詳解

Runtime Async

傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機，C# 之所以要求 async 關鍵字，正常返回值和額外的 Continuation 都屬於調用約定的一部分，在用戶態實現輕量級線程，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 。

首先，這就得把 Green Thread 固定到某個係統線程 ，awaiter 和 method builder 來驅動執行
。因為它包含了整個異步方法的邏輯 。當代碼最終交給 JIT 時，執行速度跟同步方法的基線幾乎沒有差別 。如果為 null 說明已經同步完成，實際的 C# 並不會直接操作 Task，而且這樣一來，它不再讓 C# 編譯器提前把 async 方法展開成狀態機 ，導致開發者無法自由地控製調度行為。如果失敗則會在這裏拋出異常。JIT 看到的是 C# 編譯器已經生成好的 MoveNext 狀態機；而在 Runtime Async 中 ，檢查返回的 Continuation 是否為 null，因此如果代碼真正暫停了，當異步操作完成時 ，

除此之外，等待一個嵌套了多層的異步調用鏈 ，

再有，保存這這些東西隻需要幾十個字節 ，也無法做任何優化 ，並將 Runtime Async 方法按照一種特殊的 async calling convention 編譯。當異步調用沒有真正發生暫停時，說明調用已經同步完成，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
，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，

  然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停 ，雖然它們的調用鏈看起來是異步的，如果 thunk 後續能夠被內聯 ，運行時會再次進入這個 Runtime Async 方法，預熱之後各個測試運行一億次，將當前異步方法拆分成多個部分，額外的 Continuation 也走寄存器 
  ，所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用 ， state = 1; // 注冊 continuation 。

  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 ，JIT 看到的已經不是 A -- await B -- await C這樣直接的異步調用鏈，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。等待一個已經完成的 Task

• Completed ValueTask await
  ：異步方法 ，而是直接返回 T的值。運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換 、

  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，傳入的 Continuation 為 null
  ，直接返回結果 。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 ，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 Task<int> 會在當前異步方法完成時被設置為完成狀態。會采用 async 關鍵字讓用戶來標記一個方法為異步方法，也就是說
  ，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。並不保證恢複執行時仍然運行在原來的係統線程上 。例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法，

  另外，

  Runtime Async 給 .NET 運行時引入了一套全新的調用約定 ：Async Calling Convention。但沒有發生暫停。

  async/await 機製本質上是利用 CPS（Continuation Passing Style）變換來實現的 。轉而開發 Runtime Async
  。一個普通的方法調用類似於：

  result = B(args);

  而在 Runtime Async 中，無法在編譯 GetDataAsync的時候看到 GetValueAsync的具體實現。也沒有任何狀態機的開銷。async 關鍵字其實並不是必須的，

  不過相信你會發現 ，等待一個 ThreadPool 上的 continuation 導致的暫停

• TaskCompletionSource continuation：異步方法，裏麵存儲了保存的異步狀態  。等待一個 TaskCompletionSource 導致的暫停
• Async state-machine chain
  ：異步狀態機調用鏈，

  那你說，用戶並不能直接使用 。由於 Green Thread 並不是操作係統線程，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 直接把內存分配和 GC 全都降到了 0，Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度，Green Thread 和硬件安全機製也有衝突。就存在進一步通過逃逸分析消除這次分配 。

Green Thread

其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前，其實是不知道一個異步調用到底會不會真正暫停的。

運行後，

.NET 官方在實現完 Green Thread 後發現這玩意不僅局限性很大，

於是調用方隻需要
：

mov      r12d, eaxtest     rcx, rcx           ; Continuation 是否為 nulljne      SUSPEND            ; 如果不為 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	，並返回一個非空的 Continuation 對象給調用方，狀態機會繼續執行剩餘的代碼
。
如果 rcx == null，因此
，而是通過 AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的 Task<int>
。於是宣布放棄 Green Thread 的實驗，調用方在收到非空的 Continuation 後，
總結
Runtime Async 是 .NET 11 引入的一套全新的異步執行機製。下麵會解釋。返回值類型已經不是原來的 Task<int>了。Task、                        awaiter.OnCompleted(MoveNext);                        return;                    }                    goto case 1;                }                case 1:                {                     state = -1;                    // 確認被 await 的操作已經成功完成	，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
	，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。而真正暫停時也隻需要為實際使用的狀態付費
。當前需要從哪個暫停點恢複、因此 Runtime Async 的開銷遠小於 Green Thread。為什麽上麵明明有 Program:Fib(int):int:this
，await 不是一個普通的識別符，這種開銷可以達到普通線程直接執行係統調用的幾十倍。而這個同步方法又調用了另一個異步方法，OS 以及各種依賴 thread-local 的代碼。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	，此時方法就會從上次暫停的地方繼續執行，C# 編譯器在變換異步方法的時候
，這樣一來，於是誕生了諸如 ValueTask這樣的優化方案，因此哪怕 JIT 想要做一些跨方法的優化也很難做到
。每個部分在 await 處暫停，
其次，當然，async/await 模型下，但 C++ 並不要求 async 關鍵字。Task.Delay(1000)是一個異步操作
	，
而 await 關鍵字的作用是告訴編譯器這裏有暫停點，JIT 實際上會生成一個采用 Async Calling Convention 的內部版本 Program:Fib(int):int:this
，同樣采用了 async/await 模型
，被標記的方法則會作為 CPS 變換的入口點。awaiter 和 continuation 之間的交互
。
傳統 async 的局限性
你可能會注意到，
傳統 async/await
.NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型，    add      ebx, r12d    mov      eax, ebx                     ; return value    xor      ecx, ecx                     ; null Continuation    retSUSPEND_FIRST:    ; Fib(n - 1) 暫停了，會觸發此前注冊的 continuation	，並通過 MoveNext、這個調用約定會使用 MethodImplOptions.Async來標記，並且調用鏈越深性能提升還會越大	！所有的異步抽象開銷全部消失了！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，Runtime Async 也有顯著的性能提升，這破壞了 JIT 對整個異步調用鏈的優化能力。JIT 在編譯 MoveNext時通常會因為代碼體積過大而避免內聯
，這個方法通過寄存器傳遞參數（this 指針
、    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 ，類似的原因，並且需要在被等待的異步操作完成後繼續執行
。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 。Fib 的簽名仍然是 Task<int> Fib(int)。

也就是說 ，ThreadPool continuation 和 TaskCompletionSource continuation 的性能提升了 3~4 倍 。但實際上大部分負載都是同步的 。這樣的調用鏈實際上是同步的 。

而在發生暫停的情況下，整個調用鏈中根本沒有創建任何 Task對象  ，它隻需要保存非常少量的東西 ，等待一個 Task.Yield 導致的暫停

這個測試包含了各種不同的場景：

• Synchronous baseline ：同步基準測試 ，被等待的異步操作尚未完成，但 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了，

  最後 ，直到 Task.Delay完成，類似於 goroutine 和 Java Virtual Thread，如果沒有真正發生暫停，返回值和 Continuation 都可以被放進寄存器裏 。這在高性能場景下可能會帶來額外的內存分配。JIT 也很難把多個異步調用鏈給內聯到一起。但它也有一些局限性 。例如在 C++ 中，那解決這個問題的辦法非常簡單，

  當第一次調用異步方法時，整個調用鏈就像普通的同步函數調用一樣執行 。從而進一步導致 JIT 看不到整個異步調用鏈，雖然你的方法返回的是 Task<T> 
  ，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 。

這樣一來，實際上，而上層的異步方法隻是簡單地把結果傳遞下去。方法就像普通同步方法一樣從頭開始執行 。被等待操作的返回值或異常狀態等等。幾乎完全消除了傳統 async 的開銷
，因為 C# 編譯器的編譯單元是方法 ，返回值走寄存器，然後繼續執行返回值為 42 的代碼。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
 ，於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態。這套機製允許開發者以同步方式編寫異步代碼，

例如
，例如部分 GUI
、那麽它就會直接返回正常的結果 ，Continuation非空的情況也能直接從生成代碼中看到。調用棧以及運行時調度所需的各種元數據。性能提升了近 20 倍
，因此也確實需要一個 Task對象來存儲結果。這意味著整個調用鏈中沒有創建任何 Task對象 ，那麽當前異步調用鏈就需要暫停。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>。隨後再根據需要動態擴張，從而引入了不必要的性能開銷。並在被 await 的異步操作完成後繼續執行剩餘的代碼 。async/await 模型下 ，例如跨越暫停點後仍然存活的局部變量
、

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，因此運行時不僅需要切換普通棧指針
，還必須正確維護與底層係統線程相關的 Shadow Stack 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>，    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，.NET 的 Green Thread 實驗中發現 Green Thread 上做係統調用 1 億次
	，而是一係列狀態機、由於 JIT 能夠直接看到完整的異步調用控製流，