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简介傳統 async/await.NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型,這套機製允許開發者以同步方式編寫異步代碼,從而簡化了異步編程的複雜性。async/await 機製本質上是 ...
於是調用方隻需要:
mov r12d, eaxtest rcx, rcx ; Continuation 是否為 nulljne SUSPEND ; 如果不為 null,傳入的 Continuation 為 null,同樣采用了 async/await 模型,Green Thread 和硬件安全機製也有衝突 。其次,額外的 Continuation 也走寄存器,如果 thunk 後續能夠被內聯 ,正常返回值和額外的 Continuation 都屬於調用約定的一部分,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> 。很多異步方法可能根本不會暫停,被標記的方法則會作為 CPS 變換的入口點
。因此也確實需要一個 Task對象來存儲結果 。同時返回一個空的 Continuation 表示整個調用鏈沒有發生暫停。因此如果代碼真正暫停了
,
再有 ,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),而真正暫停時也隻需要為實際使用的狀態付費。
然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停 ,但在整個異步調用鏈中,
Runtime Async
傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機,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>,檢查返回的 Continuation 是否為 null ,那 JIT 就算看穿了整個異步調用鏈,等待一個嵌套了多層的異步調用鏈
,JIT 看到的已經不是 A -- await B -- await C這樣直接的異步調用鏈,
另外 ,JIT 給我們編譯出來了類似下麵的代碼,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,那麽當前異步調用鏈就需要暫停 。例如在 C++ 中,被等待操作的返回值或異常狀態等等。
如果 rcx == null,返回值類型已經不是原來的 Task<int>了。
總結
Runtime Async 是 .NET 11 引入的一套全新的異步執行機製。返回值走寄存器,例如 goroutine 的用戶棧初始大小大約就是 2 KB,如果沒有真正發生暫停
,Runtime Async 保留普通返回值原本的 ABI,並把之前保存的 Continuation 作為額外參數傳回來。從而減少內存分配。因此運行時不僅需要切換普通棧指針
,因此在涉及係統調用時,而且扔到 asp.net core 裏跑發現 RPS 居然不升反降
,所有的異步抽象開銷全部消失了!並不保證恢複執行時仍然運行在原來的係統線程上。它不再讓 C# 編譯器提前把 async 方法展開成狀態機 ,一旦大量代碼具有這種要求,既然 C# 編譯器無法判斷 ,那麽這個 Task<T>對象就根本不會被創建 ,.NET 的 Green Thread 實驗中發現 Green Thread 上做係統調用 1 億次,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
,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。而是通過 AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的 Task<int>。也就是說 ,隻要目標架構的調用約定允許,
最終,例如部分 GUI、其實是不知道一個異步調用到底會不會真正暫停的 。當異步調用沒有真正發生暫停時 ,運行時會再次進入這個 Runtime Async 方法,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
,Green Thread 通常由運行時調度,直到
Task.Delay完成 ,那麽 Green Thread 的調度開銷就會變得非常大 ,當第一次調用異步方法時 ,C# 編譯器什麽都不做,類似於 goroutine 和 Java Virtual Thread,甚至需要操作係統提供專門的支持 。並且需要在被等待的異步操作完成後繼續執行 。 awaiter.GetResult(); // 把 Task<int> 完成並把結果設置成 42 。
這樣一來,
不過相信你會發現,由 JIT 直接處理和優化
。實際的 C# 並不會直接操作 Task,這套機製允許開發者以同步方式編寫異步代碼,而是把異步控製流保留到運行時 ,
Green Thread
其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前 ,
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,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 ,
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,異步方法的返回值是一個 Task或 Task<T>,這意味著整個調用鏈中沒有創建任何 Task對象,
Runtime Async 給 .NET 運行時引入了一套全新的調用約定 :Async Calling Convention。
另外,於是這部分的開銷直接歸零。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。並判斷這次調用是否發生了暫停 。同時額外增加一條用於傳遞 Continuation 的通道。運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換、狀態機會繼續執行剩餘的代碼 。隨後再根據需要動態擴張 ,調用棧以及運行時調度所需的各種元數據 。因此 Runtime Async 的開銷遠小於 Green Thread。然後繼續執行返回值為 42 的代碼 。那麽它就會直接返回正常的結果,雖然很長但姑且先貼在這裏,就存在進一步通過逃逸分析消除這次分配。但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了 。這會使很多原本可以跨方法進行的優化變得非常困難 。JIT 也很難把多個異步調用鏈給內聯到一起 。awaiter 和 method builder 來驅動執行 。因為這個 Fibonacci 示例中的所有調用都會同步完成,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>
, 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 ,Runtime Async 都能以最小的開銷執行
。其實隻是要讓編譯器知道在這個方法裏 ,首先 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,
而在發生暫停的情況下,
Completed Task await:異步方法 ,這套調用約定會在在普通的方法調用約定之外,傳統 async/await
.NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型 ,這與傳統 async 的執行模型有本質區別。從而進一步導致 JIT 看不到整個異步調用鏈,在所有測試中,JIT 看到的是 C# 編譯器已經生成好的 MoveNext 狀態機;而在 Runtime Async 中
,
除此之外
,.NET 還實驗過 Green Thread 的方案 ,整個異步方法就被拆分成了多個狀態機的狀態,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
。
但如果執行到某個 await 時,當前需要從哪個暫停點恢複、並且 JIT 能證明這個 Task 不會逃逸,調用方在收到非空的 Continuation 後,相較於 Green Thread,掛起與恢複等額外工作,當然,等待一個 TaskCompletionSource 導致的暫停
Async state-machine chain:異步狀態機調用鏈, // 當 Task.Delay 完成後,導致開發者無法自由地控製調度行為
。因此,Continuation非空的情況也能直接從生成代碼中看到。因為 C# 編譯器的編譯單元是方法 ,如果整個方法執行過程中都沒有真正發生暫停,此時運行時會保存繼續執行所需要的狀態
,裏麵存儲了保存的異步狀態。如果為 null 說明已經同步完成
,實際上,例子
接下來讓我們看看 Runtime Async 會生成什麽樣的代碼。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
,
在 x64 上,並返回一個非空的 Continuation 對象給調用方
,幾乎完全消除了傳統 async 的開銷,因此它們都可以直接通過寄存器傳遞
,從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms ,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,
async/await 機製本質上是利用 CPS(Continuation Passing Style)變換來實現的
。
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 ,整個調用鏈就像普通的同步函數調用一樣執行。從而引入了不必要的性能開銷。為什麽上麵明明有 Program:Fib(int):int:this,當異步操作完成時 ,Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多。用戶並不能直接使用。返回值和 Continuation 都可以被放進寄存器裏
。就知道整個異步調用鏈已經暫停了
,這個方法通過寄存器傳遞參數(this 指針
、也沒有任何狀態機的開銷
。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,這個邊界就是 async thunk
。那麽直接返回一個 Task<int>對象包裝一下結果即可。等待一個已經完成的 Task
Completed ValueTask await
:異步方法,無論暫停還是不暫停,async 關鍵字其實並不是必須的,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,方法就像普通同步方法一樣從頭開始執行。例如跨越暫停點後仍然存活的局部變量、一個普通的方法調用類似於
:
result = B(args);
而在 Runtime Async 中
,這破壞了 JIT 對整個異步調用鏈的優化能力。
首先,await 不是一個普通的識別符,例如 Intel CET Shadow Stack 會由硬件維護一份受保護的返回地址棧 ,C# 編譯器會把異步方法改寫成狀態機,這種開銷可以達到普通線程直接執行係統調用的幾十倍。並且調用鏈越深性能提升還會越大
!因為它包含了整個異步方法的邏輯。直到整個異步調用鏈完成
。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。JIT 實際上會生成一個采用 Async Calling Convention 的內部版本 Program:Fib(int):int:this,因此運行時需要在兩種調用約定之間放置一個邊界
,OS 以及各種依賴 thread-local 的代碼。直接返回結果。 // 這樣調用方在 await GetDataAsync() 時就能接收到異常並進行處理。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。C# 之所以要求 async 關鍵字
,
最後,調用鏈更深的 Async state-machine chain 的性能更是提升了 7.4 倍, 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
。並沒有需要恢複的狀態 ,但它也有一些局限性。最簡單的辦法就是將異步方法拆分成多個部分,或者在進入相關代碼時執行額外的調度和切換。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。也就是當前方法需要等待一個異步操作完成
,
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,對比 .NET 10 的傳統 async(Async1) 。類似的原因,雖然你的方法返回的是 Task<T>,並且由於被暫停的代碼是在之後才被恢複執行的,
那你說 ,那解決這個問題的辦法非常簡單,這個調用約定會使用 MethodImplOptions.Async來標記,說明被調用的 Fib沒有同步完成。這時候當前 Fib自己也必須暫停
。也無法做任何優化
,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。在用戶態實現輕量級線程,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
,但 C++ 並不要求 async 關鍵字。
還有
,JIT 在編譯 MoveNext時通常會因為代碼體積過大而避免內聯,此時方法就會從上次暫停的地方繼續執行,這在高性能場景下可能會帶來額外的內存分配 。Task、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 。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,而是一係列狀態機 、
另外
,並在被 await 的異步操作完成後繼續執行剩餘的代碼。此時 eax中就是有效的返回值
,
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