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一个 Task 不够,又来一个 ValueTask ,真的学懵了!


一:背景

1. 讲故事

前几天在项目中用 MemoryStream 的时候意外发现 ReadAsync 方法多了一个返回 ValueTask 的重载,真是日了狗了,一个 Task 已经够学了,又来一个 ValueTask,晕,方法签名如下:

     public class MemoryStream : Stream     {         public override ValueTask<int> ReadAsync(Memory<byte> buffer, CancellationToken cancellationToken = default(CancellationToken))         {         }     }  

既然是新玩意,我就比较好奇,看看这个 ValueTask 是个啥玩意,翻翻源码看看类定义:

     public readonly struct ValueTask<TResult> : IEquatable<ValueTask<TResult>>     {     }  

原来是搞了一个 值类型的Task,无数的优化经验告诉我,值类型相比引用类型要节省空间的多,不信的话可以用 windbg 去校验一下,分别在 List 中灌入 1000 个Task 和 1000 个 ValueTask,看看所占空间大小。

 0:000> !clrstack -l OS Thread Id: 0x44cc (0)         Child SP               IP Call Site 0000004DA3B7E630 00007ffaf84329a6 ConsoleApp2.Program.Main(System.String[]) [E:net5ConsoleApp1ConsoleApp2Program.cs @ 17]     LOCALS:         0x0000004DA3B7E6E8 = 0x000001932896ac78         0x0000004DA3B7E6E0 = 0x000001932897e700 0:000> !objsize 0x000001932896ac78 sizeof(000001932896AC78) = 80056 (0x138b8) bytes (System.Collections.Generic.List`1[[System.Threading.Tasks.Task`1[[System.Int32, System.Private.CoreLib]], System.Private.CoreLib]]) 0:000> !objsize 0x000001932897e700 sizeof(000001932897E700) = 16056 (0x3eb8) bytes (System.Collections.Generic.List`1[[System.Threading.Tasks.ValueTask`1[[System.Int32, System.Private.CoreLib]], System.Private.CoreLib]])  

上面的代码可以看出, 1000 个 Task 需占用 80056 byte,1000 个 ValueTask 需占用 16056 byte,相差大概 5 倍,空间利用率确实得到了大大提升,除了这个, ValueTask 还想解决什么问题呢?

二:ValueTask 原理分析

1. 从 MemoryStream 中寻找答案

大家可以仔细想一想,既然 MemoryStream 中多了一个 ReadAsync 扩展,必然是现存的 ReadAsync 不能满足某些业务,那不能满足什么业务呢? 只能从方法源码中寻找答案,简化后的代码如下:

 public override Task<int> ReadAsync(byte[] buffer, int offset, int count, CancellationToken cancellationToken) { 	if (cancellationToken.IsCancellationRequested) 	{ 		return Task.FromCanceled<int>(cancellationToken); 	}  	int num = Read(buffer, offset, count); 	Task<int> lastReadTask = _lastReadTask; 	return (lastReadTask != null && lastReadTask.Result == num) ? lastReadTask : (_lastReadTask = Task.FromResult(num)); }  

看完这段代码,不知道大家有没有什么疑惑? 反正我是有疑惑的。

2. 我的疑惑

1) 异步 竟然包装了 cpu 密集型操作

C# 引入异步本质上是用来解决 IO 密集型 的场景,利用磁盘驱动器的强势介入进而释放了调用线程,提高线程的利用率和吞吐率,而恰恰这里的 ReadAsync 中的 Read 其实是一个简单的纯内存操作,也就是 CPU 密集型 的场景,这个时候用异步来处理其实没有任何效果可言,说严重一点就是为了异步而异步,或许就是为了统一异步编程模型吧。

2) CPU 密集型处理速度瞬息万里

纯内存操作速度是相当快的,1s内可达千万次执行,那有什么问题呢? 这问题大了,大家看清楚了,这个 ReadAsync 返回的是一个 Task 对象,这就意味着瞬间会在托管堆中生成千万个 Task 对象,造成的后果可能就是 GC 不断痉挛,严重影响程序的性能。

3. 语言团队的解决方案

可能基于我刚才聊到的二点,尤其是第二点,语言团队给出了 ValueTask 这个解决方案,毕竟它是值类型,也就不会在托管堆上分配任何内存,和GC就没有任何关系了,有些朋友会说,空口无凭,Talk is cheap. Show me the code 。

三:Task 和 ValueTask 在 MemoryStream 上的演示

1. Task 的 ReadAsync 演示

为了方便讲解,我准备灌入一段文字到 MemoryStream 中去,然后再用 ReadAsync 一个 byte 一个 byte 的读出来,目的就是让 while 多循环几次,多生成一些Task对象,代码如下:

     class Program     {         static void Main(string[] args)         {             var content = GetContent().Result;              Console.WriteLine(content);              Console.ReadKey();         }          public static async Task<string> GetContent()         {             string str = " 一般情况是:学生不在意草稿纸摆放在桌上的位置(他通常不会把纸摆正),总是顺手在空白处演算,杂乱无序。但是,我曾见到有位学生在草稿纸上按顺序编号。他告诉我,这样做的好处是:无论是考试还是做作业,在最后检验时,根据编号,他很快就能找到先前的演算过程,这样大概可以省下两三分钟。这个习惯,可能会跟着他一辈子,他的一生中可以有无数个两三分钟,而且很可能会有几次关键的两三分钟。";              using (MemoryStream ms = new MemoryStream(Encoding.UTF8.GetBytes(str)))             {                 byte[] bytes = new byte[1024];                  ms.Seek(0, SeekOrigin.Begin);                 int cursor = 0;                 var offset = 0;                 int count = 1;                  while ((offset = await ms.ReadAsync(bytes, cursor, count)) != 0)                 {                     cursor += offset;                 }                  return Encoding.UTF8.GetString(bytes, 0, cursor);             }         }     }  

一个 Task 不够,又来一个 ValueTask ,真的学懵了!

输出结果是没有任何问题的,接下来用 windbg 看一看托管堆上生成了多少个 Task。。。

 0:000> !dumpheap -type Task -stat Statistics:               MT    Count    TotalSize Class Name 00007ffaf2404650        1           24 System.Threading.Tasks.Task+<>c 00007ffaf24042b0        1           40 System.Threading.Tasks.TaskFactory 00007ffaf23e3848        1           64 System.Threading.Tasks.Task 00007ffaf23e49d0        1           72 System.Threading.Tasks.Task`1[[System.String, System.Private.CoreLib]] 00007ffaf23e9658        2          144 System.Threading.Tasks.Task`1[[System.Int32, System.Private.CoreLib]] Total 6 objects  

从托管堆上看,我去,Task<int> 为啥只有两个呢?,🐂👃了,难道我推演错啦??? 不可能的,看看源码去。

 public override Task<int> ReadAsync(byte[] buffer, int offset, int count, CancellationToken cancellationToken) {     	int num = Read(buffer, offset, count); 		Task<int> lastReadTask = _lastReadTask; 		return (lastReadTask != null && lastReadTask.Result == num) ? lastReadTask : (_lastReadTask = Task.FromResult(num)); }  

上面最后一句代码不知道大家有没有看懂,MemoryStream 用了 _lastReadTask 玩了一个小技巧,只要 num 相同返回的都是一个 Task,如果不同则会生成新的 Task 对象,显然这是根据特定场景进行优化的,为了普适性,我肯定要绕过这个技巧,做法就是每次 num 数字不一样就可以了,将 while 修改成代码如下:

         while ((offset = await ms.ReadAsync(bytes, cursor, count++ % 2 == 0 ? 1 : 2)) != 0)         {             cursor += offset;         }  

然后再用 windbg 看一下:

 0:000> !dumpheap -type Task -stat Statistics:               MT    Count    TotalSize Class Name 00007ffaf7f04650        1           24 System.Threading.Tasks.Task+<>c 00007ffaf7f042b0        1           40 System.Threading.Tasks.TaskFactory 00007ffaf7ee3848        1           64 System.Threading.Tasks.Task 00007ffaf7ee49d0        1           72 System.Threading.Tasks.Task`1[[System.String, System.Private.CoreLib]] 00007ffaf7ee9658      371        26712 System.Threading.Tasks.Task`1[[System.Int32, System.Private.CoreLib]] Total 375 objects  

从最后一行代码可以看到 Count=371,哈哈,这要是千万级的,那这里的 Task 有多恐怖可想而知哈。

2. ValueTask 的 ReadAsync 演示

前面例子的危害性大家也清楚了,这种场景下解决方案自然就是C#团队提供的新 ReadAsync 方法,代码如下:

    class Program    {         static void Main(string[] args)         {             var content = GetContent().Result;              Console.WriteLine(content);              Console.ReadKey();         }          public static async Task<string> GetContent()         {             string str = " 一般情况是:学生不在意草稿纸摆放在桌上的位置(他通常不会把纸摆正),总是顺手在空白处演算,杂乱无序。但是,我曾见到有位学生在草稿纸上按顺序编号。他告诉我,这样做的好处是:无论是考试还是做作业,在最后检验时,根据编号,他很快就能找到先前的演算过程,这样大概可以省下两三分钟。这个习惯,可能会跟着他一辈子,他的一生中可以有无数个两三分钟,而且很可能会有几次关键的两三分钟。";              using (MemoryStream ms = new MemoryStream(Encoding.UTF8.GetBytes(str)))             {                 byte[] bytes = new byte[1024];                  Memory<byte> memory = new Memory<byte>(bytes);                  ms.Seek(0, SeekOrigin.Begin);                 int cursor = 0;                 var offset = 0;                 var count = 1;                  while ((offset = await ms.ReadAsync(memory.Slice(cursor, count++ % 2 == 0 ? 1 : 2))) != 0)                 {                     cursor += offset;                 }                  return Encoding.UTF8.GetString(bytes, 0, cursor);             }         }     }  

一个 Task 不够,又来一个 ValueTask ,真的学懵了!

很开心,用 ValueTask 也实现了同样的功能,而且还不给 GC 添任何麻烦,不信的话,用windbg 校验下:

 0:000> !dumpheap -type Task -stat Statistics:               MT    Count    TotalSize Class Name 00007ffaf23f7bf0        1           24 System.Threading.Tasks.Task+<>c 00007ffaf23f7850        1           40 System.Threading.Tasks.TaskFactory 00007ffaf23c3848        1           64 System.Threading.Tasks.Task 00007ffaf23c49d0        1           72 System.Threading.Tasks.Task`1[[System.String, System.Private.CoreLib]] Total 4 objects  0:000> !dumpheap -type ValueTask -stat Statistics:               MT    Count    TotalSize Class Name Total 0 objects  

可以看到,托管堆上没有任何踪迹,简直就是完美。

四: ValueTask 真的完美吗?

如果真是完美的话,我相信底层框架中都会改成 ValueTask,而现实并没有,也就说明 ValueTask 只是某一些场景下的优选方案,如果你明白了上面两个案例,你应该会明白 ValueTask 特别适合于那些 CPU 密集型的 异步任务,因为是个假异步,当你 await 的时候,其实结果已经出来了,毕竟人家是纯内存操作,不和底层的驱动器打交道,速度自然相当快。

struct 在多线程模式下有很多种限制,如果用的不当,会有太多的潜在问题和不确定性,你可以想一想为啥 lock 锁中大多会用引用类型,而不是值类型,其实是一样的道理,所以它注定是一个高阶玩法,相信 95% 的朋友在项目开发中都不会用到,用用 Task 就好了,基本包治百病 😄😄😄

五:总结

从 ValueTask 要解决的问题上可以看出C#语言团队对高并发场景下的性能优化已经快走火入魔了,而且现有类库中 99% 的方法还是采用 Task,所以普通玩家还是老老实实的用 Task 吧,现实中还没有遇到在这个上面碰到性能瓶颈的,高能的还是留给高阶玩家吧!

更多高质量干货:参见我的 GitHub: dotnetfly

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