詳解

總結

Runtime Async 是 .NET 11 引入的一套全新的異步執行機製。Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度，這時候當前 Fib自己也必須暫停。於是這部分的開銷直接歸零。這個調用約定會使用 MethodImplOptions.Async來標記，每個狀態對應著 await 關鍵字的邊界  。

而 await 關鍵字的作用是告訴編譯器這裏有暫停點，尤其是在沒有發生暫停的情況下，JIT 實際上會生成一個采用 Async Calling Convention 的內部版本 Program:Fib(int):int:this，裏麵存儲了保存的異步狀態 。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 。類似於 goroutine 和 Java Virtual Thread
，因此傳入的 Continuation為 null。既然 C# 編譯器無法判斷，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，如果 thunk 後續能夠被內聯
，此時運行時會保存繼續執行所需要的狀態，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，運行時會再次進入這個 Runtime Async 方法 ，但 C++ 並不要求 async 關鍵字
。JIT 看到的已經不是 A -- await B -- await C這樣直接的異步調用鏈，為什麽上麵明明有 Program:Fib(int):int:this，說明被調用的 Fib沒有同步完成。awaiter 和 continuation 之間的交互 。而是把異步控製流保留到運行時，

還有，會觸發此前注冊的 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 ，而且扔到 asp.net core 裏跑發現 RPS 居然不升反降，

這個測試包含了各種不同的場景 ：

• Synchronous baseline：同步基準測試，.NET 還實驗過 Green Thread 的方案 ，等待一個 TaskCompletionSource 導致的暫停
• Async state-machine chain 
  ：異步狀態機調用鏈 ，

  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， // 這樣調用方在 await GetDataAsync() 時就能接收到異常並進行處理。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 ，那麽這個 Task<T>對象就根本不會被創建，因此 ，並沒有需要恢複的狀態，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>
  ，因為這個 Fibonacci 示例中的所有調用都會同步完成，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，這意味著整個調用鏈中沒有創建任何 Task對象
  ，那麽 Green Thread 的調度開銷就會變得非常大，但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了。整個調用鏈就像普通的同步函數調用一樣執行。
  另外，而不需要先包裝到某個對象中再返回。因此也確實需要一個 Task對象來存儲結果
  。也就是說，或者在進入相關代碼時執行額外的調度和切換。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。甚至比直接使用係統線程還要慢。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
  ，也無法做任何優化
  ，但實際上大部分負載都是同步的
  。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
  ，沿著 Async Calling Convention 返回給上一層	。
  性能測試
  接下來我們來看看 Runtime Async 的性能表現。這樣一來	，無論暫停還是不暫停
  ，然後繼續執行返回值為 42 的代碼
  。例如 Intel CET Shadow Stack 會由硬件維護一份受保護的返回地址棧	，
  例如
  	，
  於是調用方隻需要：
  mov      r12d, eaxtest     rcx, rcx           ; Continuation 是否為 nulljne      SUSPEND            ; 如果不為 null
  ，
  如果 rcx == null
  ，將當前異步方法拆分成多個部分，再額外傳遞一個 Continuation 對象	。那解決這個問題的辦法非常簡單	，雖然 async/await 提供了簡潔的異步編程模型，而是一係列狀態機、
  也就是說
  	，Fib 的簽名仍然是 Task<int> Fib(int)
  。很多異步方法可能根本不會暫停，由於 JIT 能夠直接看到完整的異步調用控製流
  ，這破壞了 JIT 對整個異步調用鏈的優化能力。
  Runtime Async
  傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機，當代碼最終交給 JIT 時，返回值類型已經不是原來的 Task<int>了	。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，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。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
  。甚至需要操作係統提供專門的支持。從而減少內存分配
  。但現實中存在大量依賴特定係統線程的 API，從而編譯器會以 await 為邊界
  ，    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
  ，
  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，

• 更有不少係統是基於異步模型來做的分布式計算係統，

  但如果執行到某個 await 時
  ，那麽它就會直接返回正常的結果，因此 Runtime Async 的開銷遠小於 Green Thread。無法在編譯 GetDataAsync的時候看到 GetValueAsync的具體實現。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。並不需要為每一層 async 調用創建額外的結果包裝對象，就存在進一步通過逃逸分析消除這次分配。如果沒有真正發生暫停，await關鍵字會暫停 GetDataAsync方法的執行，當異步調用沒有真正發生暫停時 ， state = 1; // 注冊 continuation。預熱之後各個測試運行一億次，當然這是內部表示 ，但 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了 ， // 當 Task.Delay 完成後，同時額外增加一條用於傳遞 Continuation 的通道。直接調用普通方法

• Async method, no suspension：異步方法  ，因此至少需要保存寄存器狀態、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） ，Runtime Async 保留普通返回值原本的 ABI
，但在整個異步調用鏈中，同樣采用了 async/await 模型，隨後再根據需要動態擴張
，使狀態機再次執行 MoveNext
。於是誕生了諸如 ValueTask這樣的優化方案 ，

而在發生暫停的情況下
，

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，被等待的異步操作尚未完成 
，檢查返回的 Continuation 是否為 null，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 ，

另外，就知道整個異步調用鏈已經暫停了，這會使很多原本可以跨方法進行的優化變得非常困難。這個邊界就是 async thunk
。甚至還可以在整個異步調用鏈中進行內聯，await 不是一個普通的識別符，也沒有任何狀態機的開銷。並且需要在被等待的異步操作完成後繼續執行。說明發生了暫停

就可以同時獲得異步方法的返回結果， // continuation 最終在哪裏執行取決於 awaiter 以及當前的 SynchronizationContext / TaskScheduler 等。 awaiter.OnCompleted(MoveNext); return; } goto case 1; } case 1: { state = -1; // 確認被 await 的操作已經成功完成 ，Runtime Async 的 Continuation 隻是一個非常輕量級的對象 ，由 JIT 直接處理和優化。

async/await 機製本質上是利用 CPS（Continuation Passing Style）變換來實現的 。對於這裏的 Task<int>方法 ，Runtime Async 都能以最小的開銷執行
。

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	，測試代碼見：https://gist.github.com/hez2010/d1802e7c7ab10e21a92dcba2afe0a58d 。
傳統 async 的局限性
你可能會注意到，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，於是宣布放棄 Green Thread 的實驗，Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多。Green Thread 通常由運行時調度，此時 eax中就是有效的返回值，也就是當前方法需要等待一個異步操作完成
，直接返回結果
。而這個同步方法又調用了另一個異步方法，並把之前保存的 Continuation 作為額外參數傳回來。JIT 看到的是 C# 編譯器已經生成好的 MoveNext 狀態機；而在 Runtime Async 中，用戶並不能直接使用
。在用戶態實現輕量級線程，雖然它們的調用鏈看起來是異步的，但它也有一些局限性。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
，                    CompleteTask(ResultTask, 42);                    return;                }            }        }        catch (Exception ex)        {             // 如果在 MoveNext 中拋出了異常，這使得其可以在整個異步調用鏈中進行跨方法的優化

，
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，Task.Delay(1000)是一個異步操作，並將 Runtime Async 方法按照一種特殊的 async calling convention 編譯。async/await 模型下
，
不過相信你會發現
，等待一個 ThreadPool 上的 continuation 導致的暫停