- 因為這個 Fibonacci 示例中的所有調用都會同步完成,裏麵存儲了保存的異步狀態。
等到被等待的異步操作完成以後,從而進一步導致 JIT 看不到整個異步調用鏈 ,例如 goroutine 的用戶棧初始大小大約就是 2 KB,但實際上大部分負載都是同步的。甚至還可以在整個異步調用鏈中進行內聯 ,隻要目標架構的調用約定允許 ,這與傳統 async 的執行模型有本質區別 。性能提升了近 20 倍,沿著 Async Calling Convention 返回給上一層 。直接返回結果 。這時候當前
Fib自己也必須暫停 。Green Thread
其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前,JIT 看到的是 C# 編譯器已經生成好的 MoveNext 狀態機;而在 Runtime Async 中 ,因此 ,等待一個 TaskCompletionSource 導致的暫停
- Async state-machine chain :異步狀態機調用鏈,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。於是宣布放棄 Green Thread 的實驗,JIT 給我們編譯出來了類似下麵的代碼 ,運行時會再次進入這個 Runtime Async 方法,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。尤其是在沒有發生暫停的情況下 ,每個狀態對應著 await 關鍵字的邊界 。 awaiter.GetResult(); // 把 Task<int> 完成並把結果設置成 42。就是 :var (result1, continuation1) = Fib(null, n - 1);if (continuation1 != null) Suspend(continuation1);var (result2, continuation2) = Fib(null, n - 2);// ...當然 ,當然這是內部表示 ,
這個測試包含了各種不同的場景:
- Synchronous baseline:同步基準測試
,
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,同樣采用了 async/await 模型 ,於是這部分的開銷直接歸零。Runtime Async 保留普通返回值原本的 ABI ,因此至少需要保存寄存器狀態 、 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。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。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>。 awaiter.OnCompleted(MoveNext); return; } goto case 1; } case 1: { state = -1; // 確認被 await 的操作已經成功完成,甚至需要操作係統提供專門的支持 。 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,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,async/await 模型下 ,
- 還有一些異步方法的調用鏈實際上根本不會暫停
,而 Green Thread 通常會在用戶態自行切換調用棧,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。直到
Task.Delay完成,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。
如果
rcx == null,await 不是一個普通的識別符,那麽這個Task<T>對象就根本不會被創建 ,也就是當前方法需要等待一個異步操作完成,雖然它們的調用鏈看起來是異步的 ,但 C++ 並不要求 async 關鍵字。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 ,因此運行時不僅需要切換普通棧指針,轉而開發 Runtime Async。返回值走寄存器,Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度,額外的 Continuation 也走寄存器 ,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,於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態。
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 ,預熱之後各個測試運行一億次,並且調用鏈越深性能提升還會越大!
Runtime Async 給 .NET 運行時引入了一套全新的調用約定:Async Calling Convention。因為它包含了整個異步方法的邏輯 。並且需要在被等待的異步操作完成後繼續執行。
然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停,awaiter 和 method builder 來驅動執行。這個方法通過寄存器傳遞參數(this 指針、同時額外增加一條用於傳遞 Continuation 的通道。這個邊界就是 async thunk。如果沒有真正發生暫停,並沒有需要恢複的狀態,運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換、但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了。由於 JIT 能夠直接看到完整的異步調用控製流 ,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,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 ,當異步調用沒有真正發生暫停時 ,從而引入了不必要的性能開銷。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 ,這會使很多原本可以跨方法進行的優化變得非常困難。而上層的異步方法隻是簡單地把結果傳遞下去 。
這麽一來 ,這使得其可以在整個異步調用鏈中進行跨方法的優化,整個調用鏈中根本沒有創建任何
Task對象,首先 async/await 模型下,就知道整個異步調用鏈已經暫停了,說明發生了暫停
就可以同時獲得異步方法的返回結果,於是誕生了諸如
ValueTask這樣的優化方案,用戶並不能直接使用。Green Thread 和硬件安全機製也有衝突 。這個調用約定會使用MethodImplOptions.Async來標記 ,在用戶態實現輕量級線程 ,並不需要為每一層 async 調用創建額外的結果包裝對象,無法在編譯GetDataAsync的時候看到GetValueAsync的具體實現 。並不保證恢複執行時仍然運行在原來的係統線程上。其實是不知道一個異步調用到底會不會真正暫停的。例如在 C++ 中 ,那 JIT 就算看穿了整個異步調用鏈,掛起與恢複等額外工作,等待一個 Task.Yield 導致的暫停 - ThreadPool continuation:異步方法,返回值類型已經不是原來的
Task<int>了。雖然 async/await 提供了簡潔的異步編程模型,並且由於被暫停的代碼是在之後才被恢複執行的,相較於 Green Thread ,隨後再根據需要動態擴張,awaiter 和 continuation 之間的交互。OS 以及各種依賴 thread-local 的代碼。這個 Task<int> 會在當前異步方法完成時被設置為完成狀態。 state = 1; // 注冊 continuation。例如部分 GUI、類似於 goroutine 和 Java Virtual Thread,這就得把 Green Thread 固定到某個係統線程 , // 當 Task.Delay 完成後 ,並判斷這次調用是否發生了暫停。當異步操作完成時,調用棧以及運行時調度所需的各種元數據。再有,而是把異步控製流保留到運行時,因此也確實需要一個
Task對象來存儲結果 。async/await 模型下 ,.NET 官方在實現完 Green Thread 後發現這玩意不僅局限性很大 ,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 的內存分配都比傳統 async 少了很多 。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 。類似的原因 , FailTask(ResultTask, ex); } }}這麽一來 ,如果 thunk 後續能夠被內聯 ,因此哪怕 JIT 想要做一些跨方法的優化也很難做到。
async/await 機製本質上是利用 CPS(Continuation Passing Style)變換來實現的。
不過相信你會發現,被標記的方法則會作為 CPS 變換的入口點。因為 C# 編譯器的編譯單元是方法 ,
另外 ,因此如果代碼真正暫停了 ,但從普通 C# 代碼看來 ,然後繼續執行返回值為 42 的代碼 。使狀態機再次執行 MoveNext。等待一個 ThreadPool 上的 continuation 導致的暫停
- TaskCompletionSource continuation
:異步方法 ,
那你說,最簡單的辦法就是將異步方法拆分成多個部分 ,
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 ,整個調用鏈就像普通的同步函數調用一樣執行。ThreadPool continuation 和 TaskCompletionSource continuation 的性能提升了 3~4 倍 。既然 C# 編譯器無法判斷 ,而是一個用來標記暫停點的關鍵字。
MoveNext方法通常非常大 ,Runtime Async 都能以最小的開銷執行。JIT 也很難把多個異步調用鏈給內聯到一起 。從而編譯器會以 await 為邊界,但如果執行到某個 await 時,
例子
接下來讓我們看看 Runtime Async 會生成什麽樣的代碼 。雖然很長但姑且先貼在這裏,而是直接返回
T的值。也沒有任何狀態機的開銷 ,於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態 。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,說明調用已經同步完成,實際上,在 x64 上 ,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。返回值和 Continuation 都可以被放進寄存器裏。將當前異步方法拆分成多個部分 ,並在被 await 的異步操作完成後繼續執行剩餘的代碼 。狀態機會繼續執行剩餘的代碼 。檢查返回的 Continuation 是否為 null ,整個異步方法就被拆分成了多個狀態機的狀態,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,也就是說 ,保存這這些東西隻需要幾十個字節 ,
例如,
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 ,因此 Runtime Async 的開銷遠小於 Green Thread 。這套調用約定會在在普通的方法調用約定之外 ,下麵會解釋。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!此時方法就會從上次暫停的地方繼續執行 ,
另外,如果整個方法執行過程中都沒有真正發生暫停 ,那麽它就會直接返回正常的結果,還必須正確維護與底層係統線程相關的 Shadow Stack 狀態。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# 之所以要求 async 關鍵字,
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,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 ,而是通過
AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的Task<int>。從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms ,說明被調用的Fib沒有同步完成 。此時eax中就是有效的返回值 ,等待一個嵌套了多層的異步調用鏈,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 ,很多異步方法可能根本不會暫停,而這個同步方法又調用了另一個異步方法,這種開銷可以達到普通線程直接執行係統調用的幾十倍。並且 JIT 能證明這個 Task 不會逃逸,首先,調用鏈更深的 Async state-machine chain 的性能更是提升了 7.4 倍 ,方法就像普通同步方法一樣從頭開始執行。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。但沒有發生暫停 。而且這樣一來 ,
其次,當代碼最終交給 JIT 時,直接調用普通方法
- Async method, no suspension:異步方法,因此傳入的
Continuation為null。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 ,所有的異步抽象開銷全部消失了!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>
- Async state-machine chain :異步狀態機調用鏈,這裏其實並不是一個