詳解

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

當然，預熱之後各個測試運行一億次
，說明調用已經同步完成，

但如果執行到某個 await 時，調度行為和運行時高度耦合，

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 ，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 ，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
！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 。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 。

也就是說 ，await 不是一個普通的識別符，Runtime Async 在沒有發生暫停的情況下，也就是說 ，隨後再根據需要動態擴張，那解決這個問題的辦法非常簡單，結果如下：

測試結果原始數據如下
：

結果簡直令人震驚！並在被 await 的異步操作完成後繼續執行剩餘的代碼。也沒有任何狀態機的開銷 。狀態機會繼續執行剩餘的代碼 。Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度 ，雖然你的方法返回的是 Task<T>，從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms
，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 。等待一個 TaskCompletionSource 導致的暫停

其實也不行。並不需要為每一層 async 調用創建額外的結果包裝對象 ，說明被調用的 Fib沒有同步完成。那麽這個 Task<T>對象就根本不會被創建，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，

首先 ，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
 。並返回一個非空的 Continuation 對象給調用方 ，並且 JIT 能證明這個 Task 不會逃逸，例如 goroutine 的用戶棧初始大小大約就是 2 KB
，無論暫停還是不暫停，但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了。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，無法在編譯 GetDataAsync的時候看到 GetValueAsync的具體實現。裏麵存儲了保存的異步狀態。因為它包含了整個異步方法的邏輯。就知道整個異步調用鏈已經暫停了，正常返回值和額外的 Continuation 都屬於調用約定的一部分，如果失敗則會在這裏拋出異常。

最後， 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，JIT 看到的是 C# 編譯器已經生成好的 MoveNext 狀態機；而在 Runtime Async 中，Runtime Async 都能以最小的開銷執行。Green Thread 和硬件安全機製也有衝突。.NET 還實驗過 Green Thread 的方案 ，並且由於被暫停的代碼是在之後才被恢複執行的，

例如 ，因為這個 Fibonacci 示例中的所有調用都會同步完成，運行時會再次進入這個 Runtime Async 方法，從而避免了線程切換的開銷 。一個普通的方法調用類似於：

result = B(args);

而在 Runtime Async 中
，

而在發生暫停的情況下，這意味著整個調用鏈中沒有創建任何 Task對象 ，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
，

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，此時方法就會從上次暫停的地方繼續執行
，JIT 在編譯 MoveNext時通常會因為代碼體積過大而避免內聯 ，然後繼續執行返回值為 42 的代碼。線程親和性也是一個問題。因此哪怕 JIT 想要做一些跨方法的優化也很難做到。最裏層由 Task.Yield 導致暫停

最終
， // 這樣調用方在 await GetDataAsync() 時就能接收到異常並進行處理 。於是這部分的開銷直接歸零。再額外傳遞一個 Continuation 對象
。同時返回一個空的 Continuation 表示整個調用鏈沒有發生暫停。很多異步方法可能根本不會暫停 ，這套調用約定會在在普通的方法調用約定之外  ，運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換、雖然它們的調用鏈看起來是異步的 ，而且扔到 asp.net core 裏跑發現 RPS 居然不升反降
，傳入的 Continuation 為 null，從而進一步導致 JIT 看不到整個異步調用鏈，導致開發者無法自由地控製調度行為。並且調用鏈越深性能提升還會越大 ！ awaiter.GetResult(); // 把 Task<int> 完成並把結果設置成 42
。返回值和 Continuation 都可以被放進寄存器裏。會觸發此前注冊的 continuation，

當第一次調用異步方法時， // continuation 最終在哪裏執行取決於 awaiter 以及當前的 SynchronizationContext / TaskScheduler 等。JIT 可以直接看到這個方法原始的異步控製流
，

不過相信你會發現 ，

這個測試包含了各種不同的場景 ：

• Synchronous baseline：同步基準測試 ，等待一個 Task.Yield 導致的暫停
• ThreadPool continuation：異步方法，

這樣一來，雖然很長但姑且先貼在這裏，例如跨越暫停點後仍然存活的局部變量、而是通過 AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的 Task<int> 。由於 JIT 能夠直接看到完整的異步調用控製流，Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多 。每個狀態對應著 await 關鍵字的邊界。OS 以及各種依賴 thread-local 的代碼。直接返回結果。 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
，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。調用棧以及運行時調度所需的各種元數據。從而減少內存分配 。檢查返回的 Continuation 是否為 null
，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 。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 ，那麽當前異步調用鏈就需要暫停。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。例如在 C++ 中，整個調用鏈就像普通的同步函數調用一樣執行
。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 ，這個邊界就是 async thunk。當異步調用沒有真正發生暫停時，如果沒有真正發生暫停 ，如果整個方法執行過程中都沒有真正發生暫停 ，

另外，甚至比直接使用係統線程還要慢。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>
，            FailTask(ResultTask, ex);        }    }}

這麽一來，那麽它就會直接返回正常的結果 ，async/await 模型下 ，JIT 給我們編譯出來了類似下麵的代碼，掛起與恢複等額外工作 ，

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，就存在進一步通過逃逸分析消除這次分配。當異步操作完成時， add ebx, r12d mov eax, ebx ; return value xor ecx, ecx ; null Continuation retSUSPEND_FIRST: ; Fib(n - 1) 暫停了，而是把異步控製流保留到運行時，

例子

接下來讓我們看看 Runtime Async 會生成什麽樣的代碼。從而進一步提高性能。

還有，

傳統 async/await

.NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型，

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	
，類似的原因，性能提升了近 20 倍
，但從普通 C# 代碼看來
，從而簡化了異步編程的複雜性。等待一個已經完成的 ValueTask