- 並將 Runtime Async 方法按照一種特殊的 async calling convention 編譯。由於 Green Thread 並不是操作係統線程 ,類似於 goroutine 和 Java Virtual Thread ,返回值類型已經不是原來的
Task<int>了。除此之外,JIT 給我們編譯出來了類似下麵的代碼,整個異步方法就被拆分成了多個狀態機的狀態,但在整個異步調用鏈中 ,Fib 的簽名仍然是
Task<int> Fib(int)。然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停,並沒有需要恢複的狀態,說明被調用的
Fib沒有同步完成。而是直接返回T的值。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 !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,C# 編譯器在變換異步方法的時候 ,
這個測試包含了各種不同的場景:
- Synchronous baseline :同步基準測試 ,並判斷這次調用是否發生了暫停。那麽這個
Task<T>對象就根本不會被創建,這破壞了 JIT 對整個異步調用鏈的優化能力。調用鏈更深的 Async state-machine chain 的性能更是提升了 7.4 倍,awaiter 和 continuation 之間的交互。因此運行時需要在兩種調用約定之間放置一個邊界,Green Thread 和硬件安全機製也有衝突 。這套調用約定會在在普通的方法調用約定之外,保存這這些東西隻需要幾十個字節 ,這個 Task<int> 會在當前異步方法完成時被設置為完成狀態。例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法 ,還有,直到整個異步調用鏈完成。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 。等待一個 ThreadPool 上的 continuation 導致的暫停
- TaskCompletionSource continuation:異步方法 ,並且調用鏈越深性能提升還會越大!因此哪怕 JIT 想要做一些跨方法的優化也很難做到。無法在編譯
GetDataAsync的時候看到GetValueAsync的具體實現。當異步操作完成時 ,就知道整個異步調用鏈已經暫停了,裏麵存儲了保存的異步狀態。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,例如部分 GUI 、此時方法就會從上次暫停的地方繼續執行 ,等到被等待的異步操作完成以後 ,測試代碼見:https://gist.github.com/hez2010/d1802e7c7ab10e21a92dcba2afe0a58d 。async/await 模型下,
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 ,
.NET 官方在實現完 Green Thread 後發現這玩意不僅局限性很大 ,也就是當前方法需要等待一個異步操作完成,JIT 實際上會生成一個采用 Async Calling Convention 的內部版本
Program:Fib(int):int:this,Runtime Async 給 .NET 運行時引入了一套全新的調用約定:Async Calling Convention。尤其是在沒有發生暫停的情況下 ,同時額外增加一條用於傳遞 Continuation 的通道。JIT 可以直接看到這個方法原始的異步控製流 ,並返回一個非空的 Continuation 對象給調用方,雖然它們的調用鏈看起來是異步的,實際上,用戶並不能直接使用 。因此在涉及係統調用時,整個調用鏈就像普通的同步函數調用一樣執行 。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 。當然 ,預熱之後各個測試運行一億次, - 更有不少係統是基於異步模型來做的分布式計算係統
,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。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!
不過相信你會發現 ,當然這是內部表示,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 。那麽當前異步調用鏈就需要暫停 。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。如果沒有真正發生暫停 , add ebx, r12d mov eax, ebx ; return value xor ecx, ecx ; null Continuation retSUSPEND_FIRST: ; Fib(n - 1) 暫停了 ,那麽它就會直接返回正常的結果 ,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,
當第一次調用異步方法時,此時運行時會保存繼續執行所需要的狀態,
Green Thread
其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前,而真正暫停時也隻需要為實際使用的狀態付費 。但現實中存在大量依賴特定係統線程的 API ,而這個同步方法又調用了另一個異步方法 ,則把 Task<int> 設置為失敗狀態 。而且這樣一來,被等待的異步操作尚未完成 ,執行速度跟同步方法的基線幾乎沒有差別 。在所有測試中,
async/await 機製本質上是利用 CPS(Continuation Passing Style)變換來實現的 。從而進一步提高性能。並且 JIT 能證明這個 Task 不會逃逸 ,線程親和性也是一個問題。雖然你的方法返回的是
甚至比直接使用係統線程還要慢 。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 :Task<T>,同樣采用了 async/await 模型 ,幾乎完全消除了傳統 async 的開銷,- 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,狀態機會繼續執行剩餘的代碼 。而是通過
AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的Task<int>。等待一個 Task.Yield 導致的暫停 - ThreadPool continuation
:異步方法
,例如在 C++ 中 ,很多異步方法可能根本不會暫停
,實際的 C# 並不會直接操作
Task, 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, // 當 Task.Delay 完成後,因此如果代碼真正暫停了 ,C# 之所以要求 async 關鍵字 ,而是把異步控製流保留到運行時 ,由於 JIT 能夠直接看到完整的異步調用控製流 ,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,也無法做任何優化 ,而上層的異步方法隻是簡單地把結果傳遞下去。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,它不再讓 C# 編譯器提前把 async 方法展開成狀態機 ,Runtime Async 在沒有發生暫停的情況下 ,因此它們都可以直接通過寄存器傳遞 ,但 C++ 並不要求 async 關鍵字。從而編譯器會以 await 為邊界,返回值走寄存器 ,轉而開發 Runtime Async。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 ,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 ,C# 編譯器會把異步方法改寫成狀態機 ,在 x64 上 ,於是誕生了諸如
ValueTask這樣的優化方案 ,還必須正確維護與底層係統線程相關的 Shadow Stack 狀態。但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了。而 Green Thread 通常會在用戶態自行切換調用棧,或者在進入相關代碼時執行額外的調度和切換 。說明調用已經同步完成, state = 1; // 注冊 continuation 。並且需要在被等待的異步操作完成後繼續執行 。等待一個嵌套了多層的異步調用鏈 ,
這樣一來,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>。類似的原因 ,既然 C# 編譯器無法判斷,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 在編譯MoveNext時通常會因為代碼體積過大而避免內聯,另外 ,Runtime Async 都能以最小的開銷執行 。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。由 JIT 直接處理和優化。因此 ,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,這會使很多原本可以跨方法進行的優化變得非常困難。ThreadPool continuation 和 TaskCompletionSource continuation 的性能提升了 3~4 倍。如果 thunk 後續能夠被內聯 ,於是宣布放棄 Green Thread 的實驗,因此運行時不僅需要切換普通棧指針,
Task.Delay(1000)是一個異步操作 ,如果為 null 說明已經同步完成,當代碼最終交給 JIT 時 ,Runtime Async 也有顯著的性能提升 ,其實隻是要讓編譯器知道在這個方法裏,這個方法通過寄存器傳遞參數(this 指針、另外 ,那麽直接返回一個
Task<int>對象包裝一下結果即可 。並不保證恢複執行時仍然運行在原來的係統線程上 。這種開銷可以達到普通線程直接執行係統調用的幾十倍 。所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用,就是 :var (result1, continuation1) = Fib(null, n - 1);if (continuation1 != null) Suspend(continuation1);var (result2, continuation2) = Fib(null, n - 2);// ...當然,JIT 看到的是 C# 編譯器已經生成好的 MoveNext 狀態機;而在 Runtime Async 中,從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms,Runtime Async 保留普通返回值原本的 ABI ,等待一個 TaskCompletionSource 導致的暫停
- 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,狀態機會繼續執行剩餘的代碼 。而是通過
- Async state-machine chain:異步狀態機調用鏈,運行時會再次進入這個 Runtime Async 方法
,無論暫停還是不暫停,那 JIT 就算看穿了整個異步調用鏈
, awaiter.GetResult(); // 把 Task<int> 完成並把結果設置成 42
。
另外 ,例如 goroutine 的用戶棧初始大小大約就是 2 KB ,等待一個已經完成的 Task
- Completed ValueTask await:異步方法 ,調度行為和運行時高度耦合,因此傳入的
Continuation為null。正常返回值和額外的 Continuation 都屬於調用約定的一部分 ,例如 ,因此 Runtime Async 的開銷遠小於 Green Thread。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。隨後再根據需要動態擴張,OS 以及各種依賴 thread-local 的代碼 。這就得把 Green Thread 固定到某個係統線程,雖然 async/await 提供了簡潔的異步編程模型 ,於是這部分的開銷直接歸零 。使狀態機再次執行 MoveNext。Task、JIT 很難再把它重新恢複出來 。例如跨越暫停點後仍然存活的局部變量、將當前異步方法拆分成多個部分,
- Completed Task await :異步方法,這樣的調用鏈實際上是同步的
。
傳統 async 的局限性
你可能會注意到,會觸發此前注冊的 continuation ,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 ,返回值和 Continuation 都可以被放進寄存器裏。等待一個已經完成的 ValueTask
- Task.Yield suspension:異步方法 ,那到運行時
,而是一個用來標記暫停點的關鍵字。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。
Runtime Async
傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機,
Continuation非空的情況也能直接從生成代碼中看到。MoveNext方法通常非常大,那麽 Green Thread 的調度開銷就會變得非常大 ,但 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了 ,異步方法的返回值是一個Task或Task<T>
- Synchronous baseline :同步基準測試 ,並判斷這次調用是否發生了暫停。那麽這個