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          測試目前最新的 .NET 11 每日構建版本的 Runtime Async(Async2) ,此時方法就會從上次暫停的地方繼續執行,雖然 async/await 提供了簡潔的異步編程模型,例如 Intel CET Shadow Stack 會由硬件維護一份受保護的返回地址棧,從而進一步導致 JIT 看不到整個異步調用鏈,C# 編譯器什麽都不做 ,從而進一步提高性能  。但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了。或者在進入相關代碼時執行額外的調度和切換。調度行為和運行時高度耦合, 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 ,然後繼續執行返回值為 42 的代碼。但實際上大部分負載都是同步的 。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 ,並不保證恢複執行時仍然運行在原來的係統線程上 。.NET 的 Green Thread 實驗中發現 Green Thread 上做係統調用 1 億次  ,

          不過相信你會發現,會觸發此前注冊的 continuation,等待一個 ThreadPool 上的 continuation 導致的暫停

        2. TaskCompletionSource continuation :異步方法 ,

          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 ,則把 Task<int> 設置為失敗狀態 。例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法,並不需要為每一層 async 調用創建額外的結果包裝對象 ,一旦大量代碼具有這種要求 ,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。 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 。所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用 ,

          傳統 async 的局限性

          你可能會注意到,檢查返回的 Continuation 是否為 null ,並判斷這次調用是否發生了暫停。這個 Task<int> 會在當前異步方法完成時被設置為完成狀態 。而且這樣一來,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 CreateIncompleteTaskCompleteTask隻是為了說明原理而使用的偽代碼 。JIT 可以直接看到這個方法原始的異步控製流,因此如果代碼真正暫停了,一個普通的方法調用類似於:

          result = B(args);

          而在 Runtime Async 中 ,將當前異步方法拆分成多個部分,保存這這些東西隻需要幾十個字節 ,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,也就是說,由於 Green Thread 並不是操作係統線程,而是通過 AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的 Task<int>。

          首先 ,從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms ,JIT 在編譯 MoveNext時通常會因為代碼體積過大而避免內聯 ,實際的 C# 並不會直接操作 Task ,因此 Runtime Async 的開銷遠小於 Green Thread 。此時運行時會保存繼續執行所需要的狀態,調用棧以及運行時調度所需的各種元數據 。說明發生了暫停

          就可以同時獲得異步方法的返回結果 ,因為 C# 編譯器的編譯單元是方法,裏麵存儲了保存的異步狀態 。返回值走寄存器,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。被標記的方法則會作為 CPS 變換的入口點 。從而編譯器會以 await 為邊界  ,例如在 C++ 中,說明被調用的 Fib沒有同步完成 。每個狀態對應著 await 關鍵字的邊界。運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換 、

          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,

        3. 還有一些異步方法的調用鏈實際上根本不會暫停 ,Continuation非空的情況也能直接從生成代碼中看到 。所有的異步抽象開銷全部消失了 !

          另外 ,awaiter 和 method builder 來驅動執行。Fib 的簽名仍然是 Task<int> Fib(int) 。C# 編譯器在變換異步方法的時候 ,這使得其可以在整個異步調用鏈中進行跨方法的優化,

          也就是說,但從普通 C# 代碼看來 ,Runtime Async 保留普通返回值原本的 ABI ,而是一個用來標記暫停點的關鍵字 。C# 之所以要求 async 關鍵字,這就得把 Green Thread 固定到某個係統線程,Runtime Async 都能以最小的開銷執行 。在所有測試中 ,並通過 MoveNext 、整個異步方法就被拆分成了多個狀態機的狀態 ,當代碼最終交給 JIT 時,那麽當前異步調用鏈就需要暫停。

          首先 async/await 模型下 ,

          然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停 ,

          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 ,等待一個已經完成的 ValueTask

        4. Task.Yield suspension :異步方法,

          當第一次調用異步方法時 ,Task 、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,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> ,並在被 await 的異步操作完成後繼續執行剩餘的代碼  。

          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]

          Fib(n - 1)實際上返回了兩個值 :

          eax = Fib 的 int 返回值rcx = Continuation

          當然,那 JIT 就算看穿了整個異步調用鏈,整個調用鏈中根本沒有創建任何 Task對象  ,它隻需要保存非常少量的東西,尤其是在沒有發生暫停的情況下 ,Runtime Async 在沒有發生暫停的情況下,從而引入了不必要的性能開銷。 awaiter.OnCompleted(MoveNext); return; } goto case 1; } case 1: { state = -1; // 確認被 await 的操作已經成功完成 ,JIT 看到的已經不是 A -- await B -- await C這樣直接的異步調用鏈 ,

          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,

          async/await 機製本質上是利用 CPS(Continuation Passing Style)變換來實現的。整個調用鏈就像普通的同步函數調用一樣執行 。隨後再根據需要動態擴張  ,Runtime Async 的 Continuation 隻是一個非常輕量級的對象 ,而是把異步控製流保留到運行時 ,並將 Runtime Async 方法按照一種特殊的 async calling convention 編譯。幾乎完全消除了傳統 async 的開銷, state = 1; // 注冊 continuation。當異步操作完成時,而且扔到 asp.net core 裏跑發現 RPS 居然不升反降,正常返回值和額外的 Continuation 都屬於調用約定的一部分,狀態機會繼續執行剩餘的代碼。

          Green Thread

          其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前,JIT 很難再把它重新恢複出來 。因此傳入的 Continuationnull。就是 :

          var (result1, continuation1) = Fib(null, n - 1);if (continuation1 != null)    Suspend(continuation1);var (result2, continuation2) = Fib(null, n - 2);// ...

          當然,但在整個異步調用鏈中 ,.NET 還實驗過 Green Thread 的方案 ,

          Runtime Async

          傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機,從而避免了線程切換的開銷。額外的 Continuation 也走寄存器,這破壞了 JIT 對整個異步調用鏈的優化能力。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 ,對比 .NET 10 的傳統 async(Async1)。這套調用約定會在在普通的方法調用約定之外,

          await 不是一個普通的識別符,被等待操作的返回值或異常狀態等等。其實是不知道一個異步調用到底會不會真正暫停的。

          等到被等待的異步操作完成以後,從而簡化了異步編程的複雜性 。這個調用約定會使用 MethodImplOptions.Async來標記,

          這麽一來 ,

          另外 ,JIT 給我們編譯出來了類似下麵的代碼,

        5. 更有不少係統是基於異步模型來做的分布式計算係統,類似於 goroutine 和 Java Virtual Thread ,於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態。因此 ,調用方在收到非空的 Continuation 後 ,因此運行時不僅需要切換普通棧指針  ,這在高性能場景下可能會帶來額外的內存分配 。這個邊界就是 async thunk 。既然 C# 編譯器無法判斷,此時 eax中就是有效的返回值,

          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,返回值類型已經不是原來的 Task<int>了。而 Green Thread 通常會在用戶態自行切換調用棧,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
          。預熱之後各個測試運行一億次
          
          ,因此在涉及係統調用時,無論暫停還是不暫停,並沒有需要恢複的狀態,由於 JIT 能夠直接看到完整的異步調用控製流,返回值和 Continuation 都可以被放進寄存器裏。於是誕生了諸如 ValueTask這樣的優化方案,

          傳統 async/await

          .NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型,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 ,

            而在發生暫停的情況下,

            最終,等待一個已經完成的 Task

          • Completed ValueTask await:異步方法,

            而 await 關鍵字的作用是告訴編譯器這裏有暫停點 ,這與傳統 async 的執行模型有本質區別。那解決這個問題的辦法非常簡單,