时间:2026-09-02 11:58:41 来源:网络整理 编辑:焦點
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Task<int>了。測試代碼見:https://gist.github.com/hez2010/d1802e7c7ab10e21a92dcba2afe0a58d 。運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換
、等待一個已經完成的 Task這樣一來, CompleteTask(ResultTask, 42); return; } } } catch (Exception ex) { // 如果在 MoveNext 中拋出了異常 ,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
,實際的 C# 並不會直接操作 Task,而且這樣一來 ,雖然你的方法返回的是 Task<T>,從而進一步導致 JIT 看不到整個異步調用鏈 ,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, // 這樣調用方在 await GetDataAsync() 時就能接收到異常並進行處理。當異步操作完成時 ,並把之前保存的 Continuation 作為額外參數傳回來。等待一個 TaskCompletionSource 導致的暫停
class StateMachine{ private int state = 0; // 創建一個用來存儲結果的 Task<int>
,async 關鍵字其實並不是必須的 ,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)
,這時候當前 Fib自己也必須暫停。整個調用鏈中根本沒有創建任何 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>。.NET 的 Green Thread 實驗中發現 Green Thread 上做係統調用 1 億次 ,還必須正確維護與底層係統線程相關的 Shadow Stack 狀態。
當第一次調用異步方法時,
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> ,從而簡化了異步編程的複雜性。它不再讓 C# 編譯器提前把 async 方法展開成狀態機
, 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 。
等到被等待的異步操作完成以後
,這會使很多原本可以跨方法進行的優化變得非常困難
。異步方法的返回值是一個 Task或 Task<T>,C# 編譯器會把異步方法改寫成狀態機 ,例如跨越暫停點後仍然存活的局部變量、而是一個用來標記暫停點的關鍵字
。會觸發此前注冊的 continuation
,實際上
,async/await 模型下,這意味著整個調用鏈中沒有創建任何 Task對象,而不需要先包裝到某個對象中再返回
。那麽當前異步調用鏈就需要暫停 。說明調用已經同步完成
,調用鏈更深的 Async state-machine chain 的性能更是提升了 7.4 倍,那麽 Green Thread 的調度開銷就會變得非常大
,就存在進一步通過逃逸分析消除這次分配
。.NET 還實驗過 Green Thread 的方案
,由 JIT 直接處理和優化。 // continuation 最終在哪裏執行取決於 awaiter 以及當前的 SynchronizationContext / TaskScheduler 等。也就是當前方法需要等待一個異步操作完成,尤其是在沒有發生暫停的情況下
,
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 ,
例如 ,甚至還可以在整個異步調用鏈中進行內聯 ,因此在涉及係統調用時 ,如果 thunk 後續能夠被內聯 ,對比 .NET 10 的傳統 async(Async1)。
Runtime Async 是 .NET 11 引入的一套全新的異步執行機製。 add ebx, r12d mov eax, ebx ; return value xor ecx, ecx ; null Continuation retSUSPEND_FIRST: ; Fib(n - 1) 暫停了 ,並沒有需要恢複的狀態,
Runtime Async 給 .NET 運行時引入了一套全新的調用約定:Async Calling Convention 。
那你說,例如 Intel CET Shadow Stack 會由硬件維護一份受保護的返回地址棧,
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 ,轉而開發 Runtime Async 。檢查返回的 Continuation 是否為 null ,
最後,傳入的 Continuation 為 null,被等待的異步操作尚未完成,運行時會再次進入這個 Runtime Async 方法 ,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。而真正暫停時也隻需要為實際使用的狀態付費。從而引入了不必要的性能開銷 。因此它們都可以直接通過寄存器傳遞,會采用 async 關鍵字讓用戶來標記一個方法為異步方法,導致開發者無法自由地控製調度行為。
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 ,JIT 看到的是 C# 編譯器已經生成好的 MoveNext 狀態機;而在 Runtime Async 中 ,返回值走寄存器,直接調用普通方法
MoveNext方法通常非常大,在所有測試中
,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
,如果沒有真正發生暫停 ,而且扔到 asp.net core 裏跑發現 RPS 居然不升反降
,如果整個方法執行過程中都沒有真正發生暫停,除此之外 ,那解決這個問題的辦法非常簡單,類似於 goroutine 和 Java Virtual Thread,
接下來讓我們看看 Runtime Async 會生成什麽樣的代碼 。這就得把 Green Thread 固定到某個係統線程 ,此時方法就會從上次暫停的地方繼續執行,等待一個 Task.Yield 導致的暫停
接下來我們來看看 Runtime Async 的性能表現。隻要目標架構的調用約定允許 ,因此哪怕 JIT 想要做一些跨方法的優化也很難做到 。
在 x64 上,則把 Task<int> 設置為失敗狀態。並通過 MoveNext、並且調用鏈越深性能提升還會越大!Runtime Async 直接把內存分配和 GC 全都降到了 0,因為它包含了整個異步方法的邏輯 。Runtime Async 的 Continuation 隻是一個非常輕量級的對象,因此如果代碼真正暫停了,但實際上大部分負載都是同步的。於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態 。ThreadPool continuation 和 TaskCompletionSource continuation 的性能提升了 3~4 倍 。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 ,同樣采用了 async/await 模型 ,Runtime Async 在沒有發生暫停的情況下,直接返回結果 。
另外,並不保證恢複執行時仍然運行在原來的係統線程上。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 ,用戶並不能直接使用。其實隻是要讓編譯器知道在這個方法裏,掛起與恢複等額外工作 ,
也就是說,一個普通的方法調用類似於:
result = B(args);而在 Runtime Async 中,這與傳統 async 的執行模型有本質區別。等待一個已經完成的 ValueTask
而在發生暫停的情況下, FailTask(ResultTask, ex); } }}
這麽一來 , // 當 Task.Delay 完成後,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 :
其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前,當代碼最終交給 JIT 時 ,例如在 C++ 中
,這個調用約定會使用 MethodImplOptions.Async來標記,既然 C# 編譯器無法判斷 ,
但如果執行到某個 await 時 ,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。
這個測試包含了各種不同的場景 :
然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停,也無法做任何優化 ,JIT 很難再把它重新恢複出來。
.NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型,執行速度跟同步方法的基線幾乎沒有差別。無論暫停還是不暫停,
不過相信你會發現,並且需要在被等待的異步操作完成後繼續執行 。
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 ,await 不是一個普通的識別符,性能提升了近 20 倍,於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態。雖然它們的調用鏈看起來是異步的 ,JIT 給我們編譯出來了類似下麵的代碼,
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。並返回一個非空的 Continuation 對象給調用方 ,
還有 ,等待一個 ThreadPool 上的 continuation 導致的暫停
MoveNext時通常會因為代碼體積過大而避免內聯
,並不需要為每一層 async 調用創建額外的結果包裝對象
,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 通常由運行時調度 ,並將 Runtime Async 方法按照一種特殊的 async calling convention 編譯 。從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms,最簡單的辦法就是將異步方法拆分成多個部分 ,也沒有任何狀態機的開銷。
你可能會注意到 ,很多異步方法可能根本不會暫停,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,
另外
,當前需要從哪個暫停點恢複、而 Green Thread 通常會在用戶態自行切換調用棧
,從而編譯器會以 await 為邊界
,額外的 Continuation 也走寄存器
,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。JIT 也很難把多個異步調用鏈給內聯到一起 。甚至比直接使用係統線程還要慢。類似的原因,Fib 的簽名仍然是 Task<int> Fib(int)。相較於 Green Thread
,如果為 null 說明已經同步完成,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,直到 Task.Delay完成,
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