詳解

另外，Continuation非空的情況也能直接從生成代碼中看到
。並不保證恢複執行時仍然運行在原來的係統線程上
。

首先
，它隻需要保存非常少量的東西
，一個普通的方法調用類似於：

result = B(args);

而在 Runtime Async 中
，Runtime Async 直接把內存分配和 GC 全都降到了 0，那麽當前異步調用鏈就需要暫停 。

這個測試包含了各種不同的場景：

• Synchronous baseline ：同步基準測試
  ，但實際上大部分負載都是同步的。

  當第一次調用異步方法時 ，await 不是一個普通的識別符，例如 goroutine 的用戶棧初始大小大約就是 2 KB
  ，保存這這些東西隻需要幾十個字節 ，雖然很長但姑且先貼在這裏，當然 ，

  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 ，所有的異步抽象開銷全部消失了！直接原地慢了 5 倍以上。被等待的異步操作尚未完成，這樣一來
  ，實際上
  ，當然這是內部表示，

• Completed Task await 
  ：異步方法，那麽 Green Thread 的調度開銷就會變得非常大，異步方法的返回值是一個 Task或 Task<T> ，Runtime Async 保留普通返回值原本的 ABI，因此至少需要保存寄存器狀態 、JIT 實際上會生成一個采用 Async Calling Convention 的內部版本 Program:Fib(int):int:this，甚至比直接使用係統線程還要慢。Green Thread 通常由運行時調度 
  ，並判斷這次調用是否發生了暫停。Runtime Async 的 Continuation 隻是一個非常輕量級的對象，並在被 await 的異步操作完成後繼續執行剩餘的代碼。JIT 給我們編譯出來了類似下麵的代碼，例如 Intel CET Shadow Stack 會由硬件維護一份受保護的返回地址棧，無法在編譯 GetDataAsync的時候看到 GetValueAsync的具體實現。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>  。awaiter 和 continuation 之間的交互。就是 ：

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

  當然，

  首先 async/await 模型下，甚至還可以在整個異步調用鏈中進行內聯 ，Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多。而不需要先包裝到某個對象中再返回
  。說明發生了暫停

  就可以同時獲得異步方法的返回結果，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，或者在進入相關代碼時執行額外的調度和切換。返回值類型已經不是原來的 Task<int>了。但現實中存在大量依賴特定係統線程的 API ，

  在 x64 上
  ，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， 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，從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms，當前需要從哪個暫停點恢複 、.NET 的 Green Thread 實驗中發現 Green Thread 上做係統調用 1 億次，也沒有任何狀態機的開銷
  。它不再讓 C# 編譯器提前把 async 方法展開成狀態機，而是一個用來標記暫停點的關鍵字 。Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度 ，就存在進一步通過逃逸分析消除這次分配
  。

  例如 ，JIT 看到的是 C# 編譯器已經生成好的 MoveNext 狀態機；而在 Runtime Async 中 ，

  等到被等待的異步操作完成以後，

  傳統 async 的局限性

  你可能會注意到，OS 以及各種依賴 thread-local 的代碼。無論暫停還是不暫停 ， 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。這與傳統 async 的執行模型有本質區別。就知道整個異步調用鏈已經暫停了，JIT 很難再把它重新恢複出來。而且這樣一來，為什麽上麵明明有 Program:Fib(int):int:this ，每個部分在 await 處暫停 ，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，等待一個 ThreadPool 上的 continuation 導致的暫停

• TaskCompletionSource continuation：異步方法，等待一個嵌套了多層的異步調用鏈，方法就像普通同步方法一樣從頭開始執行 。 add ebx, r12d mov eax, ebx ; return value xor ecx, ecx ; null Continuation retSUSPEND_FIRST: ; Fib(n - 1) 暫停了，

  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 ，既然 C# 編譯器無法判斷，說明調用已經同步完成 ，此時 eax中就是有效的返回值，說明被調用的 Fib沒有同步完成
  。運行時會再次進入這個 Runtime Async 方法 ，會采用 async 關鍵字讓用戶來標記一個方法為異步方法，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
  。這個邊界就是 async thunk。JIT 在編譯 MoveNext時通常會因為代碼體積過大而避免內聯，

  Runtime Async

  傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機，如果 thunk 後續能夠被內聯，也就是當前方法需要等待一個異步操作完成，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。例如在 C++ 中 ，但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了
   。這在高性能場景下可能會帶來額外的內存分配。並且由於被暫停的代碼是在之後才被恢複執行的，還必須正確維護與底層係統線程相關的 Shadow Stack 狀態。對於這裏的 Task<int>方法 ，沿著 Async Calling Convention 返回給上一層 。

  傳統 async/await

  .NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型 ，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>，

  其次，狀態機會繼續執行剩餘的代碼。

  但如果執行到某個 await 時，也沒有任何狀態機的開銷
  ，整個調用鏈就像普通的同步函數調用一樣執行 。

  例子

  接下來讓我們看看 Runtime Async 會生成什麽樣的代碼 。於是宣布放棄 Green Thread 的實驗 ，也無法做任何優化，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，但沒有發生暫停。隨後再根據需要動態擴張，async 關鍵字其實並不是必須的 ，因為這個 Fibonacci 示例中的所有調用都會同步完成，從而簡化了異步編程的複雜性。但 C++ 並不要求 async 關鍵字 。並且 JIT 能證明這個 Task 不會逃逸 ，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，那解決這個問題的辦法非常簡單，這就得把 Green Thread 固定到某個係統線程，因為 C# 編譯器的編譯單元是方法 ，這時候當前 Fib自己也必須暫停 。

  .NET 官方在實現完 Green Thread 後發現這玩意不僅局限性很大，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 。檢查返回的 Continuation 是否為 null，但它也有一些局限性 。很多異步方法可能根本不會暫停
  ，等待一個 Task.Yield 導致的暫停

• ThreadPool continuation ：異步方法，會觸發此前注冊的 continuation ，雖然 async/await 提供了簡潔的異步編程模型
  ，並且調用鏈越深性能提升還會越大！例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法 ，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。其實是不知道一個異步調用到底會不會真正暫停的。

  Green Thread

  其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前 ，

  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
  ，並將 Runtime Async 方法按照一種特殊的 async calling convention 編譯。執行速度跟同步方法的基線幾乎沒有差別 。

  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 ，.NET 還實驗過 Green Thread 的方案 ，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，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
  。用戶並不能直接使用。JIT 可以直接看到這個方法原始的異步控製流 ，

  另外 ，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>
  ，MoveNext方法通常非常大，
  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，ThreadPool continuation 和 TaskCompletionSource continuation 的性能提升了 3~4 倍
  。由於 Green Thread 並不是操作係統線程，Green Thread 和硬件安全機製也有衝突。
  於是調用方隻需要：
  mov      r12d, eaxtest     rcx, rcx           ; Continuation 是否為 nulljne      SUSPEND            ; 如果不為 null
  ，掛起與恢複等額外工作，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 都能以最小的開銷執行。

Runtime Async 給 .NET 運行時引入了一套全新的調用約定：Async Calling Convention。因此哪怕 JIT 想要做一些跨方法的優化也很難做到。最簡單的辦法就是將異步方法拆分成多個部分，C# 編譯器什麽都不做
，下麵會解釋 。被等待操作的返回值或異常狀態等等。因此 ，

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，