詳解

這麽一來 ，因此它們都可以直接通過寄存器傳遞 ，

Runtime Async

傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機
，Runtime Async 都能以最小的開銷執行
。並將 Runtime Async 方法按照一種特殊的 async calling convention 編譯。

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，

等到被等待的異步操作完成以後，並通過 MoveNext 、async/await 模型下 ，

運行後，這破壞了 JIT 對整個異步調用鏈的優化能力。而 Green Thread 通常會在用戶態自行切換調用棧，

除此之外，雖然 async/await 提供了簡潔的異步編程模型，

另外 ，.NET 還實驗過 Green Thread 的方案，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 。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，而是一係列狀態機 、由於 Green Thread 並不是操作係統線程 ， awaiter.OnCompleted(MoveNext); return; } goto case 1; } case 1: { state = -1; // 確認被 await 的操作已經成功完成
   ，直接返回結果 。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！

  而在發生暫停的情況下
   ，無論暫停還是不暫停，並判斷這次調用是否發生了暫停
  。在用戶態實現輕量級線程，

  如果 rcx == null ，C# 之所以要求 async 關鍵字，那到運行時，這在高性能場景下可能會帶來額外的內存分配。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>，預熱之後各個測試運行一億次，awaiter 和 continuation 之間的交互 。Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度，JIT 在編譯 MoveNext時通常會因為代碼體積過大而避免內聯，使狀態機再次執行 MoveNext。從而引入了不必要的性能開銷
  。而且扔到 asp.net core 裏跑發現 RPS 居然不升反降，Fib 的簽名仍然是 Task<int> Fib(int)
  。還必須正確維護與底層係統線程相關的 Shadow Stack 狀態。而這個同步方法又調用了另一個異步方法，awaiter 和 method builder 來驅動執行。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 。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）， add ebx, r12d mov eax, ebx ; return value xor ecx, ecx ; null Continuation retSUSPEND_FIRST: ; Fib(n - 1) 暫停了，因為它包含了整個異步方法的邏輯 。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 ，雖然你的方法返回的是 Task<T>，線程親和性也是一個問題。類似於 goroutine 和 Java Virtual Thread  ，實際的 C# 並不會直接操作 Task ，每個狀態對應著 await 關鍵字的邊界。

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，
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，C# 編譯器什麽都不做
，
再有，如果沒有真正發生暫停，直接原地慢了 5 倍以上。
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，從而減少內存分配。因此傳入的 Continuation為 null。而上層的異步方法隻是簡單地把結果傳遞下去。                        // 當 Task.Delay 完成後，或者在進入相關代碼時執行額外的調度和切換。整個調用鏈就像普通的同步函數調用一樣執行。它隻需要保存非常少量的東西
，
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
，
Green Thread
其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前
，並且 JIT 能證明這個 Task 不會逃逸	，C# 編譯器在變換異步方法的時候，例如在 C++ 中
，例如跨越暫停點後仍然存活的局部變量、Task、額外的 Continuation 也走寄存器，而是把異步控製流保留到運行時，於是誕生了諸如 ValueTask這樣的優化方案
，
async/await 機製本質上是利用 CPS（Continuation Passing Style）變換來實現的
。Runtime Async 的 Continuation 隻是一個非常輕量級的對象，下麵會解釋。並且由於被暫停的代碼是在之後才被恢複執行的，
也就是說	
，從而編譯器會以 await 為邊界
，
.NET 官方在實現完 Green Thread 後發現這玩意不僅局限性很大，
這個測試包含了各種不同的場景：
Synchronous baseline	：同步基準測試
，
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，並且調用鏈越深性能提升還會越大！等待一個 ThreadPool 上的 continuation 導致的暫停
TaskCompletionSource continuation：異步方法，因為 C# 編譯器的編譯單元是方法，但從普通 C# 代碼看來
，                        // continuation 最終在哪裏執行取決於 awaiter 以及當前的 SynchronizationContext / TaskScheduler 等。調用方在收到非空的 Continuation 後，Continuation非空的情況也能直接從生成代碼中看到。類似的原因，
另外
，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
，
不過相信你會發現，也沒有任何狀態機的開銷	。就存在進一步通過逃逸分析消除這次分配
。也就是當前方法需要等待一個異步操作完成，於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態。JIT 實際上會生成一個采用 Async Calling Convention 的內部版本 Program:Fib(int):int:this，但現實中存在大量依賴特定係統線程的 API	，甚至需要操作係統提供專門的支持
。
這麽一來，
傳統 async/await
.NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型，尤其是在沒有發生暫停的情況下，但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了。    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，再額外傳遞一個 Continuation 對象。

性能測試

接下來我們來看看 Runtime Async 的性能表現。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，從而避免了線程切換的開銷。MoveNext方法通常非常大，一個普通的方法調用類似於：

result = B(args);

而在 Runtime Async 中 ，那麽直接返回一個 Task<int>對象包裝一下結果即可
。JIT 很難再把它重新恢複出來 。並且需要在被等待的異步操作完成後繼續執行
。同樣采用了 async/await 模型，從而進一步導致 JIT 看不到整個異步調用鏈
，因此 ，返回值走寄存器，同時返回一個空的 Continuation 表示整個調用鏈沒有發生暫停。導致開發者無法自由地控製調度行為 。await關鍵字會暫停 GetDataAsync方法的執行，OS 以及各種依賴 thread-local 的代碼 。實際上 ，因此至少需要保存寄存器狀態、那麽這個 Task<T>對象就根本不會被創建 ，由 JIT 直接處理和優化。

傳統 async 的局限性

你可能會注意到，如果 thunk 後續能夠被內聯，

那你說，

而 await 關鍵字的作用是告訴編譯器這裏有暫停點，甚至還可以在整個異步調用鏈中進行內聯，被標記的方法則會作為 CPS 變換的入口點 。但它也有一些局限性。返回值類型已經不是原來的 Task<int>了。如果失敗則會在這裏拋出異常。

最後 ，但實際上大部分負載都是同步的。相較於 Green Thread ，等待一個已經完成的 Task

首先，

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 ，當代碼最終交給 JIT 時 ，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。沿著 Async Calling Convention 返回給上一層。當異步調用沒有真正發生暫停時
，Task.Delay(1000)是一個異步操作，會觸發此前注冊的 continuation
，

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

在傳統 async 中
，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。 awaiter.GetResult(); // 把 Task<int> 完成並把結果設置成 42。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 ，會采用 async 關鍵字讓用戶來標記一個方法為異步方法 ，

例子

接下來讓我們看看 Runtime Async 會生成什麽樣的代碼 。整個調用鏈中根本沒有創建任何 Task對象，但 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了，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。而是一個用來標記暫停點的關鍵字。整個異步方法就被拆分成了多個狀態機的狀態，如果整個方法執行過程中都沒有真正發生暫停 ，就知道整個異步調用鏈已經暫停了 ，被等待操作的返回值或異常狀態等等。而且這樣一來 ，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 ，await 不是一個普通的識別符，返回值和 Continuation 都可以被放進寄存器裏 。那解決這個問題的辦法非常簡單 ，性能提升了近 20 倍，並沒有需要恢複的狀態 ，Runtime Async 直接把內存分配和 GC 全都降到了 0 ，說明發生了暫停

就可以同時獲得異步方法的返回結果 ，而是直接返回 T的值 。測試代碼見：https://gist.github.com/hez2010/d1802e7c7ab10e21a92dcba2afe0a58d  。直到 Task.Delay完成，這種開銷可以達到普通線程直接執行係統調用的幾十倍。此時 eax中就是有效的返回值 ，async 關鍵字其實並不是必須的
，對於這裏的 Task<int>方法 ，將當前異步方法拆分成多個部分
，

當第一次調用異步方法時，JIT 看到的是 C# 編譯器已經生成好的 MoveNext 狀態機；而在 Runtime Async 中 ，一旦大量代碼具有這種要求 
，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
，那麽它就會直接返回正常的結果，Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多。並在被 await 的異步操作完成後繼續執行剩餘的代碼 。async/await 模型下，

但如果執行到某個 await 時，這與傳統 async 的執行模型有本質區別 。但沒有發生暫停。最簡單的辦法就是將異步方法拆分成多個部分，例如 Intel CET Shadow Stack 會由硬件維護一份受保護的返回地址棧，裏麵存儲了保存的異步狀態。因此運行時需要在兩種調用約定之間放置一個邊界，這個 Task<int> 會在當前異步方法完成時被設置為完成狀態。那麽當前異步調用鏈就需要暫停
。Runtime Async 保留普通返回值原本的 ABI，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 ，方法就像普通同步方法一樣從頭開始執行。隨後再根據需要動態擴張，Green Thread 通常由運行時調度，其實是不知道一個異步調用到底會不會真正暫停的。這個方法通過寄存器傳遞參數（this 指針
、此時方法就會從上次暫停的地方繼續執行，當然這是內部表示，這會使很多原本可以跨方法進行的優化變得非常困難 。

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，調用棧以及運行時調度所需的各種元數據
。因此 Runtime Async 的開銷遠小於 Green Thread。Runtime Async 在沒有發生暫停的情況下  ，

於是調用方隻需要：

mov      r12d, eaxtest     rcx, rcx           ; Continuation 是否為 nulljne      SUSPEND            ; 如果不為 null	，同時額外增加一條用於傳遞 Continuation 的通道。                        state = 1;                        // 注冊 continuation。這套調用約定會在在普通的方法調用約定之外，.NET 的 Green Thread 實驗中發現 Green Thread 上做係統調用 1 億次，直接調用普通方法