Task和ValueTask ，真的学懵了！
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2020-11-12 13:22
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 : IEquatable>
{
}
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:\net5\ConsoleApp1\ConsoleApp2\Program.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);
}
}
}
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 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);
}
}
}
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！
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