效能優化： ValueTask

1. 介紹

在動手寫 code 前，先用白話講清楚。記得在 .NET 裡建立一個物件（更別說一個 task）是要花記憶體跟一些 CPU 時間的嗎？現在想像一個非同步 API，半數情況下結果是立刻可用的（例如從快取拿），另一半情況下要去查資料庫，所以操作就變成真正的非同步，需要 Task。這種情況很常見——像檔案快取、網路 API、物件池以及其他那些「非同步但有時瞬間完成」的場景。

如果我們總是回傳 Task，即便結果是即時的，也得去建立不必要的物件。要是可以在結果已就緒時直接回傳結果而不要 Task 呢？這就是 ValueTask 誕生的理由。

事實： 標準的 Task.CompletedTask 和 Task.FromResult(…) 確實能節省執行時間，但它們會建立共享物件，對高負載場景不一定理想。

什麼是 ValueTask

ValueTask 是一個特殊的 struct 包裝器，它可以表示已就緒的結果，或者（如果操作是真正非同步的）包含一個 Task。簡單說，它是個「包裹」，裡面要麼是直接結果，要麼是指向 Task 的參考。

主要有兩種變體：

• ValueTask — 無回傳值（像 Task）
• ValueTask<TResult> — 包裝值（類似 Task<TResult>）

比較 Task 與 ValueTask

Task

ValueTask

ValueTask<T>

何時應用 ValueTask

有條黃金法則：如果你寫的非同步方法總是在某個 async 操作之後才回傳結果，就用 Task。簡單、安全，大家都懂。

當以下情況適合用 ValueTask：

• 結果可能同步可得（例如從快取、物件池或記憶體拿），你想省掉不必要的分配。
• 真正需要非同步的情況不常發生（否則代價會被結構複製與程式複雜度吃掉）。

注意！ 如果你總是回傳非同步結果——大膽用 Task。如果想讓 API 在常見的瞬時結果下「超優化」——考慮用 ValueTask。

2. 同步或非同步結果

看一個尋找使用者的函式範例。若使用者在快取裡就立刻回傳；若不在則從「資料庫」非同步載入：

// 模擬我們的使用者
public class User
{
    public string Name { get; set; }
}

// 我們的 cache（非常簡單）
private readonly Dictionary<string, User> _localCache = new();

public async ValueTask<User> FindUserAsync(string name)
{
    // 檢查本地快取
    if (_localCache.TryGetValue(name, out var user))
    {
        // 結果是同步的 — 不會分配 Task！
        return user;
    }

    // 這裡是假設的慢的非同步操作（例如從資料庫）
    user = await LoadUserFromDbAsync(name);
    // 放進快取以備未來使用
    _localCache[name] = user;
    return user;
}

private async Task<User> LoadUserFromDbAsync(string name)
{
    // 模擬延遲
    await Task.Delay(500);
    return new User { Name = name };
}

重要： 在快取命中時我們回傳的是普通結果——沒有 Task 分配！只有在必須「取得」結果時，才會建立非同步工作。

ValueTask 在內部是怎麼運作的

ValueTask 內部可能包含已就緒的值，或是一個 Task 的參考：

ValueTask result = ValueTask.CompletedTask;
ValueTask<int> valueResult = new ValueTask<int>(42);
ValueTask<int> valueResult2 = new ValueTask<int>(Task.Run(() => 42));

使用 await 時，編譯器會自動處理：如果結果是即時的，就不會建立多餘的物件。

關於 await 與 ValueTask 的重要事項

async 方法可以很好地與 await 和 ValueTask 搭配：

public async ValueTask PingAsync()
{
    // ...
    await Task.Delay(10);
}

但如果你把 ValueTask 實例儲存起來，想晚點再等它，請記住：不能 對同一個實例做多次 await。Task 可以被重複等待，ValueTask 則不行。

錯誤：對 ValueTask 重複 await

ValueTask<int> task = ComputeAsync();

// 這是可以的
int a = await task;

// 這是錯誤！同一個 ValueTask 實例不允許第二次 await：
// int b = await task; // 不行！

3. 重寫我們的 console 應用部分

假設我們正在做一個簡單的電子書閱讀器：部分文本已在快取、其餘的會非同步下載。用 ValueTask 實作一個取得書籍第一行的最佳化方法：

private readonly Dictionary<string, string> _bookCache = new();

public async ValueTask<string> GetFirstLineOfBookAsync(string title)
{
    if (_bookCache.TryGetValue(title, out var bookText))
    {
        var firstLine = bookText.Split('\n')[0];
        return firstLine;
    }

    // 假設這裡是非同步下載書籍
    var downloadedBook = await DownloadBookTextAsync(title);
    _bookCache[title] = downloadedBook;
    return downloadedBook.Split('\n')[0];
}

private async Task<string> DownloadBookTextAsync(string title)
{
    // 模擬延遲（例如從網路下載）
    await Task.Delay(1000);
    return $"Book: {title}\nThis is the first line.\nSecond line...";
}

這樣一來，當書已在快取時，ValueTask 可以省掉建立 Task。

4. 有用的細節

提示：何時不該使用 ValueTask

如果你的 API 永遠是非同步的（例如總是跟網路打交道）——就用 Task，比較簡單也更安全。

如何把 ValueTask 轉成 Task，以及反過來

有時 ValueTask 無法直接傳給需要 Task 的 API，這時用 .AsTask()：

ValueTask<int> valueTask = ComputeAsync();
Task<int> task = valueTask.AsTask();

若要從 Task 產生 ValueTask — 直接用 Task 建構 ValueTask：

Task<int> task = ComputeAsyncTask();
ValueTask<int> valueTask = new ValueTask<int>(task);

比較：ValueTask vs Task

Task

ValueTask

在現實中使用 ValueTask

public async ValueTask<string> GetMessageAsync(int id)
{
    if (_messageCache.TryGetValue(id, out var value))
        return value;

    var result = await LoadMessageFromDbAsync(id);
    _messageCache[id] = result;
    return result;
}

面試應答要點： 如果被問到如何進一步提升帶有快取的非同步 API 的效能——提到 ValueTask。

與 LINQ 及 IAsyncEnumerable<T> 的相容範例

想把 ValueTask 用在非同步 LINQ（IAsyncEnumerable<T>）時，.NET 是支援的（例如 ToListAsync 等方法）：

public async ValueTask<List<int>> GetPrimeNumbersAsync()
{
    // 假設部分數字已計算，部分是非同步產生
    // ...（範例為簡短省略）
    return new List<int> { 2, 3, 5, 7, 11 };
}

5. 結論與實作要點

1. 當大量時間內結果是立即可用（例如來自快取）時，使用 ValueTask 做優化。
2. 不要「隨便」用 ValueTask——會增加程式複雜度與錯誤機率。
3. 不要對同一個 ValueTask 做多次 await。需要多次等待就轉成 Task。
4. 與 Task 的相容性通常透過 .AsTask()。
5. 記住 ValueTask 是個 struct，複製時行為會不同，使用時要小心。

6. 使用 ValueTask 的常見錯誤

錯誤 №1：對同一個 ValueTask 實例重複 await。 ValueTask 是 struct，不能被 await 兩次。第二次 await 會導致例外或行為不正確。

錯誤 №2：在不了解相容性下使用 ValueTask。 有些第三方 API 需要 Task，直接傳遞 ValueTask 會出問題。

錯誤 №3：不必要地使用 ValueTask。 如果結果總是非同步的，使用 ValueTask 只會讓程式更複雜但沒有實際收益。

錯誤 №4：複製 ValueTask 結構。 被複製的 struct 在 await 時可能表現異常，要盡量操作原始實例。

2

任務

C# SELF, 等級 62, 課堂 2

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