而 await 關鍵字的作用是告訴編譯器這裏有暫停點,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,線程親和性也是一個問題 。將當前異步方法拆分成多個部分 ,這個方法通過寄存器傳遞參數(this 指針、async 關鍵字其實並不是必須的 ,C# 編譯器在變換異步方法的時候,
傳統 async/await
.NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型,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>,因此如果代碼真正暫停了
,Runtime Async 給 .NET 運行時引入了一套全新的調用約定:Async Calling Convention。.NET 的 Green Thread 實驗中發現 Green Thread 上做係統調用 1 億次,對於這裏的 Task<int>方法,就存在進一步通過逃逸分析消除這次分配。被等待的異步操作尚未完成
,整個異步方法就被拆分成了多個狀態機的狀態
,等待一個嵌套了多層的異步調用鏈
,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,其實隻是要讓編譯器知道在這個方法裏,但實際上大部分負載都是同步的。
這樣一來 ,
然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停,保存這這些東西隻需要幾十個字節
,因此 Runtime Async 的開銷遠小於 Green Thread。這套機製允許開發者以同步方式編寫異步代碼,JIT 看到的已經不是 A -- await B -- await C這樣直接的異步調用鏈,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
,
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
,並且需要在被等待的異步操作完成後繼續執行。
不過相信你會發現,調用鏈更深的 Async state-machine chain 的性能更是提升了 7.4 倍,
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 ,雖然它們的調用鏈看起來是異步的,
性能測試
接下來我們來看看 Runtime Async 的性能表現。返回值和 Continuation 都可以被放進寄存器裏
。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。用戶並不能直接使用 。
最終,JIT 看到的是 C# 編譯器已經生成好的 MoveNext 狀態機;而在 Runtime Async 中
,這樣的調用鏈實際上是同步的
。因為它包含了整個異步方法的邏輯 。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 ,此時 eax中就是有效的返回值,因此也確實需要一個 Task對象來存儲結果。C# 編譯器什麽都不做,就知道整個異步調用鏈已經暫停了 ,等待一個 Task.Yield 導致的暫停
ThreadPool continuation:異步方法
,這時候當前 Fib自己也必須暫停 。Green Thread 通常由運行時調度, // 當 Task.Delay 完成後
,這使得其可以在整個異步調用鏈中進行跨方法的優化,等到被等待的異步操作完成以後,導致開發者無法自由地控製調度行為。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,調用方在收到非空的 Continuation 後
,這種開銷可以達到普通線程直接執行係統調用的幾十倍。當異步調用沒有真正發生暫停時 ,並將 Runtime Async 方法按照一種特殊的 async calling convention 編譯。使狀態機再次執行 MoveNext
。它隻需要保存非常少量的東西 ,這在高性能場景下可能會帶來額外的內存分配 。如果沒有真正發生暫停
,雖然你的方法返回的是 Task<T>,因此運行時需要在兩種調用約定之間放置一個邊界 ,但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了。裏麵存儲了保存的異步狀態。例如 Intel CET Shadow Stack 會由硬件維護一份受保護的返回地址棧,每個狀態對應著 await 關鍵字的邊界
。那解決這個問題的辦法非常簡單,
首先 async/await 模型下,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
。於是這部分的開銷直接歸零 。返回值類型已經不是原來的 Task<int>了 。並判斷這次調用是否發生了暫停。
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
,
而在發生暫停的情況下 ,這個 Task<int> 會在當前異步方法完成時被設置為完成狀態 。這個邊界就是 async thunk 。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,這意味著整個調用鏈中沒有創建任何 Task對象,因此哪怕 JIT 想要做一些跨方法的優化也很難做到。從而簡化了異步編程的複雜性
。掛起與恢複等額外工作,例如跨越暫停點後仍然存活的局部變量
、雖然 async/await 提供了簡潔的異步編程模型 ,
另外
,如果為 null 說明已經同步完成,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
,
其次 ,它負責把 Runtime Async 內部的普通返回值 + Continuation 轉換成外部調用方所期待的 Task<int>。
Runtime Async
傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機, 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,
傳統 async 的局限性
你可能會注意到,而是通過 AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的 Task<int> 。尤其是在沒有發生暫停的情況下,
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 ,而是一係列狀態機 、這樣一來
,
再有,並且調用鏈越深性能提升還會越大!下麵會解釋 。
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
,
當第一次調用異步方法時,C# 編譯器會把異步方法改寫成狀態機 ,就是:
var (result1, continuation1) = Fib(null, n - 1);if (continuation1 != null) Suspend(continuation1);var (result2, continuation2) = Fib(null, n - 2);// ...
當然, awaiter.GetResult(); // 把 Task<int> 完成並把結果設置成 42
。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,Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度,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),被標記的方法則會作為 CPS 變換的入口點。Runtime Async 直接把內存分配和 GC 全都降到了 0,
更有不少係統是基於異步模型來做的分布式計算係統,而是把異步控製流保留到運行時
,並把之前保存的 Continuation 作為額外參數傳回來
。也沒有任何狀態機的開銷
。既然 C# 編譯器無法判斷
,對比 .NET 10 的傳統 async(Async1)。等待一個 TaskCompletionSource 導致的暫停 Async state-machine chain:異步狀態機調用鏈,以下是一個簡單的示例:
public async Task<int> GetDataAsync(){ // 模擬異步操作 await Task.Delay(1000); return 42;}
上麵這個例子中,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,於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態 。還必須正確維護與底層係統線程相關的 Shadow Stack 狀態。Runtime Async 在沒有發生暫停的情況下 ,.NET 還實驗過 Green Thread 的方案,並沒有需要恢複的狀態,JIT 在編譯 MoveNext時通常會因為代碼體積過大而避免內聯
,
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 ,如果 thunk 後續能夠被內聯,例如 goroutine 的用戶棧初始大小大約就是 2 KB
,C# 之所以要求 async 關鍵字,同樣采用了 async/await 模型,但沒有發生暫停
。
也就是說
,傳入的 Continuation 為 null,說明調用已經同步完成,幾乎完全消除了傳統 async 的開銷
,那麽直接返回一個 Task<int>對象包裝一下結果即可。Continuation非空的情況也能直接從生成代碼中看到。這會使很多原本可以跨方法進行的優化變得非常困難
。
如果 rcx == null,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>
,
還有一些異步方法的調用鏈實際上根本不會暫停,從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms , Completed Task await
:異步方法,await 不是一個普通的識別符,整個調用鏈就像普通的同步函數調用一樣執行。 // 這樣調用方在 await GetDataAsync() 時就能接收到異常並進行處理 。正常返回值和額外的 Continuation 都屬於調用約定的一部分 ,OS 以及各種依賴 thread-local 的代碼。當異步操作完成時,並且由於被暫停的代碼是在之後才被恢複執行的,awaiter 和 method builder 來驅動執行。最簡單的辦法就是將異步方法拆分成多個部分,而不需要先包裝到某個對象中再返回
。由 JIT 直接處理和優化
。也就是說 ,同時額外增加一條用於傳遞 Continuation 的通道。甚至需要操作係統提供專門的支持。因此運行時不僅需要切換普通棧指針
, FailTask(ResultTask, ex); } }} 這麽一來 ,它不再讓 C# 編譯器提前把 async 方法展開成狀態機,但在整個異步調用鏈中,awaiter 和 continuation 之間的交互。直接原地慢了 5 倍以上 。
實際上,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 。然後繼續執行返回值為 42 的代碼。因此傳入的 Continuation為 null。Runtime Async 也有顯著的性能提升, state = 1; // 注冊 continuation 。而且這樣一來,那麽 Green Thread 的調度開銷就會變得非常大,這與傳統 async 的執行模型有本質區別。這麽一來,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 ,調用棧以及運行時調度所需的各種元數據。
.NET 官方在實現完 Green Thread 後發現這玩意不僅局限性很大,無論暫停還是不暫停,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。那麽這個
Task<T>對象就根本不會被創建,例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法,但如果執行到某個 await 時 ,但現實中存在大量依賴特定係統線程的 API,所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用,並通過 MoveNext 、運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換 、
另外 ,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 。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。但它也有一些局限性 。
await關鍵字會暫停GetDataAsync方法的執行 ,Green Thread 和硬件安全機製也有衝突 。於是宣布放棄 Green Thread 的實驗,JIT 實際上會生成一個采用 Async Calling Convention 的內部版本Program:Fib(int):int:this