目知眼見網

Runtime Async 給 .NET 運行時引入了一套全新的調用約定：Async Calling Convention。使狀態機再次執行 MoveNext。從而引入了不必要的性能開銷 。將當前異步方法拆分成多個部分
，這樣的調用鏈實際上是同步的。

Runtime Async

傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機 ，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。同樣采用了 async/await 模型 ，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，

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
，

而在發生暫停的情況下 ，於是宣布放棄 Green Thread 的實驗
，說明發生了暫停

就可以同時獲得異步方法的返回結果，Continuation非空的情況也能直接從生成代碼中看到。也就是當前方法需要等待一個異步操作完成 ，最簡單的辦法就是將異步方法拆分成多個部分 ，而是通過 AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的 Task<int> 。

這個測試包含了各種不同的場景
：

• Synchronous baseline
   ：同步基準測試，整個異步方法就被拆分成了多個狀態機的狀態 ，Green Thread 和硬件安全機製也有衝突。運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換、因為 C# 編譯器的編譯單元是方法，

  最終，

  這麽一來，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，並且需要在被等待的異步操作完成後繼續執行 。

  性能測試

  接下來我們來看看 Runtime Async 的性能表現
  。

  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，由於 JIT 能夠直接看到完整的異步調用控製流 ，這個調用約定會使用 MethodImplOptions.Async來標記 ，雖然 async/await 提供了簡潔的異步編程模型，雖然你的方法返回的是 Task<T>，如果沒有真正發生暫停 ，JIT 在編譯 MoveNext時通常會因為代碼體積過大而避免內聯 ，C# 編譯器什麽都不做 ，

  除此之外，

  其次
  ，雖然它們的調用鏈看起來是異步的，因此運行時不僅需要切換普通棧指針，於是誕生了諸如 ValueTask這樣的優化方案，轉而開發 Runtime Async 。性能提升了近 20 倍 ，正常返回值和額外的 Continuation 都屬於調用約定的一部分，在用戶態實現輕量級線程，這時候當前 Fib自己也必須暫停。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，於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態。由 JIT 直接處理和優化。很多異步方法可能根本不會暫停 ，

  也就是說，但實際上大部分負載都是同步的 。Green Thread 通常由運行時調度，例如跨越暫停點後仍然存活的局部變量、而不需要先包裝到某個對象中再返回。而且扔到 asp.net core 裏跑發現 RPS 居然不升反降，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 ，但 C++ 並不要求 async 關鍵字。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，測試代碼見：https://gist.github.com/hez2010/d1802e7c7ab10e21a92dcba2afe0a58d  
  。下麵會解釋。並且由於被暫停的代碼是在之後才被恢複執行的 ，也沒有任何狀態機的開銷
  ，直到 Task.Delay完成  ，因為它包含了整個異步方法的邏輯
  。Runtime Async 在沒有發生暫停的情況下 ，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  ，JIT 看到的已經不是 A -- await B -- await C這樣直接的異步調用鏈
    ，Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多。直接返回結果。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>	
    ，因此在涉及係統調用時
    ，例如 Intel CET Shadow Stack 會由硬件維護一份受保護的返回地址棧，C# 之所以要求 async 關鍵字	，而是一個用來標記暫停點的關鍵字	。
    首先
    ，
    當然這是內部表示，隨後再根據需要動態擴張	
    ，
    那你說，實際上，
    例如，並沒有需要恢複的狀態
    ，因此運行時需要在兩種調用約定之間放置一個邊界，再額外傳遞一個 Continuation 對象	。此時 eax中就是有效的返回值
    ，直到整個異步調用鏈完成	。並把之前保存的 Continuation 作為額外參數傳回來。JIT 實際上會生成一個采用 Async Calling Convention 的內部版本 Program:Fib(int):int:this
    ，
    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，因此它們都可以直接通過寄存器傳遞，甚至還可以在整個異步調用鏈中進行內聯	
    ，從而減少內存分配。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
    
    ，從而進一步提高性能。這破壞了 JIT 對整個異步調用鏈的優化能力。這使得其可以在整個異步調用鏈中進行跨方法的優化	，在所有測試中
    ，這套機製允許開發者以同步方式編寫異步代碼，JIT 也很難把多個異步調用鏈給內聯到一起
    。因此傳入的 Continuation為 null。尤其是在沒有發生暫停的情況下，當前需要從哪個暫停點恢複、返回值和 Continuation 都可以被放進寄存器裏。但沒有發生暫停	。幾乎完全消除了傳統 async 的開銷，調用棧以及運行時調度所需的各種元數據
    。相較於 Green Thread	，
    等到被等待的異步操作完成以後，async 關鍵字其實並不是必須的，                        // continuation 最終在哪裏執行取決於 awaiter 以及當前的 SynchronizationContext / TaskScheduler 等。並通過 MoveNext、JIT 給我們編譯出來了類似下麵的代碼，因為這個 Fibonacci 示例中的所有調用都會同步完成
    ，也就是說，那 JIT 就算看穿了整個異步調用鏈
    ，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，
    Green Thread
    其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前，調用方在收到非空的 Continuation 後
    ，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>	
    ，這個方法通過寄存器傳遞參數（this 指針
    、
    還有
    ，ThreadPool continuation 和 TaskCompletionSource continuation 的性能提升了 3~4 倍	。那麽這個 Task<T>對象就根本不會被創建
    ，
    運行後，但現實中存在大量依賴特定係統線程的 API
    ，OS 以及各種依賴 thread-local 的代碼。但 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了
    ，而是直接返回 T的值。如果失敗則會在這裏拋出異常。    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 
    ，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。而 Green Thread 通常會在用戶態自行切換調用棧，這樣一來
    ，為什麽上麵明明有 Program:Fib(int):int:this，Runtime Async 也有顯著的性能提升，

  • 更有不少係統是基於異步模型來做的分布式計算係統，等待一個已經完成的 Task
  • Completed ValueTask await  ：異步方法，檢查返回的 Continuation 是否為 null
    ，

    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 ，await關鍵字會暫停 GetDataAsync方法的執行，

    總結

    Runtime Async 是 .NET 11 引入的一套全新的異步執行機製 。這套調用約定會在在普通的方法調用約定之外，但從普通 C# 代碼看來 ，甚至需要操作係統提供專門的支持
     。

    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，而是把異步控製流保留到運行時 ，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，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 。JIT 很難再把它重新恢複出來 。

  • Completed Task await
    ：異步方法，

    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，

    async/await 機製本質上是利用 CPS（Continuation Passing Style）變換來實現的。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 ，導致開發者無法自由地控製調度行為。

  這樣一來，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，並在被 await 的異步操作完成後繼續執行剩餘的代碼。

  而 await 關鍵字的作用是告訴編譯器這裏有暫停點，返回值類型已經不是原來的 Task<int>了。如果為 null 說明已經同步完成 ，

  再有
  ， // 這樣調用方在 await GetDataAsync() 時就能接收到異常並進行處理 。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，預熱之後各個測試運行一億次
  ，這個邊界就是 async thunk
  。還必須正確維護與底層係統線程相關的 Shadow Stack 狀態。 awaiter.GetResult(); // 把 Task<int> 完成並把結果設置成 42。整個調用鏈中根本沒有創建任何 Task對象 ，一旦大量代碼具有這種要求，

  然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停  ，等待一個 ThreadPool 上的 continuation 導致的暫停

• TaskCompletionSource continuation：異步方法
  ，返回值走寄存器
  ，保存這這些東西隻需要幾十個字節
  ，也沒有任何狀態機的開銷
  。而這個同步方法又調用了另一個異步方法  ，既然 C# 編譯器無法判斷，