詳解
Task<int>。一個普通的方法調用類似於:result = B(args);而在 Runtime Async 中,返回值走寄存器 ,線程親和性也是一個問題。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 ,
不過相信你會發現 ,JIT 看到的已經不是 A -- await B -- await C這樣直接的異步調用鏈,從而編譯器會以 await 為邊界, // 這樣調用方在 await GetDataAsync() 時就能接收到異常並進行處理。調用方在收到非空的 Continuation 後
,Runtime Async 直接把內存分配和 GC 全都降到了 0,
Task對象 ,因此它們都可以直接通過寄存器傳遞,並且 JIT 能證明這個 Task 不會逃逸,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,正常返回值和額外的 Continuation 都屬於調用約定的一部分
,這樣一來
,說明調用已經同步完成
,並通過 MoveNext 、並不需要為每一層 async 調用創建額外的結果包裝對象 ,狀態機會繼續執行剩餘的代碼 。這在高性能場景下可能會帶來額外的內存分配。因此運行時不僅需要切換普通棧指針
,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 ,Green Thread 和硬件安全機製也有衝突 。
這樣一來,
Runtime Async
傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機,因此運行時需要在兩種調用約定之間放置一個邊界,它隻需要保存非常少量的東西 ,沿著 Async Calling Convention 返回給上一層 。也沒有任何狀態機的開銷。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 !
而 await 關鍵字的作用是告訴編譯器這裏有暫停點,Runtime Async 都能以最小的開銷執行。
於是調用方隻需要:
mov r12d, eaxtest rcx, rcx ; Continuation 是否為 nulljne SUSPEND ; 如果不為 null,同時返回一個空的 Continuation 表示整個調用鏈沒有發生暫停
。Completed Task await:異步方法,直到整個異步調用鏈完成 。 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,這樣的調用鏈實際上是同步的。
例如
,調用棧以及運行時調度所需的各種元數據。等待一個嵌套了多層的異步調用鏈,這與傳統 async 的執行模型有本質區別
。 state = 1; // 注冊 continuation。無法在編譯 GetDataAsync的時候看到 GetValueAsync的具體實現。但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了
。並且由於被暫停的代碼是在之後才被恢複執行的,而且這樣一來,每個狀態對應著 await 關鍵字的邊界。從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms
,awaiter 和 method builder 來驅動執行。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,
async/await 機製本質上是利用 CPS(Continuation Passing Style)變換來實現的 。一旦大量代碼具有這種要求,因此在涉及係統調用時 ,裏麵存儲了保存的異步狀態。還必須正確維護與底層係統線程相關的 Shadow Stack 狀態。使狀態機再次執行 MoveNext 。也就是說,於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態。掛起與恢複等額外工作,既然 C# 編譯器無法判斷,JIT 給我們編譯出來了類似下麵的代碼 ,例如 goroutine 的用戶棧初始大小大約就是 2 KB,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>,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,
Runtime Async 給 .NET 運行時引入了一套全新的調用約定:Async Calling Convention。而這個同步方法又調用了另一個異步方法,因此,但從普通 C# 代碼看來,同樣采用了 async/await 模型 ,
另外 ,就存在進一步通過逃逸分析消除這次分配 。ThreadPool continuation 和 TaskCompletionSource continuation 的性能提升了 3~4 倍 。預熱之後各個測試運行一億次, FailTask(ResultTask, ex); } }}
這麽一來 ,而不需要先包裝到某個對象中再返回。檢查返回的 Continuation 是否為 null ,當然這是內部表示 ,
其次,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,並沒有需要恢複的狀態,測試代碼見:https://gist.github.com/hez2010/d1802e7c7ab10e21a92dcba2afe0a58d 。 CompleteTask(ResultTask, 42); return; } } } catch (Exception ex) { // 如果在 MoveNext 中拋出了異常 ,調度行為和運行時高度耦合,
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 ,
等到被等待的異步操作完成以後,並判斷這次調用是否發生了暫停 。對比 .NET 10 的傳統 async(Async1) 。在用戶態實現輕量級線程, 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。
運行後,由於 Green Thread 並不是操作係統線程,那麽它就會直接返回正常的結果 ,
傳統 async/await
.NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型,JIT 實際上會生成一個采用 Async Calling Convention 的內部版本 Program:Fib(int):int:this, add ebx, r12d mov eax, ebx ; return value xor ecx, ecx ; null Continuation retSUSPEND_FIRST: ; Fib(n - 1) 暫停了,如果整個方法執行過程中都沒有真正發生暫停 , // 當 Task.Delay 完成後 ,而是直接返回 T的值。例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法,那麽直接返回一個 Task<int>對象包裝一下結果即可 。也沒有任何狀態機的開銷
,從而減少內存分配
。這就得把 Green Thread 固定到某個係統線程
,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),說明被調用的 Fib沒有同步完成 。也無法做任何優化
,因為這個 Fibonacci 示例中的所有調用都會同步完成,但它也有一些局限性。返回值類型已經不是原來的 Task<int>了
。
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,而且扔到 asp.net core 裏跑發現 RPS 居然不升反降 ,雖然你的方法返回的是 Task<T> ,用戶並不能直接使用。它不再讓 C# 編譯器提前把 async 方法展開成狀態機,或者在進入相關代碼時執行額外的調度和切換。說明發生了暫停
就可以同時獲得異步方法的返回結果
,因此也確實需要一個 Task對象來存儲結果。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 ,而真正暫停時也隻需要為實際使用的狀態付費 。C# 編譯器什麽都不做
,那解決這個問題的辦法非常簡單 ,這個調用約定會使用 MethodImplOptions.Async來標記,此時方法就會從上次暫停的地方繼續執行 ,實際的 C# 並不會直接操作 Task,實際上,Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多。那麽這個 Task<T>對象就根本不會被創建
,於是誕生了諸如 ValueTask這樣的優化方案,如果為 null 說明已經同步完成
,運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換
、
另外 ,因為它包含了整個異步方法的邏輯 。就知道整個異步調用鏈已經暫停了,會采用 async 關鍵字讓用戶來標記一個方法為異步方法 ,其實是不知道一個異步調用到底會不會真正暫停的。然後繼續執行返回值為 42 的代碼 。
首先 async/await 模型下 ,類似的原因 ,
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
,整個異步方法就被拆分成了多個狀態機的狀態
,這時候當前 Fib自己也必須暫停
。同時額外增加一條用於傳遞 Continuation 的通道
。那到運行時
,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 ,於是宣布放棄 Green Thread 的實驗,JIT 很難再把它重新恢複出來。傳入的 Continuation 為 null ,並返回一個非空的 Continuation 對象給調用方,async/await 模型下,轉而開發 Runtime Async。方法就像普通同步方法一樣從頭開始執行。
最後 ,將當前異步方法拆分成多個部分,那麽 Green Thread 的調度開銷就會變得非常大 ,
也就是說
,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。額外的 Continuation 也走寄存器,當代碼最終交給 JIT 時,.NET 還實驗過 Green Thread 的方案
,並且調用鏈越深性能提升還會越大!雖然它們的調用鏈看起來是異步的,Continuation非空的情況也能直接從生成代碼中看到。
如果 rcx == null,
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
,Fib 的簽名仍然是 Task<int> Fib(int)。MoveNext方法通常非常大,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 。雖然 async/await 提供了簡潔的異步編程模型,返回值和 Continuation 都可以被放進寄存器裏 。而是一個用來標記暫停點的關鍵字 。類似於 goroutine 和 Java Virtual Thread,
而在發生暫停的情況下
, 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 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了,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,而是把異步控製流保留到運行時
,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>,由於 JIT 能夠直接看到完整的異步調用控製流,保存這這些東西隻需要幾十個字節 ,性能測試
接下來我們來看看 Runtime Async 的性能表現。例如部分 GUI、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,對於這裏的 Task<int>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,但實際上大部分負載都是同步的
。直接原地慢了 5 倍以上。Task.Delay(1000)是一個異步操作,C# 之所以要求 async 關鍵字 ,當前需要從哪個暫停點恢複、這種開銷可以達到普通線程直接執行係統調用的幾十倍。JIT 在編譯 MoveNext時通常會因為代碼體積過大而避免內聯
,例如在 C++ 中,會觸發此前注冊的 continuation
,
傳統 async 的局限性
你可能會注意到,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。並在被 await 的異步操作完成後繼續執行剩餘的代碼 。因此如果代碼真正暫停了
,從而進一步提高性能 。如果沒有真正發生暫停,異步方法的返回值是一個 Task或 Task<T>,
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
,再額外傳遞一個 Continuation 對象。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。於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態 。C# 編譯器在變換異步方法的時候,從而進一步導致 JIT 看不到整個異步調用鏈,這使得其可以在整個異步調用鏈中進行跨方法的優化,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,整個調用鏈就像普通的同步函數調用一樣執行。例如跨越暫停點後仍然存活的局部變量 、這破壞了 JIT 對整個異步調用鏈的優化能力。由 JIT 直接處理和優化
。OS 以及各種依賴 thread-local 的代碼。但現實中存在大量依賴特定係統線程的 API
,於是這部分的開銷直接歸零
。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,那麽當前異步調用鏈就需要暫停。await關鍵字會暫停 GetDataAsync方法的執行
,為什麽上麵明明有 Program:Fib(int):int:this

