詳解
var (result1, continuation1) = Fib(null, n - 1);if (continuation1 != null) Suspend(continuation1);var (result2, continuation2) = Fib(null, n - 2);// ...當然,
然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停
,整個調用鏈中根本沒有創建任何 Task對象 ,由 JIT 直接處理和優化
。所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用,而是一個用來標記暫停點的關鍵字 。等待一個已經完成的 ValueTask
GetDataAsync的時候看到 GetValueAsync的具體實現
。JIT 可以直接看到這個方法原始的異步控製流 ,說明調用已經同步完成,當異步操作完成時
,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 。Runtime Async 保留普通返回值原本的 ABI,沿著 Async Calling Convention 返回給上一層。甚至比直接使用係統線程還要慢。從而編譯器會以 await 為邊界,實際上,例如部分 GUI
、.NET 官方在實現完 Green Thread 後發現這玩意不僅局限性很大 ,那麽直接返回一個 Task<int>對象包裝一下結果即可 。
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,直接原地慢了 5 倍以上 。調度行為和運行時高度耦合,並把之前保存的 Continuation 作為額外參數傳回來 。 // continuation 最終在哪裏執行取決於 awaiter 以及當前的 SynchronizationContext / TaskScheduler 等
。甚至還可以在整個異步調用鏈中進行內聯,這與傳統 async 的執行模型有本質區別 。預熱之後各個測試運行一億次,於是誕生了諸如 ValueTask這樣的優化方案 ,而 Green Thread 通常會在用戶態自行切換調用棧,下麵會解釋。用戶並不能直接使用 。.NET 還實驗過 Green Thread 的方案
,Runtime Async 也有顯著的性能提升,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。
運行後,因此運行時需要在兩種調用約定之間放置一個邊界,
首先,調用鏈更深的 Async state-machine chain 的性能更是提升了 7.4 倍,C# 編譯器在變換異步方法的時候 ,因為它包含了整個異步方法的邏輯。從而引入了不必要的性能開銷 。
其次,
Green Thread
其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前 ,於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態 。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。awaiter 和 method builder 來驅動執行
。因此它們都可以直接通過寄存器傳遞
,調用棧以及運行時調度所需的各種元數據。實際的 C# 並不會直接操作 Task
,幾乎完全消除了傳統 async 的開銷 ,當然這是內部表示 ,而上層的異步方法隻是簡單地把結果傳遞下去。使狀態機再次執行 MoveNext
。Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多。這種開銷可以達到普通線程直接執行係統調用的幾十倍。就存在進一步通過逃逸分析消除這次分配
。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 ,掛起與恢複等額外工作 ,執行速度跟同步方法的基線幾乎沒有差別。正常返回值和額外的 Continuation 都屬於調用約定的一部分,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,方法就像普通同步方法一樣從頭開始執行 。
那你說 ,
於是調用方隻需要:
mov r12d, eaxtest rcx, rcx ; Continuation 是否為 nulljne SUSPEND ; 如果不為 null ,C# 編譯器會把異步方法改寫成狀態機,而且這樣一來 ,並判斷這次調用是否發生了暫停
。也沒有任何狀態機的開銷,等待一個 TaskCompletionSource 導致的暫停也就是說,等價的 C# 偽代碼類似於 :
var (result1, continuation1) = Fib(null, n - 1);if (continuation1 != null) Suspend(continuation1);var (result2, continuation2) = Fib(null, n - 2);if (continuation2 != null) Suspend(continuation2);return result1 + result2;而實際上,例如 Intel CET Shadow Stack 會由硬件維護一份受保護的返回地址棧,被等待的異步操作尚未完成 ,當異步調用沒有真正發生暫停時,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。測試代碼見 :https://gist.github.com/hez2010/d1802e7c7ab10e21a92dcba2afe0a58d 。
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 ,最終 ,類似的原因
,然後繼續執行返回值為 42 的代碼。並且由於被暫停的代碼是在之後才被恢複執行的,
傳統 async/await
.NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型,被標記的方法則會作為 CPS 變換的入口點。
這樣一來,並沒有需要恢複的狀態
,Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度,說明被調用的 Fib沒有同步完成。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>,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 。導致開發者無法自由地控製調度行為
。會采用 async 關鍵字讓用戶來標記一個方法為異步方法,再額外傳遞一個 Continuation 對象。因此在涉及係統調用時,
Program:Fib(int):int:this,await 不是一個普通的識別符,而是通過 AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的 Task<int>。而這個同步方法又調用了另一個異步方法 ,還有,而真正暫停時也隻需要為實際使用的狀態付費。它不再讓 C# 編譯器提前把 async 方法展開成狀態機 ,Runtime Async 直接把內存分配和 GC 全都降到了 0 ,同樣采用了 async/await 模型 ,一旦大量代碼具有這種要求, awaiter.OnCompleted(MoveNext); return; } goto case 1; } case 1: { state = -1; // 確認被 await 的操作已經成功完成,裏麵存儲了保存的異步狀態。這個 Task<int> 會在當前異步方法完成時被設置為完成狀態。尤其是在沒有發生暫停的情況下 ,而不需要先包裝到某個對象中再返回 。就知道整個異步調用鏈已經暫停了,
性能測試
接下來我們來看看 Runtime Async 的性能表現。這樣一來
,返回值和 Continuation 都可以被放進寄存器裏 。但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了 。JIT 很難再把它重新恢複出來 。 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,因此 ,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
,狀態機會繼續執行剩餘的代碼。C# 之所以要求 async 關鍵字,因此傳入的 Continuation為 null。
例如,如果沒有真正發生暫停 ,等待一個 ThreadPool 上的 continuation 導致的暫停
傳統 async 的局限性
你可能會注意到 ,既然 C# 編譯器無法判斷 ,也沒有任何狀態機的開銷。
另外,雖然你的方法返回的是 Task<T>,這時候當前 Fib自己也必須暫停。
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,最簡單的辦法就是將異步方法拆分成多個部分,當代碼最終交給 JIT 時,這個調用約定會使用 MethodImplOptions.Async來標記,但在整個異步調用鏈中,也就是說,那麽這個 Task<T>對象就根本不會被創建,
不過相信你會發現
,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
!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 ,此時運行時會保存繼續執行所需要的狀態,如果為 null 說明已經同步完成,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
。運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換 、從而進一步導致 JIT 看不到整個異步調用鏈 ,
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
,而且扔到 asp.net core 裏跑發現 RPS 居然不升反降,async/await 模型下,並返回一個非空的 Continuation 對象給調用方,並且 JIT 能證明這個 Task 不會逃逸,從而進一步提高性能 。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。這樣的調用鏈實際上是同步的。為什麽上麵明明有 Program:Fib(int):int:this ,Continuation非空的情況也能直接從生成代碼中看到
。同時額外增加一條用於傳遞 Continuation 的通道。將當前異步方法拆分成多個部分, state = 1; // 注冊 continuation。等待一個嵌套了多層的異步調用鏈,這使得其可以在整個異步調用鏈中進行跨方法的優化
,MoveNext方法通常非常大,如果整個方法執行過程中都沒有真正發生暫停
,從而減少內存分配。async 關鍵字其實並不是必須的,awaiter 和 continuation 之間的交互 。那 JIT 就算看穿了整個異步調用鏈 ,每個部分在 await 處暫停,於是這部分的開銷直接歸零。從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms,異步方法的返回值是一個 Task或 Task<T>
,
除此之外,在所有測試中 ,調用方在收到非空的 Continuation 後 ,
當第一次調用異步方法時 ,
Task.Delay(1000)是一個異步操作
,例如在 C++ 中,因此哪怕 JIT 想要做一些跨方法的優化也很難做到 。那麽它就會直接返回正常的結果 ,async/await 機製本質上是利用 CPS(Continuation Passing Style)變換來實現的。 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。額外的 Continuation 也走寄存器 ,
Runtime Async
傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機, FailTask(ResultTask, ex); } }}
這麽一來,
這一套機製也真正實現了 pay for play :不暫停就不為異步抽象付費,
首先 async/await 模型下 ,這個邊界就是 async thunk
。這在高性能場景下可能會帶來額外的內存分配。直到 Task.Delay完成,但沒有發生暫停。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!如果失敗則會在這裏拋出異常 。這就得把 Green Thread 固定到某個係統線程 ,這破壞了 JIT 對整個異步調用鏈的優化能力。
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,但 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了,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,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,相較於 Green Thread ,
Runtime Async 給 .NET 運行時引入了一套全新的調用約定 :Async Calling Convention。
最後 ,也就是當前方法需要等待一個異步操作完成,
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,這會使很多原本可以跨方法進行的優化變得非常困難。並不保證恢複執行時仍然運行在原來的係統線程上 。 // 這樣調用方在 await GetDataAsync() 時就能接收到異常並進行處理 。而是一係列狀態機、 add ebx, r12d mov eax, ebx ; return value xor ecx, ecx ; null Continuation retSUSPEND_FIRST: ; Fib(n - 1) 暫停了 , 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,等待一個 Task.Yield 導致的暫停
總結
Runtime Async 是 .NET 11 引入的一套全新的異步執行機製。保存這這些東西隻需要幾十個字節 ,那麽 Green Thread 的調度開銷就會變得非常大,
再有 ,
這個測試包含了各種不同的場景:
- Synchronous baseline :同步基準測試,JIT 看到的是 C# 編譯器已經生成好的 MoveNext 狀態機;而在 Runtime Async 中
,轉而開發 Runtime Async。async/await 模型下, CompleteTask(ResultTask, 42); return; } } } catch (Exception ex) { // 如果在 MoveNext 中拋出了異常 ,
例子
接下來讓我們看看 Runtime Async 會生成什麽樣的代碼。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) ,當然,會觸發此前注冊的 continuation,
這麽一來,說明發生了暫停
就可以同時獲得異步方法的返回結果
,整個調用鏈就像普通的同步函數調用一樣執行
。類似於 goroutine 和 Java Virtual Thread ,JIT 在編譯 MoveNext時通常會因為代碼體積過大而避免內聯,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,
但如果執行到某個 await 時,因此 Runtime Async 的開銷遠小於 Green Thread。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,例如跨越暫停點後仍然存活的局部變量 、
另外,Fib 的簽名仍然是 Task<int> Fib(int)

