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，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 。

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 ，既然 C# 編譯器無法判斷，

最後 ，JIT 實際上會生成一個采用 Async Calling Convention 的內部版本 Program:Fib(int):int:this ，被等待的異步操作尚未完成，使狀態機再次執行 MoveNext。調用棧以及運行時調度所需的各種元數據 。下麵會解釋。從而減少內存分配 。當前需要從哪個暫停點恢複
、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>，將當前異步方法拆分成多個部分 ，並將 Runtime Async 方法按照一種特殊的 async calling convention 編譯。一旦大量代碼具有這種要求，在所有測試中 ，

Green Thread

其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前
，並且調用鏈越深性能提升還會越大！就存在進一步通過逃逸分析消除這次分配。

如果 rcx == null，而是把異步控製流保留到運行時
，ThreadPool continuation 和 TaskCompletionSource continuation 的性能提升了 3~4 倍 。線程親和性也是一個問題。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  。例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法 ，從而進一步提高性能 。因此至少需要保存寄存器狀態 、 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，額外的 Continuation 也走寄存器，

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 ，這會使很多原本可以跨方法進行的優化變得非常困難。無論暫停還是不暫停，.NET 的 Green Thread 實驗中發現 Green Thread 上做係統調用 1 億次，於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態 。JIT 看到的已經不是 A -- await B -- await C這樣直接的異步調用鏈，

其次 ，此時方法就會從上次暫停的地方繼續執行 ，如果為 null 說明已經同步完成
，運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換 、調度行為和運行時高度耦合 ，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。C# 編譯器會把異步方法改寫成狀態機，而不需要先包裝到某個對象中再返回
。同樣采用了 async/await 模型 ，性能提升了近 20 倍，說明被調用的 Fib沒有同步完成 。

Runtime Async 給 .NET 運行時引入了一套全新的調用約定 ：Async Calling Convention
。而且扔到 asp.net core 裏跑發現 RPS 居然不升反降，Runtime Async 也有顯著的性能提升 ，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。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，從而進一步導致 JIT 看不到整個異步調用鏈，導致開發者無法自由地控製調度行為。並不保證恢複執行時仍然運行在原來的係統線程上。對於這裏的 Task<int>方法，這使得其可以在整個異步調用鏈中進行跨方法的優化 ，直到整個異步調用鏈完成。Runtime Async 的 Continuation 隻是一個非常輕量級的對象 ，並判斷這次調用是否發生了暫停。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，最簡單的辦法就是將異步方法拆分成多個部分 ，等待一個 TaskCompletionSource 導致的暫停

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

當然 ，無法在編譯 GetDataAsync的時候看到 GetValueAsync的具體實現 。async/await 模型下 ，

Runtime Async

傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機
，會觸發此前注冊的 continuation，它隻需要保存非常少量的東西，並且需要在被等待的異步操作完成後繼續執行。Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多。這意味著整個調用鏈中沒有創建任何 Task對象 ，這樣的調用鏈實際上是同步的。await關鍵字會暫停 GetDataAsync方法的執行，

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
，從而簡化了異步編程的複雜性。MoveNext方法通常非常大 ，

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，當異步操作完成時
，                        // continuation 最終在哪裏執行取決於 awaiter 以及當前的 SynchronizationContext / TaskScheduler 等。await 不是一個普通的識別符，
總結
Runtime Async 是 .NET 11 引入的一套全新的異步執行機製	。Task.Delay(1000)是一個異步操作
，掛起與恢複等額外工作
，因此
，運行時會再次進入這個 Runtime Async 方法	，這在高性能場景下可能會帶來額外的內存分配
。這破壞了 JIT 對整個異步調用鏈的優化能力。當然這是內部表示，awaiter 和 method builder 來驅動執行	。用戶並不能直接使用。而是通過 AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的 Task<int>。方法就像普通同步方法一樣從頭開始執行
。
不過相信你會發現，JIT 給我們編譯出來了類似下麵的代碼，async/await 模型下，從而編譯器會以 await 為邊界
，    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，直到 Task.Delay完成，例如 goroutine 的用戶棧初始大小大約就是 2 KB
，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
，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。                        state = 1;                        // 注冊 continuation
。從而避免了線程切換的開銷。從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms
，則把 Task<int> 設置為失敗狀態。當異步調用沒有真正發生暫停時	
，裏麵存儲了保存的異步狀態。例如部分 GUI、因為這個 Fibonacci 示例中的所有調用都會同步完成
	，
.NET 官方在實現完 Green Thread 後發現這玩意不僅局限性很大
，而是一個用來標記暫停點的關鍵字	。而且這樣一來，
運行後，類似於 goroutine 和 Java Virtual Thread，JIT 也很難把多個異步調用鏈給內聯到一起。這個方法通過寄存器傳遞參數（this 指針、由於 JIT 能夠直接看到完整的異步調用控製流，
除此之外

，等待一個 Task.Yield 導致的暫停

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;

xor      rsi, rsicall     [Program:Fib(int):int:this]mov      ebx, eaxtest     rcx, rcx       ; Continuation 是否為 null

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

public Task<int> GetDataAsync(){     var stateMachine = new StateMachine();    stateMachine.MoveNext();    return stateMachine.ResultTask;}

var result1 = Fib(n - 1);var result2 = Fib(n - 2);return result1 + result2;

• 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  ，

  然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停 ，那 JIT 就算看穿了整個異步調用鏈，

  性能測試

  接下來我們來看看 Runtime Async 的性能表現。但 C++ 並不要求 async 關鍵字。C# 之所以要求 async 關鍵字，此時 eax中就是有效的返回值 ， 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 ，

  於是調用方隻需要：

  mov      r12d, eaxtest     rcx, rcx           ; Continuation 是否為 nulljne      SUSPEND            ; 如果不為 null
  ，也就是當前方法需要等待一個異步操作完成，幾乎完全消除了傳統 async 的開銷	
  ，這與傳統 async 的執行模型有本質區別。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。那到運行時
  ，直接調用普通方法

• Async method, no suspension：異步方法 ，當然 ，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 。因為 C# 編譯器的編譯單元是方法，預熱之後各個測試運行一億次，隨後再根據需要動態擴張
  ，異步方法的返回值是一個 Task或 Task<T>，

  當第一次調用異步方法時，並把之前保存的 Continuation 作為額外參數傳回來。調用鏈更深的 Async state-machine chain 的性能更是提升了 7.4 倍，再額外傳遞一個 Continuation 對象。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，但 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了 ，此時運行時會保存繼續執行所需要的狀態，所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用 ，.NET 還實驗過 Green Thread 的方案， CompleteTask(ResultTask, 42); return; } } } catch (Exception ex) { // 如果在 MoveNext 中拋出了異常，C# 編譯器在變換異步方法的時候
  ，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，

    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，相較於 Green Thread，隻要目標架構的調用約定允許，JIT 很難再把它重新恢複出來。C# 編譯器什麽都不做，Runtime Async 直接把內存分配和 GC 全都降到了 0 ，

    另外 ，這樣一來 ，

    另外，並不需要為每一層 async 調用創建額外的結果包裝對象 ，直接原地慢了 5 倍以上。Fib 的簽名仍然是 Task<int> Fib(int)
    。雖然 async/await 提供了簡潔的異步編程模型，這套調用約定會在在普通的方法調用約定之外 ，被標記的方法則會作為 CPS 變換的入口點 。由 JIT 直接處理和優化。這套機製允許開發者以同步方式編寫異步代碼 ，JIT 看到的是 C# 編譯器已經生成好的 MoveNext 狀態機；而在 Runtime Async 中
     ，但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了。