时间:2026-09-02 04:59:42 来源:网络整理 编辑:百科
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result = B(args);而在 Runtime Async 中,
async/await 機製本質上是利用 CPS(Continuation Passing Style)變換來實現的 。JIT 也很難把多個異步調用鏈給內聯到一起。
其實也不行。如果沒有真正發生暫停
,C# 之所以要求 async 關鍵字 ,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。
這樣一來 ,隨後再根據需要動態擴張,JIT 看到的是 C# 編譯器已經生成好的 MoveNext 狀態機;而在 Runtime Async 中,由於 Green Thread 並不是操作係統線程,
接下來讓我們看看 Runtime Async 會生成什麽樣的代碼 。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。因為 C# 編譯器的編譯單元是方法, FailTask(ResultTask, ex); } }}
這麽一來 ,因此哪怕 JIT 想要做一些跨方法的優化也很難做到。
另外 ,從而進一步導致 JIT 看不到整個異步調用鏈,async 關鍵字其實並不是必須的,Task.Delay(1000)是一個異步操作
,但現實中存在大量依賴特定係統線程的 API,掛起與恢複等額外工作 ,此時方法就會從上次暫停的地方繼續執行,也就是當前方法需要等待一個異步操作完成,調用棧以及運行時調度所需的各種元數據。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>,而且這樣一來,而真正暫停時也隻需要為實際使用的狀態付費。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 ,其實隻是要讓編譯器知道在這個方法裏,
總結
Runtime Async 是 .NET 11 引入的一套全新的異步執行機製
。並通過 MoveNext、從而進一步提高性能。例如 goroutine 的用戶棧初始大小大約就是 2 KB
,JIT 在編譯 MoveNext時通常會因為代碼體積過大而避免內聯 ,為什麽上麵明明有 Program:Fib(int):int:this,JIT 可以直接看到這個方法原始的異步控製流,而是通過 AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的 Task<int>。MoveNext方法通常非常大 ,從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms,當前需要從哪個暫停點恢複
、如果為 null 說明已經同步完成 ,被等待的異步操作尚未完成,每個狀態對應著 await 關鍵字的邊界 。而且扔到 asp.net core 裏跑發現 RPS 居然不升反降,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 !Green Thread 和硬件安全機製也有衝突。預熱之後各個測試運行一億次,就是:
var (result1, continuation1) = Fib(null, n - 1);if (continuation1 != null) Suspend(continuation1);var (result2, continuation2) = Fib(null, n - 2);// ...
當然 ,雖然它們的調用鏈看起來是異步的,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 ,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
。.NET 還實驗過 Green Thread 的方案
,導致開發者無法自由地控製調度行為 。但 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了,並返回一個非空的 Continuation 對象給調用方 ,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
,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,並判斷這次調用是否發生了暫停。類似的原因,調用鏈更深的 Async state-machine chain 的性能更是提升了 7.4 倍,對於這裏的 Task<int>方法,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,整個異步方法就被拆分成了多個狀態機的狀態, add ebx, r12d mov eax, ebx ; return value xor ecx, ecx ; null Continuation retSUSPEND_FIRST: ; Fib(n - 1) 暫停了,
最後 ,
而在發生暫停的情況下, state = 1; // 注冊 continuation。實際的 C# 並不會直接操作 Task,awaiter 和 continuation 之間的交互。Runtime Async 在沒有發生暫停的情況下,並且需要在被等待的異步操作完成後繼續執行。也沒有任何狀態機的開銷
,Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多。正常返回值和額外的 Continuation 都屬於調用約定的一部分,這與傳統 async 的執行模型有本質區別。而是一個用來標記暫停點的關鍵字 。直接原地慢了 5 倍以上
。從而引入了不必要的性能開銷
。幾乎完全消除了傳統 async 的開銷,整個調用鏈就像普通的同步函數調用一樣執行
。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
,而 Green Thread 通常會在用戶態自行切換調用棧
,
於是調用方隻需要:
mov r12d, eaxtest rcx, rcx ; Continuation 是否為 nulljne SUSPEND ; 如果不為 null, // 這樣調用方在 await GetDataAsync() 時就能接收到異常並進行處理。無法在編譯 GetDataAsync的時候看到 GetValueAsync的具體實現。轉而開發 Runtime Async。方法就像普通同步方法一樣從頭開始執行 。傳統 async/await
.NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型
,在用戶態實現輕量級線程 ,
另外 ,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 !但它也有一些局限性
。還必須正確維護與底層係統線程相關的 Shadow Stack 狀態。那麽這個 Task<T>對象就根本不會被創建,這就得把 Green Thread 固定到某個係統線程,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。由 JIT 直接處理和優化
。
當第一次調用異步方法時 ,雖然很長但姑且先貼在這裏,則把 Task<int> 設置為失敗狀態。這套調用約定會在在普通的方法調用約定之外,說明發生了暫停
就可以同時獲得異步方法的返回結果 ,直接返回結果。等待一個已經完成的 ValueTask
Task.Yield suspension
:異步方法 ,而這個同步方法又調用了另一個異步方法,調用方在收到非空的 Continuation 後,那解決這個問題的辦法非常簡單
,類似於 goroutine 和 Java Virtual Thread,await關鍵字會暫停 GetDataAsync方法的執行
,C# 編譯器在變換異步方法的時候,首先 async/await 模型下
,
在 x64 上,裏麵存儲了保存的異步狀態 。 // 當 Task.Delay 完成後,在所有測試中,因此傳入的 Continuation為 null 。其實是不知道一個異步調用到底會不會真正暫停的
。無論暫停還是不暫停
,如果整個方法執行過程中都沒有真正發生暫停,尤其是在沒有發生暫停的情況下,Green Thread 通常由運行時調度,最簡單的辦法就是將異步方法拆分成多個部分
,await 不是一個普通的識別符,但沒有發生暫停 。也無法做任何優化,那麽當前異步調用鏈就需要暫停 。這個 Task<int> 會在當前異步方法完成時被設置為完成狀態。那麽它就會直接返回正常的結果,那麽直接返回一個 Task<int>對象包裝一下結果即可。C# 編譯器會把異步方法改寫成狀態機
,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,傳入的 Continuation 為 null,因為這個 Fibonacci 示例中的所有調用都會同步完成,實際上
,但從普通 C# 代碼看來
,返回值類型已經不是原來的 Task<int>了。而是一係列狀態機
、awaiter 和 method builder 來驅動執行。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。但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了。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 ,那麽 Green Thread 的調度開銷就會變得非常大,
這麽一來
,執行速度跟同步方法的基線幾乎沒有差別。會采用 async 關鍵字讓用戶來標記一個方法為異步方法
,
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,並不需要為每一層 async 調用創建額外的結果包裝對象,
最終
,
而 await 關鍵字的作用是告訴編譯器這裏有暫停點
, awaiter.GetResult(); // 把 Task<int> 完成並把結果設置成 42。於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態。JIT 實際上會生成一個采用 Async Calling Convention 的內部版本 Program:Fib(int):int:this,它不再讓 C# 編譯器提前把 async 方法展開成狀態機 ,從而減少內存分配。 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 ,也沒有任何狀態機的開銷
。因此它們都可以直接通過寄存器傳遞
,
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