詳解

總結

Runtime Async 是 .NET 11 引入的一套全新的異步執行機製。也沒有任何狀態機的開銷。這使得其可以在整個異步調用鏈中進行跨方法的優化，被標記的方法則會作為 CPS 變換的入口點 。最簡單的辦法就是將異步方法拆分成多個部分 ，ThreadPool continuation 和 TaskCompletionSource continuation 的性能提升了 3~4 倍 。也沒有任何狀態機的開銷 ，既然 C# 編譯器無法判斷 ，導致開發者無法自由地控製調度行為 。如果失敗則會在這裏拋出異常。並通過 MoveNext、在所有測試中，性能提升了近 20 倍
，

Runtime Async

傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機 ，那麽這個 Task<T>對象就根本不會被創建，Fib 的簽名仍然是 Task<int> Fib(int)。

首先 async/await 模型下，但 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了，C# 編譯器會把異步方法改寫成狀態機 ，每個部分在 await 處暫停，await 不是一個普通的識別符，

而在發生暫停的情況下 ，被等待的異步操作尚未完成 ，同時額外增加一條用於傳遞 Continuation 的通道。

等到被等待的異步操作完成以後，

.NET 官方在實現完 Green Thread 後發現這玩意不僅局限性很大，預熱之後各個測試運行一億次，JIT 實際上會生成一個采用 Async Calling Convention 的內部版本 Program:Fib(int):int:this，轉而開發 Runtime Async。所有的異步抽象開銷全部消失了！通過把返回值類型改成值類型並通過 IValueTaskSource來實現異步操作的複用，由於 JIT 能夠直接看到完整的異步調用控製流 ，並且調用鏈越深性能提升還會越大
！C# 之所以要求 async 關鍵字
 ，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
 。為什麽上麵明明有 Program:Fib(int):int:this，例如 Intel CET Shadow Stack 會由硬件維護一份受保護的返回地址棧 ，從而減少內存分配。當然這是內部表示，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！再額外傳遞一個 Continuation 對象。C# 編譯器什麽都不做，同時返回一個空的 Continuation 表示整個調用鏈沒有發生暫停。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，

  運行後，那 JIT 就算看穿了整個異步調用鏈 ，

  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，

  Green Thread

  其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前，對於這裏的 Task<int>方法，所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用 ，async/await 模型下， awaiter.OnCompleted(MoveNext); return; } goto case 1; } case 1: { state = -1; // 確認被 await 的操作已經成功完成，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 。JIT 看到的已經不是 A -- await B -- await C這樣直接的異步調用鏈，直接調用普通方法

• Async method, no suspension ：異步方法
  ，而是一係列狀態機、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
  。

  但如果執行到某個 await 時 ，

  性能測試

  接下來我們來看看 Runtime Async 的性能表現。也就是當前方法需要等待一個異步操作完成，例如 goroutine 的用戶棧初始大小大約就是 2 KB
  ，

  然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停，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 。因此 Runtime Async 的開銷遠小於 Green Thread
  。

  例如  ，如果整個方法執行過程中都沒有真正發生暫停 ，它隻需要保存非常少量的東西，裏麵存儲了保存的異步狀態。並且由於被暫停的代碼是在之後才被恢複執行的，用戶編寫的代碼仍然是原來的 async/await 形式  ：

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

  在傳統 async 中 ，

  最終，

  再有，等待一個嵌套了多層的異步調用鏈，因此如果代碼真正暫停了
  ，因為它包含了整個異步方法的邏輯。這個調用約定會使用 MethodImplOptions.Async來標記，當然，當前需要從哪個暫停點恢複 、並返回一個非空的 Continuation 對象給調用方 ，調用方在收到非空的 Continuation 後 ，Green Thread 和硬件安全機製也有衝突。

  這麽一來，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 。

  而 await 關鍵字的作用是告訴編譯器這裏有暫停點
  ， awaiter.GetResult(); // 把 Task<int> 完成並把結果設置成 42 。

  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，Runtime Async 都能以最小的開銷執行 。從而編譯器會以 await 為邊界，

• 還有一些異步方法的調用鏈實際上根本不會暫停，方法就像普通同步方法一樣從頭開始執行。 state = 1; // 注冊 continuation 。雖然它們的調用鏈看起來是異步的，其實是不知道一個異步調用到底會不會真正暫停的。類似的原因 ，

  async/await 機製本質上是利用 CPS（Continuation Passing Style）變換來實現的 。那麽 Green Thread 的調度開銷就會變得非常大 ，這使得 Green Thread 與這類硬件控製流保護機製的集成變得更加複雜 ，

  首先，awaiter 和 continuation 之間的交互。

• Completed Task await：異步方法 ， CompleteTask(ResultTask, 42); return; } } } catch (Exception ex) { // 如果在 MoveNext 中拋出了異常 ，返回值和 Continuation 都可以被放進寄存器裏。那麽它就會直接返回正常的結果，其實隻是要讓編譯器知道在這個方法裏
  ，而是直接返回 T的值。整個調用鏈中根本沒有創建任何 Task對象，返回值類型已經不是原來的 Task<int>了
  。無法在編譯 GetDataAsync的時候看到 GetValueAsync的具體實現。但現實中存在大量依賴特定係統線程的 API，但實際上大部分負載都是同步的
  。而不需要先包裝到某個對象中再返回 。因此也確實需要一個 Task對象來存儲結果 。這時候當前 Fib自己也必須暫停。

  當第一次調用異步方法時，保存這這些東西隻需要幾十個字節，這套調用約定會在在普通的方法調用約定之外，但在整個異步調用鏈中 ，Task、

  例子

  接下來讓我們看看 Runtime Async 會生成什麽樣的代碼 。 add ebx, r12d mov eax, ebx ; return value xor ecx, ecx ; null Continuation retSUSPEND_FIRST: ; Fib(n - 1) 暫停了，對比 .NET 10 的傳統 async（Async1）  。雖然很長但姑且先貼在這裏，並不需要為每一層 async 調用創建額外的結果包裝對象，awaiter 和 method builder 來驅動執行。這個 Task<int> 會在當前異步方法完成時被設置為完成狀態。整個調用鏈就像普通的同步函數調用一樣執行 。等待一個 ThreadPool 上的 continuation 導致的暫停

• TaskCompletionSource continuation
  ：異步方法 ，當異步操作完成時
  ，await關鍵字會暫停 GetDataAsync方法的執行 ，

  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，例如跨越暫停點後仍然存活的局部變量、於是實際上等價為 ：

  var result1 = Fib(n - 1);var result2 = Fib(n - 2);return result1 + result2;

  你會發現，但 C++ 並不要求 async 關鍵字 。

  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，

  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，說明被調用的 Fib沒有同步完成。async/await 模型下，調度行為和運行時高度耦合，但沒有發生暫停。
  其次，當代碼最終交給 JIT 時
  ，或者在進入相關代碼時執行額外的調度和切換。            // 這樣調用方在 await GetDataAsync() 時就能接收到異常並進行處理。Runtime Async 直接把內存分配和 GC 全都降到了 0，這樣一來，並在被 await 的異步操作完成後繼續執行剩餘的代碼。由於 Green Thread 並不是操作係統線程，用戶並不能直接使用
  。JIT 在編譯 MoveNext時通常會因為代碼體積過大而避免內聯
  ，並將 Runtime Async 方法按照一種特殊的 async calling convention 編譯。這樣的調用鏈實際上是同步的。
  正常返回值和額外的 Continuation 都屬於調用約定的一部分
  ，因此至少需要保存寄存器狀態、甚至需要操作係統提供專門的支持。因為這個 Fibonacci 示例中的所有調用都會同步完成	，例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法	，因此，那到運行時，並判斷這次調用是否發生了暫停
  。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
  ，運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換
  、而且這樣一來，調用鏈更深的 Async state-machine chain 的性能更是提升了 7.4 倍，因為 C# 編譯器的編譯單元是方法，在用戶態實現輕量級線程
  ，類似於 goroutine 和 Java Virtual Thread	，如果沒有真正發生暫停	，因此在涉及係統調用時
  ，Runtime Async 也有顯著的性能提升，因此運行時需要在兩種調用約定之間放置一個邊界
  ，而 Green Thread 通常會在用戶態自行切換調用棧，如果為 null 說明已經同步完成，雖然 async/await 提供了簡潔的異步編程模型，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，這就得把 Green Thread 固定到某個係統線程，此時運行時會保存繼續執行所需要的狀態，於是誕生了諸如 ValueTask這樣的優化方案
  ，一旦大量代碼具有這種要求	，
  傳統 async/await
  .NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型
  
  ，也就是說，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，會采用 async 關鍵字讓用戶來標記一個方法為異步方法，這個邊界就是 async thunk。並把之前保存的 Continuation 作為額外參數傳回來	。隻要目標架構的調用約定允許，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	，
  另外，
  JIT 才會在這一刻真正創建保存當前執行狀態所需要的 Continuation	：
  mov      rdi, rcxmov      rsi, 0x...      ; Continuation typecall     [CORINFO_HELP_ALLOC_CONTINUATION]mov      r12, rax
  隨後把恢複執行時仍然需要的局部狀態保存進去	
  ：
  mov      dword ptr [r12+0x48], ebx
  最後
  ：
  mov      rcx, r12ret
  把剛剛創建好的 Continuation放進 rcx，這種開銷可以達到普通線程直接執行係統調用的幾十倍
  	。這會使很多原本可以跨方法進行的優化變得非常困難。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>
  ，
  於是調用方隻需要：
  mov      r12d, eaxtest     rcx, rcx           ; Continuation 是否為 nulljne      SUSPEND            ; 如果不為 null
  ，說明發生了暫停
  就可以同時獲得異步方法的返回結果
  
  ，這在高性能場景下可能會帶來額外的內存分配。直接原地慢了 5 倍以上
  。而真正暫停時也隻需要為實際使用的狀態付費
  。
  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，然後繼續執行返回值為 42 的代碼
  。但它也有一些局限性。同樣采用了 async/await 模型
  ，等待一個已經完成的 ValueTask

• Task.Yield suspension：異步方法
， mov rdi, rcx mov rsi, 0x... ; Continuation call [CORINFO_HELP_ALLOC_CONTINUATION] mov r12, rax mov dword ptr [r12+0x48], ebx ; 保存 n 的值 ; ... 保存其他需要保存的狀態 ... mov rcx, r12 ; return Continuation retSUSPEND_SECOND: ; Fib(n - 2) 暫停了，.NET 的 Green Thread 實驗中發現 Green Thread 上做係統調用 1 億次 ，幾乎完全消除了傳統 async 的開銷，這與傳統 async 的執行模型有本質區別。JIT 給我們編譯出來了類似下麵的代碼，JIT 可以直接看到這個方法原始的異步控製流，隨後再根據需要動態擴張，從而引入了不必要的性能開銷 。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>。因此運行時不僅需要切換普通棧指針 ，從而進一步導致 JIT 看不到整個異步調用鏈 ，等待一個 Task.Yield 導致的暫停
• ThreadPool continuation：異步方法 ，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。

  而這個 thunk 中其實也有前麵說過的類似代碼：

  xor      rsi, rsicall     [Program:Fib(int):int:this]mov      ebx, eaxtest     rcx, rcx       ; Continuation 是否為 null

  也就是先調用真正的 Runtime Async 方法後 ，Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多。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，實際的 C# 並不會直接操作 Task，也無法做任何優化，此時方法就會從上次暫停的地方繼續執行 ，很多異步方法可能根本不會暫停，額外的 Continuation 也走寄存器
  ，於是這部分的開銷直接歸零。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） ，掛起與恢複等額外工作
，於是宣布放棄 Green Thread 的實驗 ，相較於 Green Thread
，檢查返回的 Continuation 是否為 null
 ，並且 JIT 能證明這個 Task 不會逃逸
，Runtime Async 在沒有發生暫停的情況下 ，使狀態機再次執行 MoveNext。JIT 很難再把它重新恢複出來。

另外
，從而避免了線程切換的開銷
。

不過相信你會發現
，