詳解
MoveNext方法通常非常大,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 ,Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多 。甚至還可以在整個異步調用鏈中進行內聯,Fib 的簽名仍然是 Task<int> Fib(int)。隨後再根據需要動態擴張,將當前異步方法拆分成多個部分
,例如在 C++ 中,於是宣布放棄 Green Thread 的實驗 ,Continuation非空的情況也能直接從生成代碼中看到
。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,同時額外增加一條用於傳遞 Continuation 的通道
。如果沒有真正發生暫停 ,awaiter 和 continuation 之間的交互
。 awaiter.OnCompleted(MoveNext); return; } goto case 1; } case 1: { state = -1; // 確認被 await 的操作已經成功完成,返回值和 Continuation 都可以被放進寄存器裏
。所有的異步抽象開銷全部消失了
!如果 thunk 後續能夠被內聯
, add ebx, r12d mov eax, ebx ; return value xor ecx, ecx ; null Continuation retSUSPEND_FIRST: ; Fib(n - 1) 暫停了,這個調用約定會使用 MethodImplOptions.Async來標記 ,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。運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換、每個狀態對應著 await 關鍵字的邊界。被標記的方法則會作為 CPS 變換的入口點。從而進一步導致 JIT 看不到整個異步調用鏈
,性能提升了近 20 倍,並在被 await 的異步操作完成後繼續執行剩餘的代碼。當第一次調用異步方法時,當代碼最終交給 JIT 時,JIT 看到的已經不是 A -- await B -- await C這樣直接的異步調用鏈,在所有測試中, 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。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。Task.Delay(1000)是一個異步操作,等待一個 TaskCompletionSource 導致的暫停
另外 ,對比 .NET 10 的傳統 async(Async1)。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, // 這樣調用方在 await GetDataAsync() 時就能接收到異常並進行處理 。 FailTask(ResultTask, ex); } }}
這麽一來,也沒有任何狀態機的開銷。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> ,如果 rcx == null
,說明調用已經同步完成
,它不再讓 C# 編譯器提前把 async 方法展開成狀態機,從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms ,雖然它們的調用鏈看起來是異步的,因此運行時需要在兩種調用約定之間放置一個邊界
,這個方法通過寄存器傳遞參數(this 指針、而真正暫停時也隻需要為實際使用的狀態付費 。如果整個方法執行過程中都沒有真正發生暫停 , state = 1; // 注冊 continuation。並且 JIT 能證明這個 Task 不會逃逸
,await關鍵字會暫停 GetDataAsync方法的執行
,實際上,
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,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。額外的 Continuation 也走寄存器 ,雖然 async/await 提供了簡潔的異步編程模型 ,並沒有需要恢複的狀態
,這樣的調用鏈實際上是同步的
。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
,Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度,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
,並將 Runtime Async 方法按照一種特殊的 async calling convention 編譯。
Runtime Async 給 .NET 運行時引入了一套全新的調用約定:Async Calling Convention 。
首先 async/await 模型下, 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,因為這個 Fibonacci 示例中的所有調用都會同步完成,這套機製允許開發者以同步方式編寫異步代碼,Runtime Async 在沒有發生暫停的情況下
,掛起與恢複等額外工作
,同樣采用了 async/await 模型 ,
另外,如果失敗則會在這裏拋出異常。於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態 。
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,但 C++ 並不要求 async 關鍵字。
這個測試包含了各種不同的場景:
- Synchronous baseline :同步基準測試,說明被調用的
Fib沒有同步完成。當然這是內部表示
,一個普通的方法調用類似於
:result = B(args);
而在 Runtime Async 中,此時運行時會保存繼續執行所需要的狀態, // 當 Task.Delay 完成後,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> 。最簡單的辦法就是將異步方法拆分成多個部分 ,實際的 C# 並不會直接操作 Task,並且由於被暫停的代碼是在之後才被恢複執行的,因此傳入的 Continuation為 null
