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在 .NET 的世界裡，從 .NET Framework 4.0 問世之前，你只能使用 Thread、APM (Asynchronous Programming Model) 或 EAP (Event-based Asynchronous Pattern) 開發非同步程式碼，其實對不熟悉非同步開發的人來說，是有一點小小的進入門檻。但從 .NET Framework 4.0 開始推出的 TAP (Task-based Asynchronous Pattern) 這種以 Task 為基礎的非同步模式，不但可以透過 async/await 大幅簡化非同步開發的思維模式，還能產生更容易閱讀、好維護的程式碼。今天這篇文章，我將介紹 .NET Core 2.0 搭配 C# 7.0 推出的一個 ValueTask<TResult> 結構，並說明他跟 Task<TResult> 類別的不同之處！

注意: ValueTask<TResult> 只能用在 .NET Core / .NET 的應用程式中，若你用 .NET Framework 是找不到這個型別的。

效能差異

首先，這兩個型別有個本質上的差異：

1. Task<TResult> 類別

   所有的類別(class)都是一種參考型別 (Reference Type)，這意味著，當你在執行一個標示 async 的非同步方法時，若該方法會透過 Task<TResult> 物件立即回應一個值，你就必須先在 Heap 記憶體中先將 Task 物件保存，然後再將該物件的記憶體位址參考放入 Stack 記憶體中，而最後保存在變數中的資料其實是該物件的記憶體位址參考。因此，你要透過 Task 物件取得執行結果時，會有一點點點點的額外開銷(overhead)。

2. ValueTask<TResult> 結構

   所有的結構(struct)都是一種實質型別 (Value Type)，這意味著，當你在執行一個標示 async 的非同步方法時，若該方法會透過 ValueTask<TResult> 物件立即回應一個值，由於是實質型別的關係，這個 ValueTask<TResult> 物件會直接儲存在 Stack 記憶體中進行操作。簡單來說，就是記憶體操作的效率比較好！

有這麼好的東西，怎麼不用爆？正所謂理想很豐滿，現實很骨感，為了能夠理解「理想」與「現實」的差距，我們肯定要來效能比較一下！

我使用 BenchmarkDotNet 來評比一下彼此之間的效能差異：

#LINQPad optimize+     // Enable compiler optimizations

void Main()
{
    Util.AutoScrollResults = true;
    BenchmarkRunner.Run<TaskAndValueTaskComparsion>();
}

[ShortRunJob]
public class TaskAndValueTaskComparsion
{
    [Benchmark]
    public ValueTask<int> RunValueTaskWithNew()
    {
        return new ValueTask<int>(1);
    }

    [Benchmark]
    public Task<int> RunTaskFromResult()
    {
        return Task.FromResult(1);
    }
}

結果效能評比的結果竟然是 Task<int> 幾乎完勝 ValueTask<int> 耶，意思也就是說，使用 ValueTask<int> 並沒有比較快啊！🔥

驚不驚喜？意不意外？😆

老實說，我認真覺得要學好非同步程式開發不是一件很容易的事，在非同步的世界裡，有太多的變因(或迷因?)，有時候會因為硬體環境、軟體設定不同，就會有截然不同的執行結果，以致於許多人在研讀龐大文件時，經常無法有效的吸收知識，更嚴重的就是建立了錯誤的觀念而不自知。在多執行緒的執行環境下，有很多觀念需要事先建立，你才有辦法好好的、正確的思考，也才有辦法舉一反三，做出正確的非同步設計決策。也因此我設計了 C# 開發實戰：非同步程式開發技巧 這堂課程，用兩天的時間，幫助你徹底搞懂 .NET 的非同步程式開發技巧！👍

我從 ValueTask<TResult> 官方文件看到以下說明：

As such, the default choice for any asynchronous method should be to return a Task or Task<TResult>. Only if performance analysis proves it worthwhile should a ValueTask<TResult> be used instead of a Task<TResult>. The non generic version of ValueTask is not recommended for most scenarios. The CompletedTask property should be used to hand back a successfully completed singleton in the case where a method returning a Task completes synchronously and successfully.

簡單翻譯一下重點知識：

1. 所有非同步方法都應該使用 Task 或 Task<TResult> 當作非同步方法的預設回傳型別。

   所以並不是什麼程式都可以用 ValueTask<TResult> 啦！

2. 除了有明確的數據證明用 ValueTask<TResult> 的效能比 Task 好，你才去用，否則不要！

   換句話說，背後原理很複雜，我不想跟你說這麼多，真的有數據證明效能 ValueTask<TResult> 比較快你才考慮用看看。

3. 非泛型的 ValueTask 在大多數情境下都是不建議使用的。

   雖然還是有個 ValueTask.CompletedTask 屬性可用，但你只會用在只想設定非同步工作完成的情境。

好吧！回歸正題！為什麼 Task<int> 幾乎完勝 ValueTask<int> 呢？這不合理啊！沒錯，確實不合理，我們來看一下 Task.FromResult 的原始碼，當設定非同步結果的物件屬於 實質型別 (Value Type) 的時候，他會對一些常見的數值設定 Task 快取 (TaskCache.cs)，所以上述的效能評比並不公平，因為 Task<TResult> 的結果完全都被快取起來了！🔥

當使用 Task.FromResult() 的時候，預設 Int32 的結果只要介於 -1 ~ 9 之間，都會自動回應快取的 Task 版本！🔥

我們重新修改一下測試程式：

#LINQPad optimize+     // Enable compiler optimizations

void Main()
{
    Util.AutoScrollResults = true;
    BenchmarkRunner.Run<TaskAndValueTaskComparsion>();
}

[ShortRunJob]
public class TaskAndValueTaskComparsion
{
    [Benchmark]
    public ValueTask<int> RunValueTaskWithNew()
    {
        return new ValueTask<int>(10);
    }

    [Benchmark]
    public Task<int> RunTaskFromResult()
    {
        return Task.FromResult(10);
    }
}

評測結果如下：

這個結果終於沒那麼毀人三觀了！ 😄🤟

使用 ValueTask 的限制

使用 ValueTask<TResult> 有許多限制條件，只要你無法接受這些限制，建議就不要用了：

1. 你不能在一個 ValueTask<TResult> 物件上使用 await 等待兩次以上！

2. 你不能在一個 ValueTask<TResult> 物件上使用 .AsTask() 兩次以上！

3. 如果你的 ValueTask<TResult> 還沒有跑出結果就執行 .Result 或 .GetAwaiter().GetResult() 的話，是掛掉的！

   因為 IValueTaskSource / IValueTaskSource<TResult> 的實作不支援 blocking 操作，因此不能在 ValueTask<TResult> 尚未完成之前進行任何 blocking 的操作。

4. 如果你的 ValueTask<TResult> 執行了兩次以上 .Result 或 .GetAwaiter().GetResult() 的話，是掛掉的！

5. 上述所有的使用方式只要用超過一次都會掛掉！

上述任何一點限制你無法接受，就不要用！

使用 ValueTask 的時機

以下是我個人認為使用的 ValueTask 時機點，僅供大家參考：

1. 如果你可以接受 ValueTask 的使用限制，才考慮用 ValueTask<TResult> 來實現，否則就用 Task<TResult> 即可。

2. 如果你的非同步方法可以預期的很快會執行完畢，可以考慮用 ValueTask<TResult> 來實現。

3. 如果你的非同步方法中可能會混用「同步」與「非同步」的執行模式，也意味著在「同步」執行時為了擁有更好的效率，那麼可以考慮用 ValueTask<TResult>，但請記得做好效能分析，讓數據說話。

   這裡有個很簡單的例子如下：

   public async Task<bool> MoveNextAsync()
   {
       if (_bufferedCount == 0)
       {
           await FillBuffer();
       }
       return _bufferedCount > 0;
   }
   

   這個 MoveNextAsync() 非同步方法，在沒有 Buffer 的時候，會需要執行另一個非同步方法，但是在有 Buffer 的時候，卻可以直接回傳結果 (同步執行)。這種情境下，最適合將非同步方法改用 ValueTask<TResult> 來回傳，記憶體使用率較佳，且執行速度也較快！

   public async ValueTask<bool> MoveNextAsync()
   {
       if (_bufferedCount == 0)
       {
           await FillBuffer();
       }
       return _bufferedCount > 0;
   }
   

4. 如果你在一個物件中有一個或多個 Task<TResult> 欄位(Field)時，你在變數之間複製的時候，若改用 ValueTask<TResult> 將會導致複製過多的資料，會比較耗用記憶體，所以使用上需要考量一下。老話一句，讓數據說話，效能評測過再說。

   由於 ValueTask<TResult> 屬於「實質型別」，因此你沒辦法快取這個物件，如果你想快取 ValueTask<TResult> 的話，可以考慮使用 ValueTask<TResult>.AsTask() 方法，將物件轉回 Task<TResult> 型別，參考型別就很容易快取了！

使用 new ValueTask<T>() 或 ValueTask.FromResult<T>()

我分析了一下 dotnet/aspnetcore 的所有原始碼，我發現這兩種語法都用蠻多的：

• new ValueTask<T>()

  public ValueTask<ChannelReader<int>> StreamChannelReaderValueTaskAsync()
  {
      var channel = Channel.CreateUnbounded<int>();
      channel.Writer.Complete();
  
      return new ValueTask<ChannelReader<int>>(channel);
  }
  

• ValueTask.FromResult<T>()

  public ValueTask<ChannelReader<int>> StreamChannelReaderValueTaskAsync()
  {
      var channel = Channel.CreateUnbounded<int>();
      channel.Writer.Complete();
  
      return ValueTask.FromResult<ChannelReader<int>>(channel);
  }
  

我也去查了一下 ValueTask.cs L119 原始碼，這兩種寫法根本沒有差異，但是用 ValueTask.FromResult<T>() 我覺得可讀性比較好，但用 new ValueTask<T>() 可以少一次 Method Call 方法呼叫。客官就自己選擇吧，我自己是選 ValueTask.FromResult<T>() 啦！ 🤟

/// <summary>Creates a <see cref="ValueTask{TResult}"/> that's completed successfully with the specified result.</summary>
/// <typeparam name="TResult">The type of the result returned by the task.</typeparam>
/// <param name="result">The result to store into the completed task.</param>
/// <returns>The successfully completed task.</returns>
public static ValueTask<TResult> FromResult<TResult>(TResult result) =>
    new ValueTask<TResult>(result);

相關連結

• Understanding the Whys, Whats, and Whens of ValueTask - .NET Blog
• Task<TResult> Class (System.Threading.Tasks) | Microsoft Docs
• ValueTask<TResult> Struct (System.Threading.Tasks) | Microsoft Docs
• C# Language Tutorial => ValueTask<T>
• c# - Is there a ContinueWith for ValueTask? - Stack Overflow
• C# Language Highlights: ValueTask (Video)
• When to use ValueTask instead of Task and save precious memory in C# - YouTube
• Task vs ValueTask: When Should I use ValueTask? - Brian Lagunas