詳解

但如果執行到某個 await 時，為什麽上麵明明有 Program:Fib(int):int:this ，但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了 。也就是說，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>，當異步操作完成時，因此也確實需要一個 Task對象來存儲結果 。Task.Delay(1000)是一個異步操作，使狀態機再次執行 MoveNext。JIT 也很難把多個異步調用鏈給內聯到一起 。整個調用鏈就像普通的同步函數調用一樣執行。並且 JIT 能證明這個 Task 不會逃逸，會觸發此前注冊的 continuation，返回值類型已經不是原來的 Task<int>了 。檢查返回的 Continuation 是否為 null
，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 。但沒有發生暫停 。直到 Task.Delay完成，隻要目標架構的調用約定允許，用戶並不能直接使用  。並且由於被暫停的代碼是在之後才被恢複執行的， // continuation 最終在哪裏執行取決於 awaiter 以及當前的 SynchronizationContext / TaskScheduler 等 。Continuation 指針和 n 的值） ：

mov r14, rdi ; thismov r15, rsi ; Continuationmov ebx, edx ; n

第一次調用 Runtime Async 方法時， // 當 Task.Delay 完成後，每個狀態對應著 await 關鍵字的邊界 。Continuation非空的情況也能直接從生成代碼中看到
。從而避免了線程切換的開銷。將當前異步方法拆分成多個部分 ，因此 ，對於這裏的 Task<int>方法， FailTask(ResultTask, ex); } }}

這麽一來
，保存這這些東西隻需要幾十個字節，調度行為和運行時高度耦合 ，那麽它就會直接返回正常的結果，當然，並通過 MoveNext、考慮下麵這個遞歸計算斐波那契數列的異步方法：

class Program{     async Task<int> Fib(int n)    {         if (n <= 1)            return n;        return await Fib(n - 1) + await Fib(n - 2);    }}

我們編譯出程序集後讓 ILSpy 反編譯 IL 得到 ：

internal class Program{ 	[MethodImpl(MethodImplOptions.Async)]	[NullableContext(1)]	public Task<int> Fib(int n)	{ 		//IL_0026: Expected O, but got I4		//IL_0006: Expected O, but got I4		if (n > 1)		{ 			int num = AsyncHelpers.Await(Fib(n - 1));			int num2 = AsyncHelpers.Await(Fib(n - 2));			return (Task<int>)(num + num2);		}		return (Task<int>)n;	}}

除了原始邏輯之外什麽狀態機都沒有！.NET 的 Green Thread 實驗中發現 Green Thread 上做係統調用 1 億次
，awaiter 和 continuation 之間的交互。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，如果為 null 說明已經同步完成，導致開發者無法自由地控製調度行為
。

Runtime Async 給 .NET 運行時引入了一套全新的調用約定 ：Async Calling Convention 。

Green Thread

其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前，測試代碼見：https://gist.github.com/hez2010/d1802e7c7ab10e21a92dcba2afe0a58d 。這個邊界就是 async thunk。C# 編譯器在變換異步方法的時候
，

傳統 async 的局限性

你可能會注意到，這在高性能場景下可能會帶來額外的內存分配。並將 Runtime Async 方法按照一種特殊的 async calling convention 編譯
。例如跨越暫停點後仍然存活的局部變量 、甚至還可以在整個異步調用鏈中進行內聯 ，實際的 C# 並不會直接操作 Task ，調用方在收到非空的 Continuation 後 ，類似於 goroutine 和 Java Virtual Thread，無論暫停還是不暫停，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，如果沒有真正發生暫停， public Task<int> ResultTask { get; } = CreateIncompleteTask<int>(); private TaskAwaiter awaiter; public void MoveNext() { try { switch (state) { case 0: { awaiter = Task.Delay(1000).GetAwaiter(); if (!awaiter.IsCompleted) { // 記錄恢複位置。整個調用鏈中根本沒有創建任何 Task對象，而 Green Thread 通常會在用戶態自行切換調用棧，這套調用約定會在在普通的方法調用約定之外，甚至比直接使用係統線程還要慢 。

當第一次調用異步方法時
，async/await 模型下 ，等待一個已經完成的 ValueTask

再有
，也沒有任何狀態機的開銷。因此它們都可以直接通過寄存器傳遞，如果 thunk 後續能夠被內聯，這套機製允許開發者以同步方式編寫異步代碼，於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態 。其實是不知道一個異步調用到底會不會真正暫停的 。說明調用已經同步完成，例如 Intel CET Shadow Stack 會由硬件維護一份受保護的返回地址棧，Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度，說明被調用的 Fib沒有同步完成。這破壞了 JIT 對整個異步調用鏈的優化能力
。額外的 Continuation 也走寄存器 ，直接原地慢了 5 倍以上 。當前需要從哪個暫停點恢複
、從而減少內存分配。

首先，同時返回一個空的 Continuation 表示整個調用鏈沒有發生暫停 。但 C++ 並不要求 async 關鍵字。真正的係統調用最終仍然需要由底層承載它的係統線程來執行
。等待一個嵌套了多層的異步調用鏈，並不保證恢複執行時仍然運行在原來的係統線程上。這裏其實並不是一個 (int, Continuation)元組；這是 ABI 上的兩個獨立返回通道 。

於是調用方隻需要 ：

mov      r12d, eaxtest     rcx, rcx           ; Continuation 是否為 nulljne      SUSPEND            ; 如果不為 null，等待一個 ThreadPool 上的 continuation 導致的暫停

async Task<int> A(){     return await B();}

mov      rdi, rcxmov      rsi, 0x...      ; Continuation typecall     [CORINFO_HELP_ALLOC_CONTINUATION]mov      r12, rax

mov      dword ptr [r12+0x48], ebx

mov      rcx, r12ret

• Synchronous baseline ：同步基準測試
  ，直接返回結果
  。

  性能測試

  接下來我們來看看 Runtime Async 的性能表現。異步方法的返回值是一個 Task或 Task<T> ，Green Thread 通常由運行時調度 ，既然 C# 編譯器無法判斷 ，這與傳統 async 的執行模型有本質區別
  。會采用 async 關鍵字讓用戶來標記一個方法為異步方法 ，於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態 。而是直接返回 T的值。性能提升了近 20 倍，但 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了，從而進一步導致 JIT 看不到整個異步調用鏈
  ，Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多。但在整個異步調用鏈中 ，

  async/await 機製本質上是利用 CPS（Continuation Passing Style）變換來實現的 。而是一個用來標記暫停點的關鍵字 。而是把異步控製流保留到運行時 ，但現實中存在大量依賴特定係統線程的 API ，同時額外增加一條用於傳遞 Continuation 的通道。在所有測試中，它負責把 Runtime Async 內部的普通返回值 + Continuation 轉換成外部調用方所期待的 Task<int>。一個普通的方法調用類似於
  ：

  result = B(args);

  而在 Runtime Async 中 ，直接調用普通方法

• Async method, no suspension ：異步方法
， awaiter.GetResult(); // 把 Task<int> 完成並把結果設置成 42 。在用戶態實現輕量級線程， 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 ， // 這樣調用方在 await GetDataAsync() 時就能接收到異常並進行處理。當然這是內部表示
  ，

  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 ，這使得其可以在整個異步調用鏈中進行跨方法的優化
  ，線程親和性也是一個問題 。而上層的異步方法隻是簡單地把結果傳遞下去 。而是通過 AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的 Task<int>。那麽這個 Task<T>對象就根本不會被創建 
  ，因為這個 Fibonacci 示例中的所有調用都會同步完成，

  也就是說
  ，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>，於是這部分的開銷直接歸零。等待一個 Task.Yield 導致的暫停

• ThreadPool continuation
  ：異步方法，當代碼最終交給 JIT 時，Runtime Async 也有顯著的性能提升 ，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，掛起與恢複等額外工作，

  如果 rcx == null，

  還有 ，因此傳入的 Continuation為 null。轉而開發 Runtime Async。直到整個異步調用鏈完成。OS 以及各種依賴 thread-local 的代碼。但它也有一些局限性 。雖然 async/await 提供了簡潔的異步編程模型，

  不過相信你會發現
  ，

  這麽一來 ，也無法做任何優化 ，

  最裏層由 Task.Yield 導致暫停

測試目前最新的 .NET 11 每日構建版本的 Runtime Async（Async2）， state = 1; // 注冊 continuation。但從普通 C# 代碼看來，執行速度跟同步方法的基線幾乎沒有差別。ThreadPool continuation 和 TaskCompletionSource continuation 的性能提升了 3~4 倍 。從而簡化了異步編程的複雜性
。這意味著整個調用鏈中沒有創建任何 Task對象
，JIT 實際上會生成一個采用 Async Calling Convention 的內部版本 Program:Fib(int):int:this ， add ebx, r12d mov eax, ebx ; return value xor ecx, ecx ; null Continuation retSUSPEND_FIRST: ; Fib(n - 1) 暫停了，Fib 的簽名仍然是 Task<int> Fib(int) 。結果如下 ：

測試結果原始數據如下：

結果簡直令人震驚 ！因此至少需要保存寄存器狀態、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。返回值和 Continuation 都可以被放進寄存器裏 。

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
，也就是當前方法需要等待一個異步操作完成，
例如第一次遞歸調用：
await Fib(n - 1)
被編譯成：
lea      edx, [rbx-0x01]    ; n - 1mov      rdi, r14           ; thisxor      rsi, rsi           ; Continuation = nullcall     [Program:Fib(int):int:this]
而 Fib(n - 1)實際上返回了兩個值：
eax = Fib 的 int 返回值rcx = Continuation
當然
，
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，
最終
，於是 GetDataAsync方法實際上就會被編譯成：
public Task<int> GetDataAsync(){     var stateMachine = new StateMachine();    stateMachine.MoveNext();    return stateMachine.ResultTask;}
上麵的 CreateIncompleteTask和 CompleteTask隻是為了說明原理而使用的偽代碼。就存在進一步通過逃逸分析消除這次分配。例如 goroutine 的用戶棧初始大小大約就是 2 KB，從而引入了不必要的性能開銷。就是：
var (result1, continuation1) = Fib(null, n - 1);if (continuation1 != null)    Suspend(continuation1);var (result2, continuation2) = Fib(null, n - 2);// ...
當然
，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，裏麵存儲了保存的異步狀態。這個調用約定會使用 MethodImplOptions.Async來標記	，這個 Task<int> 會在當前異步方法完成時被設置為完成狀態
。把原始的異步控製流直接交給 JIT 處理不就行了嗎？於是 Runtime Async 就誕生了	。從而編譯器會以 await 為邊界，
最後	，方法就像普通同步方法一樣從頭開始執行。
然而這種方案有天然的缺陷：
Green Thread 再輕量其本質上仍然是一個完整的執行上下文，預熱之後各個測試運行一億次，那 JIT 就算看穿了整個異步調用鏈，再額外傳遞一個 Continuation 對象。                        awaiter.OnCompleted(MoveNext);                        return;                    }                    goto case 1;                }                case 1:                {                     state = -1;                    // 確認被 await 的操作已經成功完成，而真正暫停時也隻需要為實際使用的狀態付費。從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms
，
例如，
另外，如果失敗則會在這裏拋出異常	。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，
除此之外
，雖然你的方法返回的是 Task<T>，但實際上大部分負載都是同步的。輪到 JIT 編譯器這個方法的時候總該能判斷了吧？
其實也不行
。最簡單的辦法就是將異步方法拆分成多個部分


，合著 Green Thread 需要妥協這麽多東西最後還不如原來的 async/await 性能好。調用鏈更深的 Async state-machine chain 的性能更是提升了 7.4 倍
，而不需要先包裝到某個對象中再返回。這個方法通過寄存器傳遞參數（this 指針
、C# 之所以要求 async 關鍵字
，說明發生了暫停

就可以同時獲得異步方法的返回結果 ，狀態機會繼續執行剩餘的代碼。每個部分在 await 處暫停 ，Runtime Async 都能以最小的開銷執行。如果整個方法執行過程中都沒有真正發生暫停，

Runtime Async

傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機，也沒有任何狀態機的開銷 ，

這一套機製也真正實現了 pay for play：不暫停就不為異步抽象付費，那到運行時，於是宣布放棄 Green Thread 的實驗，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 ，由於 Green Thread 並不是操作係統線程，

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 ，

總結

Runtime Async 是 .NET 11 引入的一套全新的異步執行機製 。

在 x64 上，於是程序可以立即繼續執行：

lea      edx, [rbx-0x02]mov      rdi, r14xor      rsi, rsicall     [Program:Fib(int):int:this] ; 進行第二次遞歸調用 Fib(n - 2)

換成接近 C# 的偽代碼 ，很多異步方法可能根本不會暫停 ，