Runtime Async

傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機 ，JIT 給我們編譯出來了類似下麵的代碼 ，

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，

當第一次調用異步方法時
， awaiter.GetResult(); // 把 Task<int> 完成並把結果設置成 42。因此哪怕 JIT 想要做一些跨方法的優化也很難做到。雖然 async/await 提供了簡潔的異步編程模型 ，例如跨越暫停點後仍然存活的局部變量
 、當代碼最終交給 JIT 時 ，就是  ：

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

當然 ， state = 1; // 注冊 continuation。

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，Fib 的簽名仍然是 Task<int> Fib(int)。

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，

首先 async/await 模型下 ，從而減少內存分配 。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
。

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 ，正常返回值和額外的 Continuation 都屬於調用約定的一部分
 ，此時 eax中就是有效的返回值，如果沒有真正發生暫停，類似的原因， add ebx, r12d mov eax, ebx ; return value xor ecx, ecx ; null Continuation retSUSPEND_FIRST: ; Fib(n - 1) 暫停了，OS 以及各種依賴 thread-local 的代碼
。Runtime Async 在沒有發生暫停的情況下，而且這樣一來 ，這種開銷可以達到普通線程直接執行係統調用的幾十倍。而是直接返回 T的值。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
，而是一個用來標記暫停點的關鍵字。awaiter 和 method builder 來驅動執行。

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，JIT 實際上會生成一個采用 Async Calling Convention 的內部版本 Program:Fib(int):int:this，調用棧以及運行時調度所需的各種元數據 。在所有測試中，還必須正確維護與底層係統線程相關的 Shadow Stack 狀態
。就知道整個異步調用鏈已經暫停了，並且需要在被等待的異步操作完成後繼續執行。調用方在收到非空的 Continuation 後，如果失敗則會在這裏拋出異常。 // 這樣調用方在 await GetDataAsync() 時就能接收到異常並進行處理。雖然它們的調用鏈看起來是異步的 ，被等待的異步操作尚未完成，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，導致開發者無法自由地控製調度行為。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>，那到運行時	，這時候當前 Fib自己也必須暫停

。並返回一個非空的 Continuation 對象給調用方
，這個方法通過寄存器傳遞參數（this 指針、對比 .NET 10 的傳統 async（Async1）。因此，這破壞了 JIT 對整個異步調用鏈的優化能力。await關鍵字會暫停 GetDataAsync方法的執行，性能提升了近 20 倍，JIT 可以直接看到這個方法原始的異步控製流	，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，    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。每個部分在 await 處暫停，
性能測試
接下來我們來看看 Runtime Async 的性能表現
。但它也有一些局限性
。
例如，所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用

，如果 thunk 後續能夠被內聯
，例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法，
首先，從而進一步導致 JIT 看不到整個異步調用鏈	
，返回值走寄存器，Runtime Async 直接把內存分配和 GC 全都降到了 0，用戶並不能直接使用。因為 C# 編譯器的編譯單元是方法，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，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

，
還有一些異步方法的調用鏈實際上根本不會暫停，那麽這個 Task<T>對象就根本不會被創建，它隻需要保存非常少量的東西
，
不過相信你會發現
，由於 JIT 能夠直接看到完整的異步調用控製流
，而是把異步控製流保留到運行時，然後繼續執行返回值為 42 的代碼。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>，直接返回結果	。保存這這些東西隻需要幾十個字節，                        // continuation 最終在哪裏執行取決於 awaiter 以及當前的 SynchronizationContext / TaskScheduler 等
。
那你說	，被等待操作的返回值或異常狀態等等
。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，    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，由於 Green Thread 並不是操作係統線程，
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，
除此之外
，使狀態機再次執行 MoveNext。但在整個異步調用鏈中，例如 goroutine 的用戶棧初始大小大約就是 2 KB，
這個測試包含了各種不同的場景：
Synchronous baseline：同步基準測試，隻要目標架構的調用約定允許	
，因此 Runtime Async 的開銷遠小於 Green Thread
。說明調用已經同步完成
，會采用 async 關鍵字讓用戶來標記一個方法為異步方法，並在被 await 的異步操作完成後繼續執行剩餘的代碼
。因為它包含了整個異步方法的邏輯
。但從普通 C# 代碼看來，於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態	。但 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了

，掛起與恢複等額外工作
，
總結
Runtime Async 是 .NET 11 引入的一套全新的異步執行機製。
例子
接下來讓我們看看 Runtime Async 會生成什麽樣的代碼。也就是當前方法需要等待一個異步操作完成，                        awaiter.OnCompleted(MoveNext);                        return;                    }                    goto case 1;                }                case 1:                {                     state = -1;                    // 確認被 await 的操作已經成功完成，此時運行時會保存繼續執行所需要的狀態	，JIT 看到的已經不是 A -- await B -- await C這樣直接的異步調用鏈，它不再讓 C# 編譯器提前把 async 方法展開成狀態機，.NET 的 Green Thread 實驗中發現 Green Thread 上做係統調用 1 億次
，Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多
。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），await 不是一個普通的識別符	，例如部分 GUI

、當然
，而是一係列狀態機	、同時額外增加一條用於傳遞 Continuation 的通道。甚至還可以在整個異步調用鏈中進行內聯
，因此它們都可以直接通過寄存器傳遞
，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，最簡單的辦法就是將異步方法拆分成多個部分，
其次
，那麽 Green Thread 的調度開銷就會變得非常大
，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。JIT 也很難把多個異步調用鏈給內聯到一起
。那麽當前異步調用鏈就需要暫停。而真正暫停時也隻需要為實際使用的狀態付費
。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

	。其實是不知道一個異步調用到底會不會真正暫停的。這使得其可以在整個異步調用鏈中進行跨方法的優化，這會使很多原本可以跨方法進行的優化變得非常困難。並將 Runtime Async 方法按照一種特殊的 async calling convention 編譯。或者在進入相關代碼時執行額外的調度和切換。轉而開發 Runtime Async
。於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態	。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，甚至需要操作係統提供專門的支持
。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	
，也無法做任何優化	，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
，而 Green Thread 通常會在用戶態自行切換調用棧
，其實隻是要讓編譯器知道在這個方法裏
，雖然你的方法返回的是 Task<T>，線程親和性也是一個問題	。調用鏈更深的 Async state-machine chain 的性能更是提升了 7.4 倍

，所有的異步抽象開銷全部消失了！很多異步方法可能根本不會暫停
，Runtime Async 保留普通返回值原本的 ABI	，這個調用約定會使用 MethodImplOptions.Async來標記，直到 Task.Delay完成，C# 編譯器會把異步方法改寫成狀態機，實際的 C# 並不會直接操作 Task	
，
另外，而是通過 AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的 Task<int>	。每個狀態對應著 await 關鍵字的邊界	
。同樣采用了 async/await 模型
	，被標記的方法則會作為 CPS 變換的入口點。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，                    CompleteTask(ResultTask, 42);                    return;                }            }        }        catch (Exception ex)        {             // 如果在 MoveNext 中拋出了異常，Runtime Async 也有顯著的性能提升，這套調用約定會在在普通的方法調用約定之外，例如 Intel CET Shadow Stack 會由硬件維護一份受保護的返回地址棧，一旦大量代碼具有這種要求
，            FailTask(ResultTask, ex);        }    }}

這麽一來，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。因為這個 Fibonacci 示例中的所有調用都會同步完成 ，方法就像普通同步方法一樣從頭開始執行。

然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停，這樣的調用鏈實際上是同步的。

再有 ，等待一個嵌套了多層的異步調用鏈
，在用戶態實現輕量級線程，並不保證恢複執行時仍然運行在原來的係統線程上。於是這部分的開銷直接歸零
。這就得把 Green Thread 固定到某個係統線程，從而引入了不必要的性能開銷 。整個調用鏈就像普通的同步函數調用一樣執行 。例如在 C++ 中 ，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>。當前需要從哪個暫停點恢複 、整個調用鏈中根本沒有創建任何 Task對象，類似於 goroutine 和 Java Virtual Thread，.NET 還實驗過 Green Thread 的方案，Runtime Async 的 Continuation 隻是一個非常輕量級的對象，而這個同步方法又調用了另一個異步方法，Task
 、

等到被等待的異步操作完成以後，Runtime Async 都能以最小的開銷執行
。async/await 模型下  ，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 
。

async/await 機製本質上是利用 CPS（Continuation Passing Style）變換來實現的。也沒有任何狀態機的開銷 ，這意味著整個調用鏈中沒有創建任何 Task對象 ，說明被調用的 Fib沒有同步完成
。JIT 看到的是 C# 編譯器已經生成好的 MoveNext 狀態機；而在 Runtime Async 中 ，而上層的異步方法隻是簡單地把結果傳遞下去。狀態機會繼續執行剩餘的代碼
。 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，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 。那麽直接返回一個 Task<int>對象包裝一下結果即可。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，

最後，則把 Task<int> 設置為失敗狀態。Task.Delay(1000)是一個異步操作，如果為 null 說明已經同步完成，返回值類型已經不是原來的 Task<int>了。awaiter 和 continuation 之間的交互
。

運行後，此時方法就會從上次暫停的地方繼續執行，整個異步方法就被拆分成了多個狀態機的狀態，隨後再根據需要動態擴張，

於是調用方隻需要 ：

mov      r12d, eaxtest     rcx, rcx           ; Continuation 是否為 nulljne      SUSPEND            ; 如果不為 null
，調度行為和運行時高度耦合，
如果 rcx == null
，並通過 MoveNext	、沿著 Async Calling Convention 返回給上一層。於是宣布放棄 Green Thread 的實驗，異步方法的返回值是一個 Task或 Task<T>	，Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度，從而進一步提高性能。並且 JIT 能證明這個 Task 不會逃逸，下麵會解釋。就存在進一步通過逃逸分析消除這次分配	。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。ThreadPool continuation 和 TaskCompletionSource continuation 的性能提升了 3~4 倍
	。
另外，等待一個 TaskCompletionSource 導致的暫停

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

class Program{     async Task<int> Fib(int n)    {         if (n <= 1)            return n;        return await Fib(n - 1) + await Fib(n - 2);    }}

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！直到整個異步調用鏈完成。運行時會再次進入這個 Runtime Async 方法
，再額外傳遞一個 Continuation 對象
。因此傳入的 Continuation為 null 。也沒有任何狀態機的開銷
。但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了 。說明發生了暫停

就可以同時獲得異步方法的返回結果，於是誕生了諸如 ValueTask這樣的優化方案  ，因此也確實需要一個 Task對象來存儲結果 。額外的 Continuation 也走寄存器  ，

也就是說 ，並且調用鏈越深性能提升還會越大！為什麽上麵明明有 Program:Fib(int):int:this，

最終，等待一個 ThreadPool 上的 continuation 導致的暫停

另外，

傳統 async/await

.NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型，雖然很長但姑且先貼在這裏，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。測試代碼見 ：https://gist.github.com/hez2010/d1802e7c7ab10e21a92dcba2afe0a58d 。

但如果執行到某個 await 時 ，MoveNext方法通常非常大
，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
。同時返回一個空的 Continuation 表示整個調用鏈沒有發生暫停 。運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換、那 JIT 就算看穿了整個異步調用鏈，預熱之後各個測試運行一億次 ，因此至少需要保存寄存器狀態、也就是說 ，無論暫停還是不暫停 ，從而簡化了異步編程的複雜性 。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
，

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  ，

而 await 關鍵字的作用是告訴編譯器這裏有暫停點， // 當 Task.Delay 完成後
，

而在發生暫停的情況下 ，因此運行時需要在兩種調用約定之間放置一個邊界 ，這套機製允許開發者以同步方式編寫異步代碼 ，那麽它就會直接返回正常的結果 ，

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 ，直接原地慢了 5 倍以上。實際上 ，檢查返回的 Continuation 是否為 null ，

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
，當異步調用沒有真正發生暫停時

，既然 C# 編譯器無法判斷
，C# 之所以要求 async 關鍵字，
這麽一來
，
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
，並判斷這次調用是否發生了暫停

。由 JIT 直接處理和優化。並把之前保存的 Continuation 作為額外參數傳回來	。傳入的 Continuation 為 null	
，並沒有需要恢複的狀態，幾乎完全消除了傳統 async 的開銷，Green Thread 和硬件安全機製也有衝突。當然這是內部表示，