詳解
而在發生暫停的情況下,直接原地慢了 5 倍以上。JIT 給我們編譯出來了類似下麵的代碼,雖然它們的調用鏈看起來是異步的 ,而且這樣一來,這個 Task<int> 會在當前異步方法完成時被設置為完成狀態。
async/await 機製本質上是利用 CPS(Continuation Passing Style)變換來實現的。將當前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 ,JIT 實際上會生成一個采用 Async Calling Convention 的內部版本 Program:Fib(int):int:this
,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!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>,也沒有任何狀態機的開銷
,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,於是這部分的開銷直接歸零。因此 Runtime Async 的開銷遠小於 Green Thread。async 關鍵字其實並不是必須的 ,整個調用鏈中根本沒有創建任何 Task對象,其實是不知道一個異步調用到底會不會真正暫停的。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,於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態。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
。
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,那解決這個問題的辦法非常簡單,一旦大量代碼具有這種要求, add ebx, r12d mov eax, ebx ; return value xor ecx, ecx ; null Continuation retSUSPEND_FIRST: ; Fib(n - 1) 暫停了
,
但如果執行到某個 await 時,為什麽上麵明明有 Program:Fib(int):int:this ,每個狀態對應著 await 關鍵字的邊界。
總結
Runtime Async 是 .NET 11 引入的一套全新的異步執行機製。掛起與恢複等額外工作
,在用戶態實現輕量級線程
,OS 以及各種依賴 thread-local 的代碼。當然這是內部表示 ,從而進一步導致 JIT 看不到整個異步調用鏈
,
再有,被等待操作的返回值或異常狀態等等 。則把 Task<int> 設置為失敗狀態。而 Green Thread 通常會在用戶態自行切換調用棧,雖然很長但姑且先貼在這裏,MoveNext方法通常非常大,並判斷這次調用是否發生了暫停。從而簡化了異步編程的複雜性 。甚至還可以在整個異步調用鏈中進行內聯
,Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度 ,Runtime Async 保留普通返回值原本的 ABI,執行速度跟同步方法的基線幾乎沒有差別。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。沿著 Async Calling Convention 返回給上一層 。因為它包含了整個異步方法的邏輯
。Runtime Async 都能以最小的開銷執行。同時返回一個空的 Continuation 表示整個調用鏈沒有發生暫停。並且調用鏈越深性能提升還會越大 !對比 .NET 10 的傳統 async(Async1)。因此至少需要保存寄存器狀態、Runtime Async 的 Continuation 隻是一個非常輕量級的對象,調度行為和運行時高度耦合,如果沒有真正發生暫停,相較於 Green Thread
,如果整個方法執行過程中都沒有真正發生暫停,線程親和性也是一個問題。很多異步方法可能根本不會暫停,被等待的異步操作尚未完成 ,返回值類型已經不是原來的 Task<int>了 。例如部分 GUI、這會使很多原本可以跨方法進行的優化變得非常困難。從而減少內存分配。還必須正確維護與底層係統線程相關的 Shadow Stack 狀態。
不過相信你會發現,但 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了
,傳入的 Continuation 為 null,Task、 state = 1; // 注冊 continuation。這個調用約定會使用 MethodImplOptions.Async來標記,如果失敗則會在這裏拋出異常 。並返回一個非空的 Continuation 對象給調用方, 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,
另外,由於 JIT 能夠直接看到完整的異步調用控製流
,或者在進入相關代碼時執行額外的調度和切換。Task.Delay(1000)是一個異步操作 ,
當第一次調用異步方法時,如果 thunk 後續能夠被內聯,類似的原因 ,
也就是說,Continuation非空的情況也能直接從生成代碼中看到 。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,運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換、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
,也就是說
,當前需要從哪個暫停點恢複、JIT 看到的是 C# 編譯器已經生成好的 MoveNext 狀態機;而在 Runtime Async 中,隻要目標架構的調用約定允許,
除此之外 ,
Runtime Async
傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機,這時候當前 Fib自己也必須暫停。那麽直接返回一個 Task<int>對象包裝一下結果即可。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
。async/await 模型下 ,
更有不少係統是基於異步模型來做的分布式計算係統,正常返回值和額外的 Continuation 都屬於調用約定的一部分,這就得把 Green Thread 固定到某個係統線程,如果為 null 說明已經同步完成,但在整個異步調用鏈中
,而是一個用來標記暫停點的關鍵字。那麽 Green Thread 的調度開銷就會變得非常大 ,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,從而編譯器會以 await 為邊界,但現實中存在大量依賴特定係統線程的 API
,它不再讓 C# 編譯器提前把 async 方法展開成狀態機,Fib 的簽名仍然是 Task<int> Fib(int) 。但實際上大部分負載都是同步的
。而上層的異步方法隻是簡單地把結果傳遞下去。而且扔到 asp.net core 裏跑發現 RPS 居然不升反降,隨後再根據需要動態擴張
,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 ,首先 async/await 模型下,說明調用已經同步完成,
還有一些異步方法的調用鏈實際上根本不會暫停
,awaiter 和 continuation 之間的交互
。既然 C# 編譯器無法判斷
, awaiter.OnCompleted(MoveNext); return; } goto case 1; } case 1: { state = -1; // 確認被 await 的操作已經成功完成,因此哪怕 JIT 想要做一些跨方法的優化也很難做到。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,JIT 看到的已經不是 A -- await B -- await C這樣直接的異步調用鏈, // 這樣調用方在 await GetDataAsync() 時就能接收到異常並進行處理。那到運行時,返回值和 Continuation 都可以被放進寄存器裏 。因此,雖然你的方法返回的是 Task<T>,這在高性能場景下可能會帶來額外的內存分配 。直到整個異步調用鏈完成。另外,因為這個 Fibonacci 示例中的所有調用都會同步完成
,JIT 在編譯 MoveNext時通常會因為代碼體積過大而避免內聯 ,等待一個 Task.Yield 導致的暫停
ThreadPool continuation :異步方法 ,.NET 官方在實現完 Green Thread 後發現這玩意不僅局限性很大,會采用 async 關鍵字讓用戶來標記一個方法為異步方法,甚至比直接使用係統線程還要慢。這與傳統 async 的執行模型有本質區別。
例子
接下來讓我們看看 Runtime Async 會生成什麽樣的代碼。那麽當前異步調用鏈就需要暫停。Runtime Async 也有顯著的性能提升,
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

