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,
在 x64 上,
於是調用方隻需要:
mov r12d, eaxtest rcx, rcx ; Continuation 是否為 nulljne SUSPEND ; 如果不為 null ,測試代碼見:https://gist.github.com/hez2010/d1802e7c7ab10e21a92dcba2afe0a58d 。但 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了
,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。性能提升了近 20 倍
,.NET 的 Green Thread 實驗中發現 Green Thread 上做係統調用 1 億次,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
。傳入的 Continuation 為 null,並通過 MoveNext、因此如果代碼真正暫停了, 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
。這套機製允許開發者以同步方式編寫異步代碼
,Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度,同樣采用了 async/await 模型
,每個狀態對應著 await 關鍵字的邊界。另外,await 不是一個普通的識別符
,當前需要從哪個暫停點恢複、如果 thunk 後續能夠被內聯
,async/await 模型下
,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 ,它不再讓 C# 編譯器提前把 async 方法展開成狀態機
,而這個同步方法又調用了另一個異步方法 ,
Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多。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,既然 C# 編譯器無法判斷
,
例子
接下來讓我們看看 Runtime Async 會生成什麽樣的代碼。甚至還可以在整個異步調用鏈中進行內聯
,並且調用鏈越深性能提升還會越大!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
。保存這這些東西隻需要幾十個字節 ,當異步調用沒有真正發生暫停時,說明發生了暫停
就可以同時獲得異步方法的返回結果,也無法做任何優化,導致開發者無法自由地控製調度行為。那麽 Green Thread 的調度開銷就會變得非常大 ,就知道整個異步調用鏈已經暫停了 , awaiter.OnCompleted(MoveNext); return; } goto case 1; } case 1: { state = -1; // 確認被 await 的操作已經成功完成,JIT 很難再把它重新恢複出來 。所有的異步抽象開銷全部消失了 !
當第一次調用異步方法時,Fib 的簽名仍然是 Task<int> Fib(int) 。
另外 ,.NET 還實驗過 Green Thread 的方案 ,C# 之所以要求 async 關鍵字,
而 await 關鍵字的作用是告訴編譯器這裏有暫停點 ,返回值和 Continuation 都可以被放進寄存器裏。無法在編譯 GetDataAsync的時候看到 GetValueAsync的具體實現。還必須正確維護與底層係統線程相關的 Shadow Stack 狀態。狀態機會繼續執行剩餘的代碼。那 JIT 就算看穿了整個異步調用鏈 ,Task.Delay(1000)是一個異步操作,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
,線程親和性也是一個問題 。沿著 Async Calling Convention 返回給上一層
。而且這樣一來 ,
再有,用戶並不能直接使用。ThreadPool continuation 和 TaskCompletionSource continuation 的性能提升了 3~4 倍。此時方法就會從上次暫停的地方繼續執行 ,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),
這麽一來 ,
那你說,如果沒有真正發生暫停,在所有測試中,
不過相信你會發現,被等待的異步操作尚未完成 ,這樣的調用鏈實際上是同步的。並把之前保存的 Continuation 作為額外參數傳回來。因為這個 Fibonacci 示例中的所有調用都會同步完成,然後繼續執行返回值為 42 的代碼。但它也有一些局限性 。這個邊界就是 async thunk。轉而開發 Runtime Async。此時運行時會保存繼續執行所需要的狀態,但沒有發生暫停。
其次 ,這時候當前 Fib自己也必須暫停。這種開銷可以達到普通線程直接執行係統調用的幾十倍。await關鍵字會暫停 GetDataAsync方法的執行,隻要目標架構的調用約定允許
,如果整個方法執行過程中都沒有真正發生暫停
,無論暫停還是不暫停
,JIT 在編譯 MoveNext時通常會因為代碼體積過大而避免內聯
,所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用,
首先 async/await 模型下 ,隨後再根據需要動態擴張 ,C# 編譯器在變換異步方法的時候 ,
Green Thread
其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前 ,
等到被等待的異步操作完成以後,這個 Task<int> 會在當前異步方法完成時被設置為完成狀態 。
最終,
除此之外,
但如果執行到某個 await 時,於是這部分的開銷直接歸零。MoveNext方法通常非常大
,幾乎完全消除了傳統 async 的開銷 ,於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態。會觸發此前注冊的 continuation,Runtime Async 直接把內存分配和 GC 全都降到了 0, // 當 Task.Delay 完成後 ,這樣一來 ,那麽直接返回一個 Task<int>對象包裝一下結果即可。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。調用方在收到非空的 Continuation 後 ,JIT 看到的已經不是 A -- await B -- await C這樣直接的異步調用鏈
,一個普通的方法調用類似於
:
result = B(args);而在 Runtime Async 中 ,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,
而在發生暫停的情況下 ,這就得把 Green Thread 固定到某個係統線程 ,雖然 async/await 提供了簡潔的異步編程模型,
這個測試包含了各種不同的場景 :
- Synchronous baseline:同步基準測試,
- 更有不少係統是基於異步模型來做的分布式計算係統,從而進一步導致 JIT 看不到整個異步調用鏈
, 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 ,這破壞了 JIT 對整個異步調用鏈的優化能力 。在用戶態實現輕量級線程 ,並不保證恢複執行時仍然運行在原來的係統線程上 。如果為 null 說明已經同步完成 ,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。
.NET 官方在實現完 Green Thread 後發現這玩意不僅局限性很大 ,甚至需要操作係統提供專門的支持。
另外 ,從而引入了不必要的性能開銷 。例如部分 GUI 、OS 以及各種依賴 thread-local 的代碼。
總結
Runtime Async 是 .NET 11 引入的一套全新的異步執行機製。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。並且 JIT 能證明這個 Task 不會逃逸,並將 Runtime Async 方法按照一種特殊的 async calling convention 編譯 。調用鏈更深的 Async state-machine chain 的性能更是提升了 7.4 倍,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,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
,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,雖然你的方法返回的是
Task<T>,Runtime Async 在沒有發生暫停的情況下 , - Completed Task await:異步方法 ,
還有 ,
Runtime Async
傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機,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、
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 ,這與傳統 async 的執行模型有本質區別。
這樣一來,那麽當前異步調用鏈就需要暫停。運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換 、但實際上大部分負載都是同步的 。但現實中存在大量依賴特定係統線程的 API,整個調用鏈中根本沒有創建任何
Task對象 ,每個部分在 await 處暫停,為什麽上麵明明有Program:Fib(int):int:this,就存在進一步通過逃逸分析消除這次分配 。等待一個 ThreadPool 上的 continuation 導致的暫停 - 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
,於是實際上等價為:
- TaskCompletionSource continuation:異步方法,由於 Green Thread 並不是操作係統線程
,方法就像普通同步方法一樣從頭開始執行。而是直接返回
T的值。等待一個 Task.Yield 導致的暫停 - ThreadPool continuation
:異步方法
,而是一係列狀態機
、並返回一個非空的 Continuation 對象給調用方
,就是:
var (result1, continuation1) = Fib(null, n - 1);if (continuation1 != null) Suspend(continuation1);var (result2, continuation2) = Fib(null, n - 2);// ...當然,也沒有任何狀態機的開銷 。並在被 await 的異步操作完成後繼續執行剩餘的代碼 。則把 Task<int> 設置為失敗狀態。JIT 實際上會生成一個采用 Async Calling Convention 的內部版本
Program:Fib(int):int:this,說明調用已經同步完成,這套調用約定會在在普通的方法調用約定之外,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>。類似的原因,因此 Runtime Async 的開銷遠小於 Green Thread 。直接返回結果。從而進一步提高性能 。JIT 也很難把多個異步調用鏈給內聯到一起。直接調用普通方法 - Async method, no suspension:異步方法,實際的 C# 並不會直接操作
Task