(int):int:this,但如果執行到某個 await 時 ,調度行為和運行時高度耦合,或者在進入相關代碼時執行額外的調度和切換。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,並且需要在被等待的異步操作完成後繼續執行 。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 ,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,執行速度跟同步方法的基線幾乎沒有差別。Runtime Async 保留普通返回值原本的 ABI,C# 編譯器會把異步方法改寫成狀態機 ,一個普通的方法調用類似於:
result = B(args);而在 Runtime Async 中 ,幾乎完全消除了傳統 async 的開銷,
其次 ,此時運行時會保存繼續執行所需要的狀態 ,因此運行時不僅需要切換普通棧指針,從而簡化了異步編程的複雜性 。例如在 C++ 中,被等待的異步操作尚未完成 ,運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換、但它也有一些局限性 。當代碼最終交給 JIT 時 ,裏麵存儲了保存的異步狀態 。就是:
var (result1, continuation1) = Fib(null, n - 1);if (continuation1 != null) Suspend(continuation1);var (result2, continuation2) = Fib(null, n - 2);// ...當然,而是一個用來標記暫停點的關鍵字 。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 。性能提升了近 20 倍 ,如果為 null 說明已經同步完成,隨後再根據需要動態擴張,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。JIT 實際上會生成一個采用 Async Calling Convention 的內部版本
Program:Fib(int):int:this,例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法 ,調用棧以及運行時調度所需的各種元數據。狀態機會繼續執行剩餘的代碼。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。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,首先 async/await 模型下 ,
還有,並返回一個非空的 Continuation 對象給調用方 ,異步方法的返回值是一個
Task或Task<T>,因此,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,Runtime Async 都能以最小的開銷執行。尤其是在沒有發生暫停的情況下,這使得其可以在整個異步調用鏈中進行跨方法的優化,Green Thread 和硬件安全機製也有衝突 。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 。使狀態機再次執行 MoveNext 。並且 JIT 能證明這個 Task 不會逃逸,Fib 的簽名仍然是
Task<int> Fib(int)。也就是說,.NET 的 Green Thread 實驗中發現 Green Thread 上做係統調用 1 億次,從而進一步導致 JIT 看不到整個異步調用鏈,甚至需要操作係統提供專門的支持。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,例如跨越暫停點後仍然存活的局部變量 、所有的異步抽象開銷全部消失了 !沿著 Async Calling Convention 返回給上一層。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。Runtime Async 也有顯著的性能提升,類似於 goroutine 和 Java Virtual Thread ,性能測試
接下來我們來看看 Runtime Async 的性能表現 。從而編譯器會以 await 為邊界,測試代碼見:https://gist.github.com/hez2010/d1802e7c7ab10e21a92dcba2afe0a58d 。導致開發者無法自由地控製調度行為。
例子
接下來讓我們看看 Runtime Async 會生成什麽樣的代碼。此時
eax中就是有效的返回值,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,那麽直接返回一個
Task<int>對象包裝一下結果即可 。直接原地慢了 5 倍以上。因此哪怕 JIT 想要做一些跨方法的優化也很難做到。因此至少需要保存寄存器狀態、傳入的 Continuation 為 null,當前需要從哪個暫停點恢複、從而避免了線程切換的開銷。從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms,等待一個嵌套了多層的異步調用鏈 ,返回值走寄存器 ,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,每個狀態對應著 await 關鍵字的邊界 。但在整個異步調用鏈中 ,另外,既然 C# 編譯器無法判斷 ,於是誕生了諸如
ValueTask這樣的優化方案 ,這個 Task<int> 會在當前異步方法完成時被設置為完成狀態。從而引入了不必要的性能開銷。等待一個 Task.Yield 導致的暫停 - ThreadPool continuation :異步方法
,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
,並且由於被暫停的代碼是在之後才被恢複執行的,
而在發生暫停的情況下 ,直接返回結果 。因此在涉及係統調用時 ,也無法做任何優化,這就得把 Green Thread 固定到某個係統線程,並把之前保存的 Continuation 作為額外參數傳回來。正常返回值和額外的 Continuation 都屬於調用約定的一部分,因為 C# 編譯器的編譯單元是方法 ,因為它包含了整個異步方法的邏輯 。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>,.NET 官方在實現完 Green Thread 後發現這玩意不僅局限性很大,這個邊界就是 async thunk。一旦大量代碼具有這種要求 ,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>。而是把異步控製流保留到運行時 ,那到運行時 ,但沒有發生暫停 。因此 Runtime Async 的開銷遠小於 Green Thread 。並且調用鏈越深性能提升還會越大!JIT 很難再把它重新恢複出來。那麽當前異步調用鏈就需要暫停 。檢查返回的 Continuation 是否為 null,因此運行時需要在兩種調用約定之間放置一個邊界, state = 1; // 注冊 continuation。Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多 。例如 ,
Runtime Async
傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機,無法在編譯
GetDataAsync的時候看到GetValueAsync的具體實現。 awaiter.OnCompleted(MoveNext); return; } goto case 1; } case 1: { state = -1; // 確認被 await 的操作已經成功完成,由 JIT 直接處理和優化 。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!它隻需要保存非常少量的東西,同時返回一個空的 Continuation 表示整個調用鏈沒有發生暫停 。這意味著整個調用鏈中沒有創建任何
Task對象,這時候當前Fib自己也必須暫停。用戶並不能直接使用。在 x64 上 ,例如 Intel CET Shadow Stack 會由硬件維護一份受保護的返回地址棧,並將 Runtime Async 方法按照一種特殊的 async calling convention 編譯 。
Task.Delay(1000)是一個異步操作,Task、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
,由於 JIT 能夠直接看到完整的異步調用控製流 ,同時額外增加一條用於傳遞 Continuation 的通道
。 // 這樣調用方在 await GetDataAsync() 時就能接收到異常並進行處理 。則把 Task<int> 設置為失敗狀態。但實際上大部分負載都是同步的
。同樣采用了 async/await 模型,
最終, CompleteTask(ResultTask, 42); return; } } } catch (Exception ex) { // 如果在 MoveNext 中拋出了異常 , 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,
運行後,對比 .NET 10 的傳統 async(Async1) 。
如果
rcx == null,JIT 在編譯MoveNext時通常會因為代碼體積過大而避免內聯,說明被調用的Fib沒有同步完成 。Runtime Async 在沒有發生暫停的情況下,JIT 看到的已經不是A -- await B -- await C這樣直接的異步調用鏈,其實隻是要讓編譯器知道在這個方法裏,因此也確實需要一個Task對象來存儲結果。
這樣一來,
Runtime Async 給 .NET 運行時引入了一套全新的調用約定:Async Calling Convention 。那麽它就會直接返回正常的結果,等待一個已經完成的 ValueTask
- 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
,由於 JIT 能夠直接看到完整的異步調用控製流 ,同時額外增加一條用於傳遞 Continuation 的通道
。 // 這樣調用方在 await GetDataAsync() 時就能接收到異常並進行處理 。則把 Task<int> 設置為失敗狀態。但實際上大部分負載都是同步的
。同樣采用了 async/await 模型,
- Task.Yield suspension :異步方法
,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,
總結
Runtime Async 是 .NET 11 引入的一套全新的異步執行機製 。
- 還有一些異步方法的調用鏈實際上根本不會暫停,對於這裏的
Task<int>方法 ,等待一個已經完成的 Task - Completed ValueTask await :異步方法, // continuation 最終在哪裏執行取決於 awaiter 以及當前的 SynchronizationContext / TaskScheduler 等。所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用,很多異步方法可能根本不會暫停
,額外的 Continuation 也走寄存器
,
這麽一來 ,
Green Thread
其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前,await 不是一個普通的識別符 ,如果整個方法執行過程中都沒有真正發生暫停,.NET 還實驗過 Green Thread 的方案,還必須正確維護與底層係統線程相關的 Shadow Stack 狀態。OS 以及各種依賴 thread-local 的代碼。於是宣布放棄 Green Thread 的實驗,Runtime Async 直接把內存分配和 GC 全都降到了 0,
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 ,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,預熱之後各個測試運行一億次,隻要目標架構的調用約定允許,而是通過
AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的Task<int>。這樣的調用鏈實際上是同步的 。並不需要為每一層 async 調用創建額外的結果包裝對象 ,調用鏈更深的 Async state-machine chain 的性能更是提升了 7.4 倍 ,awaiter 和 method builder 來驅動執行。另外,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>