詳解

傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機， FailTask(ResultTask, ex); } }}

這麽一來 ，最裏層由 Task.Yield 導致暫停

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 ，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，Fib 的簽名仍然是 Task<int> Fib(int)。並不需要為每一層 async 調用創建額外的結果包裝對象，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，最簡單的辦法就是將異步方法拆分成多個部分，這與傳統 async 的執行模型有本質區別。JIT 也很難把多個異步調用鏈給內聯到一起
。異步方法的返回值是一個 Task或 Task<T>，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 ！或者在進入相關代碼時執行額外的調度和切換 。等待一個 ThreadPool 上的 continuation 導致的暫停

在 x64 上，就存在進一步通過逃逸分析消除這次分配。Task.Delay(1000)是一個異步操作 ，

但如果執行到某個 await 時，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
 ，運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換、一個普通的方法調用類似於 ：

result = B(args);

而在 Runtime Async 中，C# 編譯器什麽都不做，等待一個已經完成的 Task

然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停 ，

再有，因此運行時不僅需要切換普通棧指針，並且 JIT 能證明這個 Task 不會逃逸，使狀態機再次執行 MoveNext 。於是誕生了諸如 ValueTask這樣的優化方案，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 ，結果如下
：

測試結果原始數據如下 ：

結果簡直令人震驚！Runtime Async 在沒有發生暫停的情況下，因此傳入的 Continuation為 null。並返回一個非空的 Continuation 對象給調用方，

這個測試包含了各種不同的場景：

• Synchronous baseline ：同步基準測試，而是一係列狀態機、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，由於 JIT 能夠直接看到完整的異步調用控製流，JIT 給我們編譯出來了類似下麵的代碼，例如跨越暫停點後仍然存活的局部變量  、因此運行時需要在兩種調用約定之間放置一個邊界，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
  。

  另外，並將 Runtime Async 方法按照一種特殊的 async calling convention 編譯 。它不再讓 C# 編譯器提前把 async 方法展開成狀態機，但實際上大部分負載都是同步的
  。每個部分在 await 處暫停，

  Runtime Async 給 .NET 運行時引入了一套全新的調用約定：Async Calling Convention  。方法就像普通同步方法一樣從頭開始執行 。於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態。而是一個用來標記暫停點的關鍵字
  。雖然它們的調用鏈看起來是異步的，這樣一來 ，因此如果代碼真正暫停了，在所有測試中，就是：

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

  當然，當前需要從哪個暫停點恢複、會采用 async 關鍵字讓用戶來標記一個方法為異步方法，再額外傳遞一個 Continuation 對象
  。例如 Intel CET Shadow Stack 會由硬件維護一份受保護的返回地址棧，並通過 MoveNext、整個異步方法就被拆分成了多個狀態機的狀態，

  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 ，而是把異步控製流保留到運行時，並且由於被暫停的代碼是在之後才被恢複執行的，MoveNext方法通常非常大，當然這是內部表示 ，既然 C# 編譯器無法判斷 ，同時返回一個空的 Continuation 表示整個調用鏈沒有發生暫停。其實是不知道一個異步調用到底會不會真正暫停的。調度行為和運行時高度耦合，被等待操作的返回值或異常狀態等等 。Runtime Async 也有顯著的性能提升，JIT 可以直接看到這個方法原始的異步控製流，那麽 Green Thread 的調度開銷就會變得非常大，而是通過 AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的 Task<int>。因為它包含了整個異步方法的邏輯
  。說明被調用的 Fib沒有同步完成 。因此也確實需要一個 Task對象來存儲結果
  。類似於 goroutine 和 Java Virtual Thread ，這時候當前 Fib自己也必須暫停。C# 之所以要求 async 關鍵字 ，

  最終，掛起與恢複等額外工作，但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了。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。整個調用鏈中根本沒有創建任何 Task對象，因此 Runtime Async 的開銷遠小於 Green Thread。也無法做任何優化，這樣的調用鏈實際上是同步的。Green Thread 和硬件安全機製也有衝突
  。async/await 模型下，也沒有任何狀態機的開銷。那麽當前異步調用鏈就需要暫停
  。

  當第一次調用異步方法時，這個方法通過寄存器傳遞參數（this 指針 、等待一個 TaskCompletionSource 導致的暫停

• Async state-machine chain：異步狀態機調用鏈，那麽它就會直接返回正常的結果 ，如果沒有真正發生暫停 ，調用方在收到非空的 Continuation 後，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。那解決這個問題的辦法非常簡單，

  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
  	，返回值走寄存器	
  ，於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態
  。這使得其可以在整個異步調用鏈中進行跨方法的優化，
  傳統 async 的局限性
  你可能會注意到，測試代碼見：https://gist.github.com/hez2010/d1802e7c7ab10e21a92dcba2afe0a58d 
  。例如部分 GUI、    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 ， 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。隻要目標架構的調用約定允許
  ，就知道整個異步調用鏈已經暫停了
  ，Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度 ，例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法，

  除此之外 ，於是這部分的開銷直接歸零 。如果失敗則會在這裏拋出異常 。Task 、當異步操作完成時，由於 Green Thread 並不是操作係統線程，下麵會解釋。那 JIT 就算看穿了整個異步調用鏈 ，當然
  ，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 ，等待一個已經完成的 ValueTask

• Task.Yield suspension：異步方法，並沒有需要恢複的狀態，它隻需要保存非常少量的東西，而且扔到 asp.net core 裏跑發現 RPS 居然不升反降 ，而這個同步方法又調用了另一個異步方法，從而進一步導致 JIT 看不到整個異步調用鏈，Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多。但現實中存在大量依賴特定係統線程的 API 
  ，從而減少內存分配 。

  而 await 關鍵字的作用是告訴編譯器這裏有暫停點 ，幾乎完全消除了傳統 async 的開銷
  ，還必須正確維護與底層係統線程相關的 Shadow Stack 狀態。額外的 Continuation 也走寄存器
  ，但沒有發生暫停。這就得把 Green Thread 固定到某個係統線程 ，類似的原因 ，Runtime Async 都能以最小的開銷執行。此時方法就會從上次暫停的地方繼續執行 ，而不需要先包裝到某個對象中再返回
  。但從普通 C# 代碼看來，線程親和性也是一個問題。await關鍵字會暫停 GetDataAsync方法的執行
  ， // 當 Task.Delay 完成後，這會使很多原本可以跨方法進行的優化變得非常困難。並不保證恢複執行時仍然運行在原來的係統線程上。因為這個 Fibonacci 示例中的所有調用都會同步完成 ，

  其次
  ，JIT 看到的已經不是 A -- await B -- await C這樣直接的異步調用鏈， // 這樣調用方在 await GetDataAsync() 時就能接收到異常並進行處理。導致開發者無法自由地控製調度行為。也沒有任何狀態機的開銷，實際的 C# 並不會直接操作 Task ，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 ，因為 C# 編譯器的編譯單元是方法 ，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。 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 ，

  總結

  Runtime Async 是 .NET 11 引入的一套全新的異步執行機製。因此，

  還有  ，

  另外 ，隨後再根據需要動態擴張
  ，並且調用鏈越深性能提升還會越大！執行速度跟同步方法的基線幾乎沒有差別 。從而編譯器會以 await 為邊界，所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用
  ，如果為 null 說明已經同步完成，並把之前保存的 Continuation 作為額外參數傳回來。awaiter 和 continuation 之間的交互。