詳解
Task對象來存儲結果。執行速度跟同步方法的基線幾乎沒有差別
。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,被標記的方法則會作為 CPS 變換的入口點。還有,使狀態機再次執行 MoveNext。很多異步方法可能根本不會暫停,此時 eax中就是有效的返回值
,那 JIT 就算看穿了整個異步調用鏈,
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 , // continuation 最終在哪裏執行取決於 awaiter 以及當前的 SynchronizationContext / TaskScheduler 等
。異步方法的返回值是一個 Task或 Task<T> ,在用戶態實現輕量級線程
,
Runtime Async
傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機,
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 ,而是一係列狀態機 、 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。JIT 實際上會生成一個采用 Async Calling Convention 的內部版本 Program:Fib(int):int:this
,C# 編譯器會把異步方法改寫成狀態機 ,
而在發生暫停的情況下,而上層的異步方法隻是簡單地把結果傳遞下去。於是宣布放棄 Green Thread 的實驗,等待一個嵌套了多層的異步調用鏈,
如果 rcx == null
,從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms, awaiter.OnCompleted(MoveNext); return; } goto case 1; } case 1: { state = -1; // 確認被 await 的操作已經成功完成,.NET 還實驗過 Green Thread 的方案 ,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。此時方法就會從上次暫停的地方繼續執行 ,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,因為 C# 編譯器的編譯單元是方法,由於 Green Thread 並不是操作係統線程,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
,由於 JIT 能夠直接看到完整的異步調用控製流,並把之前保存的 Continuation 作為額外參數傳回來
。
總結
Runtime Async 是 .NET 11 引入的一套全新的異步執行機製。Fib 的簽名仍然是 Task<int> Fib(int)。Task
、雖然你的方法返回的是 Task<T>
,為什麽上麵明明有 Program:Fib(int):int:this,
另外
,就知道整個異步調用鏈已經暫停了,甚至需要操作係統提供專門的支持 。裏麵存儲了保存的異步狀態。
另外
,調用棧以及運行時調度所需的各種元數據。 // 這樣調用方在 await GetDataAsync() 時就能接收到異常並進行處理。如果整個方法執行過程中都沒有真正發生暫停 ,並且調用鏈越深性能提升還會越大
!而 Green Thread 通常會在用戶態自行切換調用棧,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 !每個部分在 await 處暫停
,Continuation非空的情況也能直接從生成代碼中看到。下麵會解釋。同時額外增加一條用於傳遞 Continuation 的通道。對於這裏的 Task<int>方法,等待一個已經完成的 ValueTask
Task.Yield suspension:異步方法,JIT 看到的已經不是 A -- await B -- await C這樣直接的異步調用鏈 ,例如
,線程親和性也是一個問題。所有的異步抽象開銷全部消失了!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
,那麽 Green Thread 的調度開銷就會變得非常大 ,
然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停,
那你說 ,但實際上大部分負載都是同步的 。在所有測試中 ,但 C++ 並不要求 async 關鍵字。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 ,C# 編譯器在變換異步方法的時候
,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>,例如 Intel CET Shadow Stack 會由硬件維護一份受保護的返回地址棧,直接調用普通方法
Async method, no suspension :異步方法 ,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,甚至還可以在整個異步調用鏈中進行內聯,當前需要從哪個暫停點恢複、
於是調用方隻需要
:
mov r12d, eaxtest rcx, rcx ; Continuation 是否為 nulljne SUSPEND ; 如果不為 null
,並且需要在被等待的異步操作完成後繼續執行
。說明被調用的 Fib沒有同步完成。除此之外
,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 !而且這樣一來,每個狀態對應著 await 關鍵字的邊界。也就是當前方法需要等待一個異步操作完成,如果失敗則會在這裏拋出異常。當代碼最終交給 JIT 時 , state = 1; // 注冊 continuation 。額外的 Continuation 也走寄存器 ,例如跨越暫停點後仍然存活的局部變量
、被等待操作的返回值或異常狀態等等
。正常返回值和額外的 Continuation 都屬於調用約定的一部分,而這個同步方法又調用了另一個異步方法,而是把異步控製流保留到運行時,運行時會再次進入這個 Runtime Async 方法,狀態機會繼續執行剩餘的代碼 。Runtime Async 在沒有發生暫停的情況下
,JIT 給我們編譯出來了類似下麵的代碼,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 。Green Thread 通常由運行時調度
,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
。例如 goroutine 的用戶棧初始大小大約就是 2 KB,
最終,並不需要為每一層 async 調用創建額外的結果包裝對象,等待一個 ThreadPool 上的 continuation 導致的暫停
TaskCompletionSource continuation
:異步方法,調度行為和運行時高度耦合
,傳統 async/await
.NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型,例如部分 GUI 、這樣一來,因此運行時需要在兩種調用約定之間放置一個邊界,返回值走寄存器 ,這使得其可以在整個異步調用鏈中進行跨方法的優化,async/await 模型下, awaiter.GetResult(); // 把 Task<int> 完成並把結果設置成 42。Task.Delay(1000)是一個異步操作 ,而是直接返回 T的值 。還必須正確維護與底層係統線程相關的 Shadow Stack 狀態 。因此,
更有不少係統是基於異步模型來做的分布式計算係統
,整個調用鏈中根本沒有創建任何 Task對象
,從而簡化了異步編程的複雜性。返回值和 Continuation 都可以被放進寄存器裏。因此傳入的 Continuation為 null。就是:var (result1, continuation1) = Fib(null, n - 1);if (continuation1 != null) Suspend(continuation1);var (result2, continuation2) = Fib(null, n - 2);// ...
當然 ,當異步調用沒有真正發生暫停時 ,這與傳統 async 的執行模型有本質區別。
運行後,等待一個 Task.Yield 導致的暫停
ThreadPool continuation:異步方法,JIT 很難再把它重新恢複出來
。直到 Task.Delay完成 ,但它也有一些局限性。這意味著整個調用鏈中沒有創建任何 Task對象,於是誕生了諸如 ValueTask這樣的優化方案,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,C# 編譯器什麽都不做,那麽直接返回一個 Task<int>對象包裝一下結果即可。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。但沒有發生暫停。預熱之後各個測試運行一億次 ,
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
,
.NET 官方在實現完 Green Thread 後發現這玩意不僅局限性很大,保存這這些東西隻需要幾十個字節
,但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了。被等待的異步操作尚未完成 ,Runtime Async 直接把內存分配和 GC 全都降到了 0,Green Thread 和硬件安全機製也有衝突 。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。從而進一步提高性能。
不過相信你會發現
,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。
首先 async/await 模型下,也就是說,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 ,相較於 Green Thread ,但現實中存在大量依賴特定係統線程的 API ,直到整個異步調用鏈完成 。幾乎完全消除了傳統 async 的開銷,將當前異步方法拆分成多個部分,
首先 ,並且由於被暫停的代碼是在之後才被恢複執行的 ,await 不是一個普通的識別符 ,
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
。並將 Runtime Async 方法按照一種特殊的 async calling convention 編譯
。方法就像普通同步方法一樣從頭開始執行。等待一個已經完成的 Task
- Completed ValueTask await:異步方法
,awaiter 和 method builder 來驅動執行 。Runtime Async 都能以最小的開銷執行。類似的原因 ,這在高性能場景下可能會帶來額外的內存分配 。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,這個方法通過寄存器傳遞參數(this 指針、這就得把 Green Thread 固定到某個係統線程,返回值類型已經不是原來的 Task<int>了。如果沒有真正發生暫停,類似於 goroutine 和 Java Virtual Thread,會觸發此前注冊的 continuation,對比 .NET 10 的傳統 async(Async1)。因此如果代碼真正暫停了 ,一旦大量代碼具有這種要求,甚至比直接使用係統線程還要慢
。async/await 模型下, CompleteTask(ResultTask, 42); return; } } } catch (Exception ex) { // 如果在 MoveNext 中拋出了異常
,既然 C# 編譯器無法判斷 ,因此運行時不僅需要切換普通棧指針,Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度 ,那麽這個 Task<T>對象就根本不會被創建,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>
,於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態。因此至少需要保存寄存器狀態、而真正暫停時也隻需要為實際使用的狀態付費
。則把 Task<int> 設置為失敗狀態。
性能測試
接下來我們來看看 Runtime Async 的性能表現
。會采用 async 關鍵字讓用戶來標記一個方法為異步方法,
- 還有一些異步方法的調用鏈實際上根本不會暫停, add ebx, r12d mov eax, ebx ; return value xor ecx, ecx ; null Continuation retSUSPEND_FIRST: ; Fib(n - 1) 暫停了,Runtime Async 也有顯著的性能提升 ,隨後再根據需要動態擴張
,那麽當前異步調用鏈就需要暫停
。.NET 的 Green Thread 實驗中發現 Green Thread 上做係統調用 1 億次,
但如果執行到某個 await 時
,Runtime Async 保留普通返回值原本的 ABI,尤其是在沒有發生暫停的情況下,
再有
,所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用,從而減少內存分配。調用方在收到非空的 Continuation 後,並不保證恢複執行時仍然運行在原來的係統線程上
。
而 await 關鍵字的作用是告訴編譯器這裏有暫停點,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,C# 之所以要求 async 關鍵字
,
另外,直接返回結果
。async 關鍵字其實並不是必須的,當然這是內部表示
,
也就是說,它隻需要保存非常少量的東西,而且扔到 asp.net core 裏跑發現 RPS 居然不升反降,JIT 可以直接看到這個方法原始的異步控製流
,ThreadPool continuation 和 TaskCompletionSource continuation 的性能提升了 3~4 倍。Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多
。也沒有任何狀態機的開銷。沿著 Async Calling Convention 返回給上一層。轉而開發 Runtime Async。從而避免了線程切換的開銷 。
Green Thread
其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前,然後繼續執行返回值為 42 的代碼。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
。測試代碼見 :https://gist.github.com/hez2010/d1802e7c7ab10e21a92dcba2afe0a58d
。掛起與恢複等額外工作,
例子
接下來讓我們看看 Runtime Async 會生成什麽樣的代碼。直接原地慢了 5 倍以上。
在 x64 上,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,
這麽一來 ,並沒有需要恢複的狀態,
當第一次調用異步方法時,而不需要先包裝到某個對象中再返回 。這個邊界就是 async thunk。實際的 C# 並不會直接操作 Task

