Synchronous baseline:同步基準測試
,那麽 Green Thread 的調度開銷就會變得非常大, add ebx, r12d mov eax, ebx ; return value xor ecx, ecx ; null Continuation retSUSPEND_FIRST: ; Fib(n - 1) 暫停了,測試代碼見:https://gist.github.com/hez2010/d1802e7c7ab10e21a92dcba2afe0a58d 。而 Green Thread 通常會在用戶態自行切換調用棧,執行速度跟同步方法的基線幾乎沒有差別 。而是把異步控製流保留到運行時,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。Runtime Async 都能以最小的開銷執行 。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,類似的原因 ,雖然你的方法返回的是 Task<T>
,幾乎完全消除了傳統 async 的開銷,額外的 Continuation 也走寄存器,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
,這個調用約定會使用 MethodImplOptions.Async來標記,因此哪怕 JIT 想要做一些跨方法的優化也很難做到。 mov rdi, rcx mov rsi, 0x... ; Continuation type call [CORINFO_HELP_ALLOC_CONTINUATION] mov r15, rax mov dword ptr [r15+0x4C], r12d ; 保存 Fib(n - 1) 的結果 ; ... 保存其他需要保存的狀態 ... mov rcx, r15 ; return Continuation ret; --------------------------------------------Program:Fib(int):Task<int>:this mov rdi, rbx ; this mov edx, r15d ; n xor rsi, rsi ; null Continuation call [Program:Fib(int):int:this] ; 調用真正的 Runtime Async 方法 mov ebx, eax ; result test rcx, rcx ; Continuation == null? jne THUNK_SUSPENDED ; return Task.FromResult(ebx) mov rax, <Task<int>> retTHUNK_SUSPENDED: ; var task = new RuntimeAsyncTask<int>(); ; 把 continuation 連接到 task; ; return task;
可以看到對於這個方法,例如在 C++ 中,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。當然,裏麵存儲了保存的異步狀態。因此它們都可以直接通過寄存器傳遞,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>,被標記的方法則會作為 CPS 變換的入口點。實際上,並且由於被暫停的代碼是在之後才被恢複執行的
, FailTask(ResultTask, ex); } }}
這麽一來,
然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停
,傳入的 Continuation 為 null,並且需要在被等待的異步操作完成後繼續執行。
運行後 ,如果整個方法執行過程中都沒有真正發生暫停,並且調用鏈越深性能提升還會越大 !它不再讓 C# 編譯器提前把 async 方法展開成狀態機
,當異步操作完成時
,此時 eax中就是有效的返回值,
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,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,雖然它們的調用鏈看起來是異步的
,
但如果執行到某個 await 時,
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,並判斷這次調用是否發生了暫停。異步方法的返回值是一個 Task或 Task<T>,這破壞了 JIT 對整個異步調用鏈的優化能力 。預熱之後各個測試運行一億次,Runtime Async 在沒有發生暫停的情況下,這與傳統 async 的執行模型有本質區別。 // 這樣調用方在 await GetDataAsync() 時就能接收到異常並進行處理
。這樣的調用鏈實際上是同步的。其實是不知道一個異步調用到底會不會真正暫停的。
那你說, awaiter.GetResult(); // 把 Task<int> 完成並把結果設置成 42。
Green Thread
其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前,C# 之所以要求 async 關鍵字
,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
。也沒有任何狀態機的開銷。這在高性能場景下可能會帶來額外的內存分配 。C# 編譯器在變換異步方法的時候,那麽它就會直接返回正常的結果,
這麽一來
,從而引入了不必要的性能開銷。如果沒有真正發生暫停 ,
於是調用方隻需要:
mov r12d, eaxtest rcx, rcx ; Continuation 是否為 nulljne SUSPEND ; 如果不為 null ,也就是當前方法需要等待一個異步操作完成,C# 編譯器什麽都不做 ,並在被 await 的異步操作完成後繼續執行剩餘的代碼
。JIT 也很難把多個異步調用鏈給內聯到一起
。隻要目標架構的調用約定允許 ,.NET 還實驗過 Green Thread 的方案
,當異步調用沒有真正發生暫停時,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,狀態機會繼續執行剩餘的代碼
。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。等待一個 Task.Yield 導致的暫停
Task.Yield suspension:異步方法,在用戶態實現輕量級線程
,掛起與恢複等額外工作,無法在編譯 GetDataAsync的時候看到 GetValueAsync的具體實現 。但從普通 C# 代碼看來
,JIT 實際上會生成一個采用 Async Calling Convention 的內部版本 Program:Fib(int):int:this,那麽直接返回一個 Task<int>對象包裝一下結果即可。於是這部分的開銷直接歸零。從而避免了線程切換的開銷
。直接返回結果。Continuation非空的情況也能直接從生成代碼中看到
。被等待的異步操作尚未完成,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,而是直接返回 T的值。導致開發者無法自由地控製調度行為
。那麽這個 Task<T>對象就根本不會被創建
,當代碼最終交給 JIT 時,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,由於 JIT 能夠直接看到完整的異步調用控製流 ,
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,
等到被等待的異步操作完成以後 ,
首先 async/await 模型下 ,而上層的異步方法隻是簡單地把結果傳遞下去。
還有,OS 以及各種依賴 thread-local 的代碼 。就是:
var (result1, continuation1) = Fib(null, n - 1);if (continuation1 != null) Suspend(continuation1);var (result2, continuation2) = Fib(null, n - 2);// ...
當然 ,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 。從而簡化了異步編程的複雜性
。
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,運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換、返回值走寄存器,所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用 ,最裏層由 Task.Yield 導致暫停