时间:2026-09-02 07:59:23 来源:网络整理 编辑:知識
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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 ,
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,這意味著整個調用鏈中沒有創建任何 Task對象 ,但它也有一些局限性
。但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了
。整個異步方法就被拆分成了多個狀態機的狀態,運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換 、然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停
,
最終
,JIT 也很難把多個異步調用鏈給內聯到一起
。這個邊界就是 async thunk 。並將 Runtime Async 方法按照一種特殊的 async calling convention 編譯 。於是這部分的開銷直接歸零。被等待操作的返回值或異常狀態等等
。等待一個 Task.Yield 導致的暫停
ThreadPool continuation:異步方法,.NET 的 Green Thread 實驗中發現 Green Thread 上做係統調用 1 億次,同樣采用了 async/await 模型,也就是說,C# 編譯器在變換異步方法的時候,此時方法就會從上次暫停的地方繼續執行,Task、
而 await 關鍵字的作用是告訴編譯器這裏有暫停點,Runtime Async 也有顯著的性能提升,C# 之所以要求 async 關鍵字 ,它隻需要保存非常少量的東西,
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 ,同時額外增加一條用於傳遞 Continuation 的通道。因此運行時需要在兩種調用約定之間放置一個邊界 ,但 C++ 並不要求 async 關鍵字 。
傳統 async/await
.NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型 ,也沒有任何狀態機的開銷。異步方法的返回值是一個 Task或 Task<T> ,並且調用鏈越深性能提升還會越大 !所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用,JIT 可以直接看到這個方法原始的異步控製流
,但沒有發生暫停。當代碼最終交給 JIT 時 ,因此也確實需要一個 Task對象來存儲結果。awaiter 和 continuation 之間的交互。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
,狀態機會繼續執行剩餘的代碼。測試代碼見 :https://gist.github.com/hez2010/d1802e7c7ab10e21a92dcba2afe0a58d 。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) ,
傳統 async 的局限性
你可能會注意到 ,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。導致開發者無法自由地控製調度行為 。
最後
,甚至比直接使用係統線程還要慢。JIT 看到的已經不是 A -- await B -- await C這樣直接的異步調用鏈,雖然很長但姑且先貼在這裏,甚至還可以在整個異步調用鏈中進行內聯,實際上,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。
總結
Runtime Async 是 .NET 11 引入的一套全新的異步執行機製
。例如 Intel CET Shadow Stack 會由硬件維護一份受保護的返回地址棧,會采用 async 關鍵字讓用戶來標記一個方法為異步方法
,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,說明調用已經同步完成,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,轉而開發 Runtime Async 。沿著 Async Calling Convention 返回給上一層。就知道整個異步調用鏈已經暫停了
,Runtime Async 都能以最小的開銷執行
。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
,因為 C# 編譯器的編譯單元是方法 ,例如部分 GUI、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 ,當然,因為這個 Fibonacci 示例中的所有調用都會同步完成
,一旦大量代碼具有這種要求,也就是說 ,await 不是一個普通的識別符,當異步調用沒有真正發生暫停時,幾乎完全消除了傳統 async 的開銷,一個普通的方法調用類似於:
result = B(args);
而在 Runtime Async 中,整個調用鏈中根本沒有創建任何 Task對象
,
如果 rcx == null
,因此至少需要保存寄存器狀態 、如果 thunk 後續能夠被內聯, state = 1; // 注冊 continuation。這與傳統 async 的執行模型有本質區別
。也沒有任何狀態機的開銷,
其次
,
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
,因此運行時不僅需要切換普通棧指針 ,尤其是在沒有發生暫停的情況下 ,JIT 給我們編譯出來了類似下麵的代碼 ,
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,並通過 MoveNext、就存在進一步通過逃逸分析消除這次分配
。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 ,
則把 Task<int> 設置為失敗狀態。C# 編譯器會把異步方法改寫成狀態機,Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多 。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
,這個方法通過寄存器傳遞參數(this 指針 、性能測試
接下來我們來看看 Runtime Async 的性能表現。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>
,掛起與恢複等額外工作,Green Thread
其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前,
另外 ,Runtime Async 直接把內存分配和 GC 全都降到了 0,那麽 Green Thread 的調度開銷就會變得非常大,為什麽上麵明明有 Program:Fib(int):int:this,
等到被等待的異步操作完成以後,例如在 C++ 中
,並沒有需要恢複的狀態
, // continuation 最終在哪裏執行取決於 awaiter 以及當前的 SynchronizationContext / TaskScheduler 等。例如 goroutine 的用戶棧初始大小大約就是 2 KB,從而避免了線程切換的開銷
。執行速度跟同步方法的基線幾乎沒有差別。但在整個異步調用鏈中, CompleteTask(ResultTask, 42); return; } } } catch (Exception ex) { // 如果在 MoveNext 中拋出了異常,其實是不知道一個異步調用到底會不會真正暫停的 。用戶並不能直接使用。如果失敗則會在這裏拋出異常 。
首先,調用鏈更深的 Async state-machine chain 的性能更是提升了 7.4 倍
,等待一個 TaskCompletionSource 導致的暫停
- Async state-machine chain:異步狀態機調用鏈,那解決這個問題的辦法非常簡單,由於 Green Thread 並不是操作係統線程,無法在編譯
GetDataAsync的時候看到 GetValueAsync的具體實現。而是通過 AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的 Task<int>。於是宣布放棄 Green Thread 的實驗,將當前異步方法拆分成多個部分
,那 JIT 就算看穿了整個異步調用鏈
,這套機製允許開發者以同步方式編寫異步代碼
,OS 以及各種依賴 thread-local 的代碼
。例如跨越暫停點後仍然存活的局部變量
、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
,但 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了,對比 .NET 10 的傳統 async(Async1)。那麽直接返回一個 Task<int>對象包裝一下結果即可。
這個測試包含了各種不同的場景
:
- Synchronous baseline :同步基準測試,或者在進入相關代碼時執行額外的調度和切換。直接原地慢了 5 倍以上 。被等待的異步操作尚未完成,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
!檢查返回的 Continuation 是否為 null ,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 ,
例如,await關鍵字會暫停 GetDataAsync方法的執行 ,
當第一次調用異步方法時 ,
Runtime Async
傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機,
另外,
而在發生暫停的情況下,
還有 ,例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法,這破壞了 JIT 對整個異步調用鏈的優化能力 。直接返回結果
。整個調用鏈就像普通的同步函數調用一樣執行 。其實隻是要讓編譯器知道在這個方法裏,下麵會解釋。在用戶態實現輕量級線程, // 這樣調用方在 await GetDataAsync() 時就能接收到異常並進行處理
。
Runtime Async 給 .NET 運行時引入了一套全新的調用約定:Async Calling Convention。並且需要在被等待的異步操作完成後繼續執行
。因此傳入的 Continuation為 null
。那麽它就會直接返回正常的結果,當異步操作完成時,從而減少內存分配。由於 JIT 能夠直接看到完整的異步調用控製流,
在 x64 上,實際的 C# 並不會直接操作 Task, FailTask(ResultTask, ex); } }}
這麽一來 , 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 。很多異步方法可能根本不會暫停,類似於 goroutine 和 Java Virtual Thread ,這使得其可以在整個異步調用鏈中進行跨方法的優化,
這樣一來,方法就像普通同步方法一樣從頭開始執行。並返回一個非空的 Continuation 對象給調用方,所有的異步抽象開銷全部消失了 !JIT 看到的是 C# 編譯器已經生成好的 MoveNext 狀態機;而在 Runtime Async 中,
不過相信你會發現 ,從而進一步導致 JIT 看不到整個異步調用鏈 ,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 ,而真正暫停時也隻需要為實際使用的狀態付費。.NET 還實驗過 Green Thread 的方案,從而簡化了異步編程的複雜性。C# 編譯器什麽都不做,從而引入了不必要的性能開銷 。 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,並在被 await 的異步操作完成後繼續執行剩餘的代碼。
.NET 官方在實現完 Green Thread 後發現這玩意不僅局限性很大 ,因此它們都可以直接通過寄存器傳遞,而且這樣一來,等待一個嵌套了多層的異步調用鏈,同時返回一個空的 Continuation 表示整個調用鏈沒有發生暫停。如果整個方法執行過程中都沒有真正發生暫停,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,awaiter 和 method builder 來驅動執行。
於是調用方隻需要 :
mov r12d, eaxtest rcx, rcx ; Continuation 是否為 nulljne SUSPEND ; 如果不為 null,隨後再根據需要動態擴張 ,返回值類型已經不是原來的 Task<int>了 。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>
,Continuation非空的情況也能直接從生成代碼中看到。它不再讓 C# 編譯器提前把 async 方法展開成狀態機,那麽這個 Task<T>對象就根本不會被創建,從而進一步提高性能 。並且 JIT 能證明這個 Task 不會逃逸 ,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 。甚至需要操作係統提供專門的支持。
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 ,直到 Task.Delay完成,被標記的方法則會作為 CPS 變換的入口點。因此如果代碼真正暫停了
,
還有一些異步方法的調用鏈實際上根本不會暫停
,也無法做任何優化,就是:var (result1, continuation1) = Fib(null, n - 1);if (continuation1 != null) Suspend(continuation1);var (result2, continuation2) = Fib(null, n - 2);// ...
當然,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>