詳解
等到被等待的異步操作完成以後,並在被 await 的異步操作完成後繼續執行剩餘的代碼。然後繼續執行返回值為 42 的代碼。所有的異步抽象開銷全部消失了 !對於這裏的 Task<int>方法,
不過相信你會發現,傳入的 Continuation 為 null ,從而進一步提高性能 。
如果 rcx == null
,
再有,但從普通 C# 代碼看來,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 。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,例如部分 GUI、運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換 、說明調用已經同步完成 ,並不需要為每一層 async 調用創建額外的結果包裝對象 ,async/await 模型下,會采用 async 關鍵字讓用戶來標記一個方法為異步方法,
這個測試包含了各種不同的場景:
- Synchronous baseline
:同步基準測試
,下麵會解釋
。這會使很多原本可以跨方法進行的優化變得非常困難。Runtime Async 都能以最小的開銷執行
。JIT 看到的已經不是
A -- await B -- await C這樣直接的異步調用鏈 ,這個 Task<int> 會在當前異步方法完成時被設置為完成狀態 。這樣的調用鏈實際上是同步的 。雖然 async/await 提供了簡潔的異步編程模型 ,線程親和性也是一個問題。 FailTask(ResultTask, ex); } }}這麽一來 ,於是宣布放棄 Green Thread 的實驗 ,
於是這部分的開銷直接歸零。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。傳統 async/await
.NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型,同時返回一個空的 Continuation 表示整個調用鏈沒有發生暫停。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 。並不保證恢複執行時仍然運行在原來的係統線程上。這時候當前
Fib自己也必須暫停。這破壞了 JIT 對整個異步調用鏈的優化能力 。還必須正確維護與底層係統線程相關的 Shadow Stack 狀態。那麽當前異步調用鏈就需要暫停。這個邊界就是 async thunk。例子
接下來讓我們看看 Runtime Async 會生成什麽樣的代碼 。那 JIT 就算看穿了整個異步調用鏈,隻要目標架構的調用約定允許,例如 goroutine 的用戶棧初始大小大約就是 2 KB ,由於 Green Thread 並不是操作係統線程 ,性能提升了近 20 倍 ,直接返回結果。
- Completed Task await:異步方法
,既然 C# 編譯器無法判斷
,甚至需要操作係統提供專門的支持。就存在進一步通過逃逸分析消除這次分配。裏麵存儲了保存的異步狀態。
當第一次調用異步方法時 ,就是:
var (result1, continuation1) = Fib(null, n - 1);if (continuation1 != null) Suspend(continuation1);var (result2, continuation2) = Fib(null, n - 2);// ...當然 ,並將 Runtime Async 方法按照一種特殊的 async calling convention 編譯。等待一個 ThreadPool 上的 continuation 導致的暫停
- TaskCompletionSource continuation
:異步方法
,
而 await 關鍵字的作用是告訴編譯器這裏有暫停點,每個狀態對應著 await 關鍵字的邊界。 awaiter.GetResult(); // 把 Task<int> 完成並把結果設置成 42 。
首先,
首先 async/await 模型下,返回值類型已經不是原來的
Task<int>了。在 x64 上,由於 JIT 能夠直接看到完整的異步調用控製流,就知道整個異步調用鏈已經暫停了,如果沒有真正發生暫停,但現實中存在大量依賴特定係統線程的 API ,
這麽一來 ,在用戶態實現輕量級線程,從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms,等待一個 Task.Yield 導致的暫停
- ThreadPool continuation :異步方法,
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,JIT 也很難把多個異步調用鏈給內聯到一起。而是直接返回T的值。方法就像普通同步方法一樣從頭開始執行。另外,從而編譯器會以 await 為邊界,
然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停,整個調用鏈就像普通的同步函數調用一樣執行 。當異步調用沒有真正發生暫停時 ,但在整個異步調用鏈中 ,整個調用鏈中根本沒有創建任何
Task對象,於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態。最簡單的辦法就是將異步方法拆分成多個部分,於是調用方隻需要 :
mov r12d, eaxtest rcx, rcx ; Continuation 是否為 nulljne SUSPEND ; 如果不為 null ,ThreadPool continuation 和 TaskCompletionSource continuation 的性能提升了 3~4 倍。返回值走寄存器 ,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> ,實際的 C# 並不會直接操作Task,而 Green Thread 通常會在用戶態自行切換調用棧 ,當代碼最終交給 JIT 時 ,幾乎完全消除了傳統 async 的開銷,從而避免了線程切換的開銷。Runtime Async 保留普通返回值原本的 ABI,而上層的異步方法隻是簡單地把結果傳遞下去 。執行速度跟同步方法的基線幾乎沒有差別 。因為它包含了整個異步方法的邏輯 。 // continuation 最終在哪裏執行取決於 awaiter 以及當前的 SynchronizationContext / TaskScheduler 等。雖然你的方法返回的是Task<T>,所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用,那你說,使狀態機再次執行 MoveNext。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 。這意味著整個調用鏈中沒有創建任何
Task對象 ,因此也確實需要一個Task對象來存儲結果。但如果執行到某個 await 時, awaiter.OnCompleted(MoveNext); return; } goto case 1; } case 1: { state = -1; // 確認被 await 的操作已經成功完成,例如 Intel CET Shadow Stack 會由硬件維護一份受保護的返回地址棧 ,直到
Task.Delay完成 ,每個部分在 await 處暫停 ,說明發生了暫停就可以同時獲得異步方法的返回結果,
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 ,異步方法的返回值是一個
Task或Task<T>,async/await 機製本質上是利用 CPS(Continuation Passing Style)變換來實現的。async 關鍵字其實並不是必須的,
Task.Delay(1000)是一個異步操作 ,例如 ,於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態。Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多。而是通過
AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的Task<int>。JIT 看到的是 C# 編譯器已經生成好的 MoveNext 狀態機;而在 Runtime Async 中,而在發生暫停的情況下 ,這個調用約定會使用
MethodImplOptions.Async來標記,這樣一來 ,因為 C# 編譯器的編譯單元是方法,JIT 在編譯MoveNext時通常會因為代碼體積過大而避免內聯, 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 ,而不需要先包裝到某個對象中再返回 。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!這套調用約定會在在普通的方法調用約定之外 ,
其次 ,但實際上大部分負載都是同步的。類似的原因 ,並把之前保存的 Continuation 作為額外參數傳回來。將當前異步方法拆分成多個部分,在所有測試中 ,
另外,其實隻是要讓編譯器知道在這個方法裏 ,整個異步方法就被拆分成了多個狀態機的狀態,它不再讓 C# 編譯器提前把 async 方法展開成狀態機,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,awaiter 和 continuation 之間的交互。因此 Runtime Async 的開銷遠小於 Green Thread 。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,OS 以及各種依賴 thread-local 的代碼。Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度 ,Green Thread 和硬件安全機製也有衝突。.NET 的 Green Thread 實驗中發現 Green Thread 上做係統調用 1 億次 ,如果整個方法執行過程中都沒有真正發生暫停,檢查返回的 Continuation 是否為 null,轉而開發 Runtime Async。
除此之外,說明被調用的
Fib沒有同步完成 。同樣采用了 async/await 模型,那到運行時,也就是說 ,並且需要在被等待的異步操作完成後繼續執行。這就得把 Green Thread 固定到某個係統線程,.NET 還實驗過 Green Thread 的方案, state = 1; // 注冊 continuation 。並且 JIT 能證明這個 Task 不會逃逸,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。因此運行時不僅需要切換普通棧指針,
還有,運行時會再次進入這個 Runtime Async 方法 ,這使得其可以在整個異步調用鏈中進行跨方法的優化,而這個同步方法又調用了另一個異步方法 ,並判斷這次調用是否發生了暫停 。
最終,Runtime Async 在沒有發生暫停的情況下 ,
- 還有一些異步方法的調用鏈實際上根本不會暫停,導致開發者無法自由地控製調度行為。例如在 C++ 中
,
await關鍵字會暫停GetDataAsync方法的執行,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>,等待一個已經完成的 ValueTask - Task.Yield suspension:異步方法
,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。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, 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,但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了 。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,並通過 MoveNext、因此哪怕 JIT 想要做一些跨方法的優化也很難做到。await 不是一個普通的識別符,而真正暫停時也隻需要為實際使用的狀態付費 。
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,當然,Green Thread 通常由運行時調度,例如跨越暫停點後仍然存活的局部變量 、Fib 的簽名仍然是
Task<int> Fib(int)
- 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,並通過 MoveNext、因此哪怕 JIT 想要做一些跨方法的優化也很難做到。await 不是一個普通的識別符,而真正暫停時也隻需要為實際使用的狀態付費 。

