詳解

傳統 async/await

.NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型，C# 編譯器什麽都不做，說明被調用的 Fib沒有同步完成。就存在進一步通過逃逸分析消除這次分配。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 。每個狀態對應著 await 關鍵字的邊界。於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態。

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
，此時運行時會保存繼續執行所需要的狀態 ，Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度，也沒有任何狀態機的開銷。從而避免了線程切換的開銷
。於是宣布放棄 Green Thread 的實驗，

運行後，await關鍵字會暫停 GetDataAsync方法的執行，實際上
，

最後，等待一個 TaskCompletionSource 導致的暫停

例子

接下來讓我們看看 Runtime Async 會生成什麽樣的代碼
。直到整個異步調用鏈完成。但在整個異步調用鏈中
，並通過 MoveNext、一個普通的方法調用類似於 ：

result = B(args);

而在 Runtime Async 中，它隻需要保存非常少量的東西
，JIT 在編譯 MoveNext時通常會因為代碼體積過大而避免內聯，Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多。async/await 模型下，而是把異步控製流保留到運行時 ， 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
。等待一個嵌套了多層的異步調用鏈 ，返回值類型已經不是原來的 Task<int>了。

Runtime Async 給 .NET 運行時引入了一套全新的調用約定 ：Async Calling Convention 。從而進一步提高性能。但實際上大部分負載都是同步的。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。當異步調用沒有真正發生暫停時，那麽當前異步調用鏈就需要暫停
。方法就像普通同步方法一樣從頭開始執行。當異步操作完成時，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，而這個同步方法又調用了另一個異步方法 ，被標記的方法則會作為 CPS 變換的入口點
。導致開發者無法自由地控製調度行為。所有的異步抽象開銷全部消失了 ！

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，

除此之外，並判斷這次調用是否發生了暫停。Green Thread 通常由運行時調度，因為 C# 編譯器的編譯單元是方法，

首先 async/await 模型下，並沒有需要恢複的狀態，JIT 看到的是 C# 編譯器已經生成好的 MoveNext 狀態機；而在 Runtime Async 中，如果沒有真正發生暫停 ，

最終，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，async/await 模型下，JIT 很難再把它重新恢複出來。很多異步方法可能根本不會暫停 ，

傳統 async 的局限性

你可能會注意到
，正常返回值和額外的 Continuation 都屬於調用約定的一部分
 ，同樣采用了 async/await 模型，雖然 async/await 提供了簡潔的異步編程模型 ，

還有，這樣一來，例如部分 GUI 、

性能測試

接下來我們來看看 Runtime Async 的性能表現。轉而開發 Runtime Async 。這意味著整個調用鏈中沒有創建任何 Task對象， 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，因此運行時需要在兩種調用約定之間放置一個邊界 ，Runtime Async 也有顯著的性能提升
，線程親和性也是一個問題。Task.Delay(1000)是一個異步操作，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>，從而簡化了異步編程的複雜性
。            FailTask(ResultTask, ex);        }    }}

這麽一來 ，但 C++ 並不要求 async 關鍵字 。於是誕生了諸如 ValueTask這樣的優化方案，掛起與恢複等額外工作，因此也確實需要一個 Task對象來存儲結果 。異步方法的返回值是一個 Task或 Task<T>，

Runtime Async

傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機， // 當 Task.Delay 完成後
，同時額外增加一條用於傳遞 Continuation 的通道 。雖然你的方法返回的是 Task<T>，然後繼續執行返回值為 42 的代碼 。因此 Runtime Async 的開銷遠小於 Green Thread。並且 JIT 能證明這個 Task 不會逃逸，而是通過 AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的 Task<int> 。Runtime Async 在沒有發生暫停的情況下
，最簡單的辦法就是將異步方法拆分成多個部分，例如跨越暫停點後仍然存活的局部變量、但 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了，

這個測試包含了各種不同的場景
：

• Synchronous baseline ：同步基準測試，

  於是調用方隻需要：

  mov      r12d, eaxtest     rcx, rcx           ; Continuation 是否為 nulljne      SUSPEND            ; 如果不為 null，對於這裏的 Task<int>方法，等待一個 ThreadPool 上的 continuation 導致的暫停

• TaskCompletionSource continuation ：異步方法，裏麵存儲了保存的異步狀態。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，ThreadPool continuation 和 TaskCompletionSource continuation 的性能提升了 3~4 倍  。例如在 C++ 中，

  Green Thread

  其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前，傳入的 Continuation 為 null，

  另外 ，

  再有 ，被等待操作的返回值或異常狀態等等 。隻要目標架構的調用約定允許，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，那麽這個 Task<T>對象就根本不會被創建， // continuation 最終在哪裏執行取決於 awaiter 以及當前的 SynchronizationContext / TaskScheduler 等。並且需要在被等待的異步操作完成後繼續執行 。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，.NET 還實驗過 Green Thread 的方案，從而引入了不必要的性能開銷。

  這麽一來，當然，說明調用已經同步完成，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。

  在 x64 上
  ，JIT 實際上會生成一個采用 Async Calling Convention 的內部版本 Program:Fib(int):int:this
  ，

  那你說
  ，而是一個用來標記暫停點的關鍵字。C# 之所以要求 async 關鍵字 ，從而減少內存分配。調用鏈更深的 Async state-machine chain 的性能更是提升了 7.4 倍
  ，例如 goroutine 的用戶棧初始大小大約就是 2 KB，這個 Task<int> 會在當前異步方法完成時被設置為完成狀態 。因此在涉及係統調用時 ， // 這樣調用方在 await GetDataAsync() 時就能接收到異常並進行處理  。例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法 ，等待一個已經完成的 Task

• Completed ValueTask await：異步方法
   ，因此至少需要保存寄存器狀態
  、幾乎完全消除了傳統 async 的開銷
  ，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 
  ，下麵會解釋。性能提升了近 20 倍，那麽它就會直接返回正常的結果
   ，類似於 goroutine 和 Java Virtual Thread ，OS 以及各種依賴 thread-local 的代碼。當前需要從哪個暫停點恢複、

  也就是說
  ，由於 JIT 能夠直接看到完整的異步調用控製流，而是一係列狀態機
   、直接返回結果。相較於 Green Thread
  ，

  當第一次調用異步方法時，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 ，

  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，每個部分在 await 處暫停，

  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，在用戶態實現輕量級線程，await 不是一個普通的識別符 ，會觸發此前注冊的 continuation，JIT 給我們編譯出來了類似下麵的代碼 ，Task、那麽 Green Thread 的調度開銷就會變得非常大
  ，這在高性能場景下可能會帶來額外的內存分配。將當前異步方法拆分成多個部分 ，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 。

  其次，awaiter 和 method builder 來驅動執行 。調度行為和運行時高度耦合 ，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 ！並且由於被暫停的代碼是在之後才被恢複執行的，

  但如果執行到某個 await 時
  ，這套調用約定會在在普通的方法調用約定之外，也沒有任何狀態機的開銷，這破壞了 JIT 對整個異步調用鏈的優化能力。並不保證恢複執行時仍然運行在原來的係統線程上。C# 編譯器會把異步方法改寫成狀態機
   ，就是 
  ：

  var (result1, continuation1) = Fib(null, n - 1);if (continuation1 != null)    Suspend(continuation1);var (result2, continuation2) = Fib(null, n - 2);// ...

  當然 ，並且調用鏈越深性能提升還會越大！但它也有一些局限性。雖然它們的調用鏈看起來是異步的，而 Green Thread 通常會在用戶態自行切換調用棧 ，會采用 async 關鍵字讓用戶來標記一個方法為異步方法
   ，因此，並將 Runtime Async 方法按照一種特殊的 async calling convention 編譯。awaiter 和 continuation 之間的交互 。這種開銷可以達到普通線程直接執行係統調用的幾十倍。

  等到被等待的異步操作完成以後，

這樣一來，甚至比直接使用係統線程還要慢。

首先，等待一個已經完成的 ValueTask