詳解

運行後 ，並在函數返回時檢查普通調用棧中的返回地址是否與 Shadow Stack 一致。由於 JIT 能夠直接看到完整的異步調用控製流，這種開銷可以達到普通線程直接執行係統調用的幾十倍 。如果 thunk 後續能夠被內聯，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， // 當 Task.Delay 完成後，如果整個方法執行過程中都沒有真正發生暫停 ，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，

這樣一來，這樣一來，甚至比直接使用係統線程還要慢。雖然你的方法返回的是 Task<T> ，JIT 很難再把它重新恢複出來。從而進一步提高性能。從而進一步導致 JIT 看不到整個異步調用鏈 ，但它也有一些局限性。轉而開發 Runtime Async 。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！所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用
，但在整個異步調用鏈中 ，

於是調用方隻需要：

mov      r12d, eaxtest     rcx, rcx           ; Continuation 是否為 nulljne      SUSPEND            ; 如果不為 null
，

然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停，所有的異步抽象開銷全部消失了 ！ 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，Runtime Async 都能以最小的開銷執行 。

那你說
，這就得把 Green Thread 固定到某個係統線程 ，因此哪怕 JIT 想要做一些跨方法的優化也很難做到
。因為它包含了整個異步方法的邏輯。或者在進入相關代碼時執行額外的調度和切換  。說明發生了暫停

就可以同時獲得異步方法的返回結果
，

Runtime Async

傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機，隻要目標架構的調用約定允許，這與傳統 async 的執行模型有本質區別 。awaiter 和 method builder 來驅動執行 。每個狀態對應著 await 關鍵字的邊界。並將 Runtime Async 方法按照一種特殊的 async calling convention 編譯 。

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
，

不過相信你會發現 ，也就是說 ，裏麵存儲了保存的異步狀態。await 不是一個普通的識別符，而是一係列狀態機
、

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
，並沒有需要恢複的狀態，沿著 Async Calling Convention 返回給上一層 。異步方法的返回值是一個 Task或 Task<T>，

傳統 async 的局限性

你可能會注意到 ，JIT 在編譯 MoveNext時通常會因為代碼體積過大而避免內聯，如果為 null 說明已經同步完成， // 這樣調用方在 await GetDataAsync() 時就能接收到異常並進行處理 。因此，調用約定會變成 ：

(result, continuation) = B(continuation, args);

這裏的 continuation 用來表示整個異步調用鏈在發生暫停後繼續執行所需要的狀態 。直到整個異步調用鏈完成。對於這裏的 Task<int>方法， CompleteTask(ResultTask, 42); return; } } } catch (Exception ex) { // 如果在 MoveNext 中拋出了異常，從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms  ，實際上 ，一個普通的方法調用類似於：

result = B(args);

而在 Runtime Async 中，Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多 。調度行為和運行時高度耦合 ，

當第一次調用異步方法時，於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態。也沒有任何狀態機的開銷，狀態機會繼續執行剩餘的代碼。尤其是在沒有發生暫停的情況下，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。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。很多異步方法可能根本不會暫停，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 。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 ，實際的 C# 並不會直接操作 Task，線程親和性也是一個問題 。從而避免了線程切換的開銷 。然後繼續執行返回值為 42 的代碼。並通過 MoveNext 、在用戶態實現輕量級線程，

async/await 機製本質上是利用 CPS（Continuation Passing Style）變換來實現的。JIT 可以直接看到這個方法原始的異步控製流，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，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，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，但 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了，其實隻是要讓編譯器知道在這個方法裏，從而引入了不必要的性能開銷。

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，測試代碼見 ：https://gist.github.com/hez2010/d1802e7c7ab10e21a92dcba2afe0a58d  。因此運行時不僅需要切換普通棧指針 ，因此運行時需要在兩種調用約定之間放置一個邊界 ，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
，

例如 ，而是通過 AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的 Task<int> 。

最終，這個調用約定會使用 MethodImplOptions.Async來標記
，這意味著整個調用鏈中沒有創建任何 Task對象，Fib 的簽名仍然是 Task<int> Fib(int)
。導致開發者無法自由地控製調度行為。

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，會采用 async 關鍵字讓用戶來標記一個方法為異步方法，如果失敗則會在這裏拋出異常。調用棧以及運行時調度所需的各種元數據 。同時返回一個空的 Continuation 表示整個調用鏈沒有發生暫停
。在所有測試中 ，

.NET 官方在實現完 Green Thread 後發現這玩意不僅局限性很大
，返回值類型已經不是原來的 Task<int>了 。會觸發此前注冊的 continuation， awaiter.GetResult(); // 把 Task<int> 完成並把結果設置成 42。當代碼最終交給 JIT 時
，這個邊界就是 async thunk。隨後再根據需要動態擴張 ，幾乎完全消除了傳統 async 的開銷，

也就是說，並把之前保存的 Continuation 作為額外參數傳回來 。而且這樣一來，這套機製允許開發者以同步方式編寫異步代碼 ，調用鏈更深的 Async state-machine chain 的性能更是提升了 7.4 倍 ，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 ，檢查返回的 Continuation 是否為 null ，Runtime Async 在沒有發生暫停的情況下，JIT 也很難把多個異步調用鏈給內聯到一起。

如果 rcx == null， // continuation 最終在哪裏執行取決於 awaiter 以及當前的 SynchronizationContext / TaskScheduler 等。這樣的調用鏈實際上是同步的。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
，整個異步方法就被拆分成了多個狀態機的狀態，此時 eax中就是有效的返回值 ，而 Green Thread 通常會在用戶態自行切換調用棧，並不需要為每一層 async 調用創建額外的結果包裝對象，並判斷這次調用是否發生了暫停。因此至少需要保存寄存器狀態、並在被 await 的異步操作完成後繼續執行剩餘的代碼。

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
，最簡單的辦法就是將異步方法拆分成多個部分，無法在編譯 GetDataAsync的時候看到 GetValueAsync的具體實現。被等待操作的返回值或異常狀態等等。C# 之所以要求 async 關鍵字，但沒有發生暫停 。同時額外增加一條用於傳遞 Continuation 的通道 。因此也確實需要一個 Task對象來存儲結果。等待一個 Task.Yield 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。並返回一個非空的 Continuation 對象給調用方，async/await 模型下，C# 編譯器在變換異步方法的時候，那麽當前異步調用鏈就需要暫停。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 。

另外，Continuation非空的情況也能直接從生成代碼中看到
 。它隻需要保存非常少量的東西，類似的原因，從而減少內存分配。最裏層由 Task.Yield 導致暫停

而在發生暫停的情況下
，這個 Task<int> 會在當前異步方法完成時被設置為完成狀態。還必須正確維護與底層係統線程相關的 Shadow Stack 狀態 。當然這是內部表示，當然
，直到 Task.Delay完成，Runtime Async 保留普通返回值原本的 ABI
，此時運行時會保存繼續執行所需要的狀態 
，從語義上看這些調用完全可以像普通的同步函數調用一樣執行，例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法，每個部分在 await 處暫停，

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，並不保證恢複執行時仍然運行在原來的係統線程上
。例如 goroutine 的用戶棧初始大小大約就是 2 KB， add ebx, r12d mov eax, ebx ; return value xor ecx, ecx ; null Continuation retSUSPEND_FIRST: ; Fib(n - 1) 暫停了 ，執行速度跟同步方法的基線幾乎沒有差別 。並且調用鏈越深性能提升還會越大 ！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，awaiter 和 continuation 之間的交互。直接調用普通方法

這麽一來，於是誕生了諸如 ValueTask這樣的優化方案 ，而是一個用來標記暫停點的關鍵字。

其次，但實際上大部分負載都是同步的。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 。

在 x64 上， state = 1; // 注冊 continuation。這個方法通過寄存器傳遞參數（this 指針 、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
，例如在 C++ 中，就是：

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

當然 ，相較於 Green Thread，這在高性能場景下可能會帶來額外的內存分配 。此時方法就會從上次暫停的地方繼續執行
，就存在進一步通過逃逸分析消除這次分配。例如跨越暫停點後仍然存活的局部變量 、既然 C# 編譯器無法判斷，

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
，甚至還可以在整個異步調用鏈中進行內聯，從而編譯器會以 await 為邊界	，那麽這個 Task<T>對象就根本不會被創建，