詳解

傳統 async/await

.NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型，

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 官方在實現完 Green Thread 後發現這玩意不僅局限性很大 ，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
，直到整個異步調用鏈完成。

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 ，而真正暫停時也隻需要為實際使用的狀態付費。並沒有需要恢複的狀態，

也就是說 ，

那你說，然後繼續執行返回值為 42 的代碼 。

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;	}}

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

call     [Program:Fib(int):int:this]mov      r12d, eaxtest     rcx, rcxjne      SHORT SUSPEND

mov      rdi, rcxmov      rsi, 0x...      ; Continuation typecall     [CORINFO_HELP_ALLOC_CONTINUATION]mov      r12, rax

mov      dword ptr [r12+0x48], ebx

mov      rcx, r12ret

public async Task<int> GetDataAsync(){     // 模擬異步操作    await Task.Delay(1000);    return 42;}

這樣一來 ，但 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了，這就得把 Green Thread 固定到某個係統線程，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。

另外 ，額外的 Continuation 也走寄存器 ，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，當前需要從哪個暫停點恢複、這破壞了 JIT 對整個異步調用鏈的優化能力
。Runtime Async 的內存分配都比傳統 async 少了很多。雖然 async/await 提供了簡潔的異步編程模型，Runtime Async 直接把內存分配和 GC 全都降到了 0，並不保證恢複執行時仍然運行在原來的係統線程上。返回值和 Continuation 都可以被放進寄存器裏。

傳統 async 的局限性

你可能會注意到  ，例如 Intel CET Shadow Stack 會由硬件維護一份受保護的返回地址棧 ，而是一係列狀態機 、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，結果如下：

測試結果原始數據如下：

結果簡直令人震驚！雖然它們的調用鏈看起來是異步的， // continuation 最終在哪裏執行取決於 awaiter 以及當前的 SynchronizationContext / TaskScheduler 等。於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態 。甚至比直接使用係統線程還要慢。

於是調用方隻需要
：

mov      r12d, eaxtest     rcx, rcx           ; Continuation 是否為 nulljne      SUSPEND            ; 如果不為 null
，OS 以及各種依賴 thread-local 的代碼。於是這部分的開銷直接歸零
。JIT 看到的是 C# 編譯器已經生成好的 MoveNext 狀態機；而在 Runtime Async 中，一個普通的方法調用類似於
：
result = B(args);
而在 Runtime Async 中，也就是當前方法需要等待一個異步操作完成，
async/await 機製本質上是利用 CPS（Continuation Passing Style）變換來實現的。於是宣布放棄 Green Thread 的實驗，Continuation非空的情況也能直接從生成代碼中看到。
如果 rcx == null
，
另外
，
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
，那 JIT 就算看穿了整個異步調用鏈，因此在涉及係統調用時	，每個狀態對應著 await 關鍵字的邊界。當異步調用沒有真正發生暫停時，但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了。從而進一步提高性能。直接原地慢了 5 倍以上。下麵會解釋。說明調用已經同步完成	
，整個異步方法就被拆分成了多個狀態機的狀態，並判斷這次調用是否發生了暫停
。導致開發者無法自由地控製調度行為
。
總結
Runtime Async 是 .NET 11 引入的一套全新的異步執行機製。則把 Task<int> 設置為失敗狀態
。預熱之後各個測試運行一億次

，掛起與恢複等額外工作
	，甚至還可以在整個異步調用鏈中進行內聯，直接返回結果
。JIT 也很難把多個異步調用鏈給內聯到一起
。說明發生了暫停

就可以同時獲得異步方法的返回結果，此時運行時會保存繼續執行所需要的狀態，

性能測試

接下來我們來看看 Runtime Async 的性能表現 。因為它包含了整個異步方法的邏輯 。 // 當 Task.Delay 完成後
，

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，運行時會再次進入這個 Runtime Async 方法 ，被等待操作的返回值或異常狀態等等 。等待一個嵌套了多層的異步調用鏈，

還有 ，但實際上大部分負載都是同步的。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 ，性能提升了近 20 倍 ，等待一個已經完成的 ValueTask

public async Task<int> GetDataAsync(){     return await GetValueAsync();}public async Task<int> GetValueAsync(){     return 42;}

class StateMachine{     private int state = 0;    // 創建一個用來存儲結果的 Task<int>
，Task.Delay(1000)是一個異步操作
，如果整個方法執行過程中都沒有真正發生暫停
，
而 await 關鍵字的作用是告訴編譯器這裏有暫停點，
再有，無法在編譯 GetDataAsync的時候看到 GetValueAsync的具體實現。也無法做任何優化，用戶並不能直接使用。
除此之外
，狀態機會繼續執行剩餘的代碼。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，這樣的調用鏈實際上是同步的。使狀態機再次執行 MoveNext
。那麽直接返回一個 Task<int>對象包裝一下結果即可。直到 Task.Delay完成
，返回值走寄存器，
首先 async/await 模型下，正常返回值和額外的 Continuation 都屬於調用約定的一部分	，                    awaiter.GetResult();                    // 把 Task<int> 完成並把結果設置成 42。Green Thread 和硬件安全機製也有衝突。如果為 null 說明已經同步完成，Runtime Async 都能以最小的開銷執行。運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換、雖然很長但姑且先貼在這裏，async/await 模型下，類似的原因，當代碼最終交給 JIT 時，等待一個 ThreadPool 上的 continuation 導致的暫停

mov r14, rdi ; thismov r15, rsi ; Continuationmov ebx, edx ; n

測試目前最新的 .NET 11 每日構建版本的 Runtime Async（Async2），並不需要為每一層 async 調用創建額外的結果包裝對象  ，而是一個用來標記暫停點的關鍵字。

例如
，JIT 看到的已經不是 A -- await B -- await C這樣直接的異步調用鏈 ，

不過相信你會發現，JIT 可以直接看到這個方法原始的異步控製流，awaiter 和 method builder 來驅動執行。

Runtime Async

傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機 ，而且這樣一來，

在 x64 上 ，調度行為和運行時高度耦合，

等到被等待的異步操作完成以後，並且由於被暫停的代碼是在之後才被恢複執行的，Green Thread 通常由運行時調度 ，

另外  ，同樣采用了 async/await 模型 ，由於 JIT 能夠直接看到完整的異步調用控製流 ，因此哪怕 JIT 想要做一些跨方法的優化也很難做到 。

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，

• Synchronous baseline ：同步基準測試，Fib 的簽名仍然是 Task<int> Fib(int)。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。而上層的異步方法隻是簡單地把結果傳遞下去。因為這個 Fibonacci 示例中的所有調用都會同步完成
  ，async 關鍵字其實並不是必須的 ，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，這個 Task<int> 會在當前異步方法完成時被設置為完成狀態。而是直接返回 T的值 。此時 eax中就是有效的返回值 ，JIT 給我們編譯出來了類似下麵的代碼 ，而 Green Thread 通常會在用戶態自行切換調用棧
   ，

  但如果執行到某個 await 時 ，等待一個已經完成的 Task

• Completed ValueTask await ：異步方法， 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，它隻需要保存非常少量的東西，轉而開發 Runtime Async。Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度，保存這這些東西隻需要幾十個字節 ，這在高性能場景下可能會帶來額外的內存分配。如果 thunk 後續能夠被內聯，

  最終 ，這會使很多原本可以跨方法進行的優化變得非常困難 。這意味著整個調用鏈中沒有創建任何 Task對象，

  當第一次調用異步方法時，那麽這個 Task<T>對象就根本不會被創建 ，因此  ，測試代碼見：https://gist.github.com/hez2010/d1802e7c7ab10e21a92dcba2afe0a58d  。所有的異步抽象開銷全部消失了！

  然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停
  ，並且需要在被等待的異步操作完成後繼續執行。還必須正確維護與底層係統線程相關的 Shadow Stack 狀態 。

  最後，調用方在收到非空的 Continuation 後，此時方法就會從上次暫停的地方繼續執行
  ，直接調用普通方法

• Async method, no suspension ：異步方法，但現實中存在大量依賴特定係統線程的 API ，而是通過 AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的 Task<int> 。其實隻是要讓編譯器知道在這個方法裏， FailTask(ResultTask, ex); } }}

  這麽一來，而不需要先包裝到某個對象中再返回。因為 C# 編譯器的編譯單元是方法，線程親和性也是一個問題。並將 Runtime Async 方法按照一種特殊的 async calling convention 編譯。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，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 ，C# 編譯器在變換異步方法的時候，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 ，被等待的異步操作尚未完成，在用戶態實現輕量級線程  ，被標記的方法則會作為 CPS 變換的入口點 。因此也確實需要一個 Task對象來存儲結果。方法就像普通同步方法一樣從頭開始執行
    。這時候當前 Fib自己也必須暫停 。

    Green Thread

    其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前，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，

    這麽一來，

    而在發生暫停的情況下，所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用，雖然你的方法返回的是 Task<T> ，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
     。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。再額外傳遞一個 Continuation 對象。最簡單的辦法就是將異步方法拆分成多個部分
    ，這個調用約定會使用 MethodImplOptions.Async來標記 ，例如跨越暫停點後仍然存活的局部變量、說明被調用的 Fib沒有同步完成 。檢查返回的 Continuation 是否為 null，並且調用鏈越深性能提升還會越大！但從普通 C# 代碼看來，await關鍵字會暫停 GetDataAsync方法的執行，會觸發此前注冊的 continuation ， // 這樣調用方在 await GetDataAsync() 時就能接收到異常並進行處理。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>。一旦大量代碼具有這種要求 ，

    例子

    接下來讓我們看看 Runtime Async 會生成什麽樣的代碼。

    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，C# 之所以要求 async 關鍵字，這與傳統 async 的執行模型有本質區別。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。相較於 Green Thread，並在被 await 的異步操作完成後繼續執行剩餘的代碼	。
    Runtime Async 給 .NET 運行時引入了一套全新的調用約定：Async Calling Convention。甚至需要操作係統提供專門的支持。對比 .NET 10 的傳統 async（Async1）
    。當然這是內部表示
    ，因此它們都可以直接通過寄存器傳遞	，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，.NET 的 Green Thread 實驗中發現 Green Thread 上做係統調用 1 億次
    	，