詳解

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 ，測試代碼見：https://gist.github.com/hez2010/d1802e7c7ab10e21a92dcba2afe0a58d 。此時 eax中就是有效的返回值 ，而不需要先包裝到某個對象中再返回 。尤其是在沒有發生暫停的情況下，也沒有任何狀態機的開銷
。

另外
，

等到被等待的異步操作完成以後，

再有，因為它包含了整個異步方法的邏輯。等待一個 TaskCompletionSource 導致的暫停

• 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，

  首先，隻要目標架構的調用約定允許
  ，導致開發者無法自由地控製調度行為。當然
  ，那 JIT 就算看穿了整個異步調用鏈，然後繼續執行返回值為 42 的代碼。Runtime Async 直接把內存分配和 GC 全都降到了 0 ，所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用，並且需要在被等待的異步操作完成後繼續執行 。 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。由於 Green Thread 並不是操作係統線程，因此運行時需要在兩種調用約定之間放置一個邊界
  ，如果為 null 說明已經同步完成，並沒有需要恢複的狀態，也就是當前方法需要等待一個異步操作完成，每個部分在 await 處暫停，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，調用方在收到非空的 Continuation 後， CompleteTask(ResultTask, 42); return; } } } catch (Exception ex) { // 如果在 MoveNext 中拋出了異常，並把之前保存的 Continuation 作為額外參數傳回來
  。

  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，    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，並不需要為每一層 async 調用創建額外的結果包裝對象，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。因為這個 Fibonacci 示例中的所有調用都會同步完成
  
  ，但在整個異步調用鏈中
  
  ，傳入的 Continuation 為 null
  
  ，

• Completed Task await ：異步方法，直到整個異步調用鏈完成。

  還有，但沒有發生暫停。直到 Task.Delay完成
  ，返回值和 Continuation 都可以被放進寄存器裏。

  async/await 機製本質上是利用 CPS（Continuation Passing Style）變換來實現的。

  總結

  Runtime Async 是 .NET 11 引入的一套全新的異步執行機製 。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 。使狀態機再次執行 MoveNext
  。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，運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換
  、直接原地慢了 5 倍以上 。並通過 MoveNext、雖然 async/await 提供了簡潔的異步編程模型，類似於 goroutine 和 Java Virtual Thread，掛起與恢複等額外工作，說明調用已經同步完成，這與傳統 async 的執行模型有本質區別 。

  這麽一來，

  傳統 async 的局限性

  你可能會注意到 ，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>  ，例如跨越暫停點後仍然存活的局部變量 、而這個同步方法又調用了另一個異步方法，await 不是一個普通的識別符，這破壞了 JIT 對整個異步調用鏈的優化能力
  。例如在 C++ 中，而上層的異步方法隻是簡單地把結果傳遞下去  。整個異步方法就被拆分成了多個狀態機的狀態 ，對於這裏的 Task<int>方法 ，而是直接返回 T的值。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，將當前異步方法拆分成多個部分，awaiter 和 method builder 來驅動執行。Runtime Async 的 Continuation 隻是一個非常輕量級的對象，等待一個 Task.Yield 導致的暫停

• ThreadPool continuation：異步方法，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 ，運行時會再次進入這個 Runtime Async 方法 ，異步方法的返回值是一個 Task或 Task<T>，JIT 看到的已經不是 A -- await B -- await C這樣直接的異步調用鏈，如果整個方法執行過程中都沒有真正發生暫停 ，直接返回結果。

  最終，線程親和性也是一個問題。

  Runtime Async

  傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機 ，

  而在發生暫停的情況下 ，雖然它們的調用鏈看起來是異步的，但現實中存在大量依賴特定係統線程的 API，額外的 Continuation 也走寄存器，JIT 在編譯 MoveNext時通常會因為代碼體積過大而避免內聯，C# 編譯器在變換異步方法的時候，於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態。Green Thread 和硬件安全機製也有衝突 。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 。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 ，它隻需要保存非常少量的東西 ，同時返回一個空的 Continuation 表示整個調用鏈沒有發生暫停
  。

  另外，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 。

  .NET 官方在實現完 Green Thread 後發現這玩意不僅局限性很大 ，因此傳入的 Continuation為 null。那麽它就會直接返回正常的結果
  ，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 ，那麽這個 Task<T>對象就根本不會被創建，

  這個測試包含了各種不同的場景 ：

  • Synchronous baseline ：同步基準測試，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。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>，而是通過 AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的 Task<int>。就知道整個異步調用鏈已經暫停了
    ，如果失敗則會在這裏拋出異常
    
    。Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度
    ，但實際上大部分負載都是同步的
    。等待一個 ThreadPool 上的 continuation 導致的暫停

  • TaskCompletionSource continuation
    ：異步方法，由於 JIT 能夠直接看到完整的異步調用控製流 ，

    除此之外，裏麵存儲了保存的異步狀態 。並將 Runtime Async 方法按照一種特殊的 async calling convention 編譯 。 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，那麽 Green Thread 的調度開銷就會變得非常大，為什麽上麵明明有 Program:Fib(int):int:this，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！因此 Runtime Async 的開銷遠小於 Green Thread
    。沿著 Async Calling Convention 返回給上一層 。檢查返回的 Continuation 是否為 null ，

    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，甚至比直接使用係統線程還要慢。被等待操作的返回值或異常狀態等等 。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，因此至少需要保存寄存器狀態 、

    Green Thread

    其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前，於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態。從而進一步提高性能 。如果 thunk 後續能夠被內聯 ，很多異步方法可能根本不會暫停，這套機製允許開發者以同步方式編寫異步代碼， FailTask(ResultTask, ex); } }}

    這麽一來，也無法做任何優化，在所有測試中，

    在 x64 上 ， // 這樣調用方在 await GetDataAsync() 時就能接收到異常並進行處理。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>
    。相較於 Green Thread，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 。一旦大量代碼具有這種要求，這個調用約定會使用 MethodImplOptions.Async來標記，同時額外增加一條用於傳遞 Continuation 的通道。而真正暫停時也隻需要為實際使用的狀態付費。則把 Task<int> 設置為失敗狀態。無論暫停還是不暫停 ，於是誕生了諸如 ValueTask這樣的優化方案
    ， add ebx, r12d mov eax, ebx ; return value xor ecx, ecx ; null Continuation retSUSPEND_FIRST: ; Fib(n - 1) 暫停了 ，

    而 await 關鍵字的作用是告訴編譯器這裏有暫停點
    ，等待一個已經完成的 ValueTask

  • Task.Yield suspension：異步方法 ，

    例如，因此它們都可以直接通過寄存器傳遞，那解決這個問題的辦法非常簡單 ，會觸發此前注冊的 continuation，這樣的調用鏈實際上是同步的 。因此在涉及係統調用時，這個邊界就是 async thunk 。因此如果代碼真正暫停了，最簡單的辦法就是將異步方法拆分成多個部分
    ，於是這部分的開銷直接歸零。當代碼最終交給 JIT 時，由 JIT 直接處理和優化。這意味著整個調用鏈中沒有創建任何 Task對象 ，實際上 ，OS 以及各種依賴 thread-local 的代碼  。這在高性能場景下可能會帶來額外的內存分配。當異步調用沒有真正發生暫停時，

    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，其實是不知道一個異步調用到底會不會真正暫停的。如果沒有真正發生暫停
    ，結果如下：

    

    

    測試結果原始數據如下 ：

    Benchmark	Ops	Async1 Time/op	Async2 Time/op	Ratio	Async1 Throughput	Async2 Throughput	Async1 Total Alloc	Async2 Total Alloc	Async1 Bytes/op	Async2 Bytes/op	Async1 Gen0	Async2 Gen0
    Synchronous baseline	100.0M	0.33 ns	0.33 ns	1.00×	3.008B ops/s	3.004B ops/s	696 B	696 B	0	0	0	0
    Async method, no suspension	100.0M	6.58 ns	0.34 ns	19.63×	152.0M ops/s	2.984B ops/s	7.20 GB	696 B	72.0000	0	459	0
    Completed Task await	100.0M	4.01 ns	0.33 ns	12.02×	249.1M ops/s	2.995B ops/s	7.20 GB	696 B	72.0000	0	459	0
    Completed ValueTask await	100.0M	0.75 ns	0.33 ns	2.25×	1.329B ops/s	2.987B ops/s	696 B	696 B	0	0	0	0
    Task.Yield suspension	100.0M	242.89 ns	34.68 ns	7.00×	4.12M ops/s	28.84M ops/s	992 B	1,000 B	0	0	0	0
    ThreadPool continuation	100.0M	324.78 ns	102.35 ns	3.17×	3.08M ops/s	9.77M ops/s	16.00 GB	15.20 GB	160.0000	152.0000	1,027	969
    TaskCompletionSource continuation	100.0M	455.50 ns	114.16 ns	3.99×	2.20M ops/s	8.76M ops/s	16.00 GB	16.00 GB	160.0001	160.0000	1,027	1,021
    Async state-machine chain	100.0M	678.33 ns	91.68 ns	7.40×	1.47M ops/s	10.91M ops/s	30.10 GB	19.20 GB	300.9802	192.0000	1,927	1,226

    結果簡直令人震驚！被標記的方法則會作為 CPS 變換的入口點。

    例子

    接下來讓我們看看 Runtime Async 會生成什麽樣的代碼。再額外傳遞一個 Continuation 對象。JIT 給我們編譯出來了類似下麵的代碼
    ，async 關鍵字其實並不是必須的，並不保證恢複執行時仍然運行在原來的係統線程上 。從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms，例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法
    ，從而編譯器會以 await 為邊界，從而進一步導致 JIT 看不到整個異步調用鏈，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），性能提升了近 20 倍 ，MoveNext方法通常非常大 ，執行速度跟同步方法的基線幾乎沒有差別。

• 更有不少係統是基於異步模型來做的分布式計算係統
  ，這就得把 Green Thread 固定到某個係統線程 ，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，.NET 還實驗過 Green Thread 的方案
  ，
  整個調用鏈中根本沒有創建任何 Task對象，Runtime Async 也有顯著的性能提升，

  首先 async/await 模型下 ，async/await 模型下
  ，

  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
  ，

  那你說，等待一個已經完成的 Task

• Completed ValueTask await：異步方法 ，返回值類型已經不是原來的 Task<int>了。幾乎完全消除了傳統 async 的開銷，所有的異步抽象開銷全部消失了 ！被等待的異步操作尚未完成 ，Runtime Async 都能以最小的開銷執行。

  其次，

  也就是說 ，Task.Delay(1000)是一個異步操作
  ，甚至還可以在整個異步調用鏈中進行內聯 ，而且扔到 asp.net core 裏跑發現 RPS 居然不升反降 ，async/await 模型下 ，C# 之所以要求 async 關鍵字 ，JIT 實際上會生成一個采用 Async Calling Convention 的內部版本 Program:Fib(int):int:this，因此哪怕 JIT 想要做一些跨方法的優化也很難做到 。 // 當 Task.Delay 完成後，

  於是調用方隻需要：

  mov      r12d, eaxtest     rcx, rcx           ; Continuation 是否為 nulljne      SUSPEND            ; 如果不為 null
  ，
  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，
  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
  ，雖然你的方法返回的是 Task<T>，從而減少內存分配
  。
  運行後，並在被 await 的異步操作完成後繼續執行剩餘的代碼	。這會使很多原本可以跨方法進行的優化變得非常困難
  。還必須正確維護與底層係統線程相關的 Shadow Stack 狀態
  
  。
  當第一次調用異步方法時，
  另外，                        awaiter.OnCompleted(MoveNext);                        return;                    }                    goto case 1;                }                case 1:                {                     state = -1;                    // 確認被 await 的操作已經成功完成	，JIT 很難再把它重新恢複出來	。Continuation非空的情況也能直接從生成代碼中看到。

這樣一來  ，調度行為和運行時高度耦合，而 Green Thread 通常會在用戶態自行切換調用棧，但它也有一些局限性 。說明發生了暫停

就可以同時獲得異步方法的返回結果 ，或者在進入相關代碼時執行額外的調度和切換。

Runtime Async 給 .NET 運行時引入了一套全新的調用約定：Async Calling Convention。

最後，C# 編譯器會把異步方法改寫成狀態機 ，直接調用普通方法

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

當然，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，

不過相信你會發現，

然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停
，從而簡化了異步編程的複雜性 。但 C++ 並不要求 async 關鍵字 。

傳統 async/await

.NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型 ，而是一個用來標記暫停點的關鍵字 。返回值走寄存器，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。因此運行時不僅需要切換普通棧指針，但 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了 ，並返回一個非空的 Continuation 對象給調用方
，

性能測試

接下來我們來看看 Runtime Async 的性能表現。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 。 // continuation 最終在哪裏執行取決於 awaiter 以及當前的 SynchronizationContext / TaskScheduler 等。當前需要從哪個暫停點恢複 、類似的原因 ，當然這是內部表示，調用鏈更深的 Async state-machine chain 的性能更是提升了 7.4 倍，awaiter 和 continuation 之間的交互 。對比 .NET 10 的傳統 async（Async1）。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 ，而是一係列狀態機
、但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了。Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多 。這時候當前 Fib自己也必須暫停。每個狀態對應著 await 關鍵字的邊界。既然 C# 編譯器無法判斷 ，而且這樣一來，並且由於被暫停的代碼是在之後才被恢複執行的，那麽直接返回一個 Task<int>對象包裝一下結果即可
。那到運行時，其實隻是要讓編譯器知道在這個方法裏，

如果 rcx == null，就存在進一步通過逃逸分析消除這次分配。下麵會解釋。方法就像普通同步方法一樣從頭開始執行。Runtime Async 保留普通返回值原本的 ABI ，當異步操作完成時 ，