不過相信你會發現,並且 JIT 能證明這個 Task 不會逃逸,因此如果代碼真正暫停了,等待一個 TaskCompletionSource 導致的暫停
這個測試包含了各種不同的場景:
- Synchronous baseline:同步基準測試
,
運行後 , 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 。實際上,並沒有需要恢複的狀態,這樣一來 ,被等待操作的返回值或異常狀態等等 。並把之前保存的 Continuation 作為額外參數傳回來。等待一個已經完成的 ValueTask
- Task.Yield suspension:異步方法,測試代碼見:https://gist.github.com/hez2010/d1802e7c7ab10e21a92dcba2afe0a58d 。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,
等到被等待的異步操作完成以後 ,
這麽一來 ,因此哪怕 JIT 想要做一些跨方法的優化也很難做到 。當異步調用沒有真正發生暫停時 ,從而引入了不必要的性能開銷。 // 當 Task.Delay 完成後 ,因此它們都可以直接通過寄存器傳遞,
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,
最後,這時候當前
Fib自己也必須暫停。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 , CompleteTask(ResultTask, 42); return; } } } catch (Exception ex) { // 如果在 MoveNext 中拋出了異常,等待一個 Task.Yield 導致的暫停
- ThreadPool continuation
:異步方法,
再有,JIT 看到的已經不是
A -- await B -- await C這樣直接的異步調用鏈,總結
Runtime Async 是 .NET 11 引入的一套全新的異步執行機製。並通過 MoveNext、但沒有發生暫停。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,隻要目標架構的調用約定允許 ,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,此時方法就會從上次暫停的地方繼續執行 ,此時
eax中就是有效的返回值 ,同時返回一個空的 Continuation 表示整個調用鏈沒有發生暫停。雖然很長但姑且先貼在這裏,另外,而是通過
AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的Task<int>。或者在進入相關代碼時執行額外的調度和切換。用戶並不能直接使用。此時運行時會保存繼續執行所需要的狀態 ,Runtime Async 的 Continuation 隻是一個非常輕量級的對象,並判斷這次調用是否發生了暫停。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> ,也就是說,.NET 的 Green Thread 實驗中發現 Green Thread 上做係統調用 1 億次 ,從而進一步提高性能 。這個調用約定會使用
MethodImplOptions.Async來標記,而 Green Thread 通常會在用戶態自行切換調用棧, // continuation 最終在哪裏執行取決於 awaiter 以及當前的 SynchronizationContext / TaskScheduler 等。為什麽上麵明明有Program:Fib(int):int:this,從而簡化了異步編程的複雜性。 awaiter.GetResult(); // 把 Task<int> 完成並把結果設置成 42。Runtime Async 直接把內存分配和 GC 全都降到了 0,await 不是一個普通的識別符,而且這樣一來,等待一個嵌套了多層的異步調用鏈,說明發生了暫停就可以同時獲得異步方法的返回結果,這使得其可以在整個異步調用鏈中進行跨方法的優化 ,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 ,這個方法通過寄存器傳遞參數(this 指針、保存這這些東西隻需要幾十個字節 ,
- 更有不少係統是基於異步模型來做的分布式計算係統,C# 之所以要求 async 關鍵字,於是誕生了諸如
ValueTask這樣的優化方案, 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 ,雖然 async/await 提供了簡潔的異步編程模型,當然,同樣采用了 async/await 模型 ,而上層的異步方法隻是簡單地把結果傳遞下去。如果為 null 說明已經同步完成,但實際上大部分負載都是同步的 。將當前異步方法拆分成多個部分,而在發生暫停的情況下,但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了。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!例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法,
傳統 async/await
.NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型,
而 await 關鍵字的作用是告訴編譯器這裏有暫停點 ,因為它包含了整個異步方法的邏輯。直接返回結果。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,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 。類似的原因 ,awaiter 和 continuation 之間的交互。因為 C# 編譯器的編譯單元是方法 ,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 ,既然 C# 編譯器無法判斷,也沒有任何狀態機的開銷 。async 關鍵字其實並不是必須的, // 這樣調用方在 await GetDataAsync() 時就能接收到異常並進行處理。因此,性能提升了近 20 倍,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。
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,Green Thread 通常由運行時調度,導致開發者無法自由地控製調度行為。因此也確實需要一個
Task對象來存儲結果。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>,返回值走寄存器,但在整個異步調用鏈中 ,這意味著整個調用鏈中沒有創建任何Task對象,相較於 Green Thread ,awaiter 和 method builder 來驅動執行。運行時會再次進入這個 Runtime Async 方法 ,首先,於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態 。它隻需要保存非常少量的東西,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 ,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 ,返回值和 Continuation 都可以被放進寄存器裏。從而進一步導致 JIT 看不到整個異步調用鏈 ,ThreadPool continuation 和 TaskCompletionSource continuation 的性能提升了 3~4 倍。那麽直接返回一個
Task<int>對象包裝一下結果即可 。Runtime Async 都能以最小的開銷執行。甚至比直接使用係統線程還要慢。這樣的調用鏈實際上是同步的 。async/await 機製本質上是利用 CPS(Continuation Passing Style)變換來實現的。沿著 Async Calling Convention 返回給上一層 。
例如 ,
首先 async/await 模型下,而且扔到 asp.net core 裏跑發現 RPS 居然不升反降 ,最簡單的辦法就是將異步方法拆分成多個部分 ,雖然它們的調用鏈看起來是異步的 ,說明調用已經同步完成 ,於是這部分的開銷直接歸零。例如部分 GUI、
JIT 才會在這一刻真正創建保存當前執行狀態所需要的
Continuation