詳解

那你說，

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，例如跨越暫停點後仍然存活的局部變量、async/await 模型下 ，當然這是內部表示 ，甚至需要操作係統提供專門的支持。一個普通的方法調用類似於：

result = B(args);

而在 Runtime Async 中，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 。 // continuation 最終在哪裏執行取決於 awaiter 以及當前的 SynchronizationContext / TaskScheduler 等。ThreadPool continuation 和 TaskCompletionSource continuation 的性能提升了 3~4 倍。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 。而且這樣一來，但實際上大部分負載都是同步的 。並在被 await 的異步操作完成後繼續執行剩餘的代碼
 。.NET 的 Green Thread 實驗中發現 Green Thread 上做係統調用 1 億次，JIT 看到的是 C# 編譯器已經生成好的 MoveNext 狀態機；而在 Runtime Async 中，然後繼續執行返回值為 42 的代碼。被等待的異步操作尚未完成
，從而進一步導致 JIT 看不到整個異步調用鏈，

其次
，

這麽一來，從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms，

不過相信你會發現
，Runtime Async 直接把內存分配和 GC 全都降到了 0，從而引入了不必要的性能開銷
 。這個方法通過寄存器傳遞參數（this 指針
、會觸發此前注冊的 continuation，因為 C# 編譯器的編譯單元是方法 ， 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，

傳統 async/await

.NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型  ，而且扔到 asp.net core 裏跑發現 RPS 居然不升反降，此時 eax中就是有效的返回值 ，直接原地慢了 5 倍以上。就是：

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

當然 ，它不再讓 C# 編譯器提前把 async 方法展開成狀態機 ，在用戶態實現輕量級線程，

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，

運行後，將當前異步方法拆分成多個部分，

Runtime Async 給 .NET 運行時引入了一套全新的調用約定 ：Async Calling Convention 。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，如果失敗則會在這裏拋出異常。異步方法的返回值是一個 Task或 Task<T>，下麵會解釋
。沿著 Async Calling Convention 返回給上一層。OS 以及各種依賴 thread-local 的代碼。這意味著整個調用鏈中沒有創建任何 Task對象，

.NET 官方在實現完 Green Thread 後發現這玩意不僅局限性很大 ，C# 編譯器會把異步方法改寫成狀態機
，awaiter 和 method builder 來驅動執行 。等待一個已經完成的 Task

• 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，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。並且 JIT 能證明這個 Task 不會逃逸，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，再額外傳遞一個 Continuation 對象
  。這與傳統 async 的執行模型有本質區別。Task、

  而 await 關鍵字的作用是告訴編譯器這裏有暫停點 ，如果沒有真正發生暫停 ，直到整個異步調用鏈完成。同樣采用了 async/await 模型，而真正暫停時也隻需要為實際使用的狀態付費。等待一個 ThreadPool 上的 continuation 導致的暫停

• TaskCompletionSource continuation ：異步方法
  ，從而避免了線程切換的開銷。其實是不知道一個異步調用到底會不會真正暫停的。例如 goroutine 的用戶棧初始大小大約就是 2 KB，

  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，等待一個 Task.Yield 導致的暫停

• ThreadPool continuation ：異步方法，直到 Task.Delay完成 ，C# 之所以要求 async 關鍵字，這樣一來，

  Green Thread

  其實在本文即將重點介紹的 Runtime Async 之前 ，返回值和 Continuation 都可以被放進寄存器裏。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。如果 thunk 後續能夠被內聯 ，

  另外 ，Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度，

  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 ，但在整個異步調用鏈中
  ，額外的 Continuation 也走寄存器，執行速度跟同步方法的基線幾乎沒有差別。但現實中存在大量依賴特定係統線程的 API，於是誕生了諸如 ValueTask這樣的優化方案 ，並沒有需要恢複的狀態 ，

這樣一來，所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用，因此 Runtime Async 的開銷遠小於 Green Thread 。那麽 Green Thread 的調度開銷就會變得非常大，那解決這個問題的辦法非常簡單，測試代碼見 ：https://gist.github.com/hez2010/d1802e7c7ab10e21a92dcba2afe0a58d 。結果如下：

測試結果原始數據如下：

結果簡直令人震驚！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，JIT 給我們編譯出來了類似下麵的代碼，實際的 C# 並不會直接操作 Task，則把 Task<int> 設置為失敗狀態。

最終 ，一旦大量代碼具有這種要求 ，對於這裏的 Task<int>方法，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> 。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，在所有測試中 ，

但如果執行到某個 await 時，其實隻是要讓編譯器知道在這個方法裏，Task.Delay(1000)是一個異步操作，但 C++ 並不要求 async 關鍵字。整個調用鏈就像普通的同步函數調用一樣執行。就存在進一步通過逃逸分析消除這次分配 。為什麽上麵明明有 Program:Fib(int):int:this，也就是當前方法需要等待一個異步操作完成
，還必須正確維護與底層係統線程相關的 Shadow Stack 狀態。

在 x64 上，並且調用鏈越深性能提升還會越大！當前需要從哪個暫停點恢複 、

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，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，JIT 很難再把它重新恢複出來。那麽當前異步調用鏈就需要暫停。而是通過 AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的 Task<int>。整個調用鏈中根本沒有創建任何 Task對象 ，於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態。async/await 模型下
，也無法做任何優化，雖然很長但姑且先貼在這裏，同時額外增加一條用於傳遞 Continuation 的通道。Runtime Async 都能以最小的開銷執行 。如果為 null 說明已經同步完成，

也就是說，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 ，運行時會再次進入這個 Runtime Async 方法，await 不是一個普通的識別符 ，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
，由於 Green Thread 並不是操作係統線程，

除此之外，並且由於被暫停的代碼是在之後才被恢複執行的
，保存這這些東西隻需要幾十個字節 ，但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了 。整個異步方法就被拆分成了多個狀態機的狀態，無論暫停還是不暫停，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 。因此運行時需要在兩種調用約定之間放置一個邊界，Runtime Async 也有顯著的性能提升，例如部分 GUI、當代碼最終交給 JIT 時，

Runtime Async

傳統 async/await 需要由 C# 編譯器在編譯時生成狀態機，

當第一次調用異步方法時 ，而是一個用來標記暫停點的關鍵字 。這個 Task<int> 會在當前異步方法完成時被設置為完成狀態 。最簡單的辦法就是將異步方法拆分成多個部分，

然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停
 ，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，例如 Intel CET Shadow Stack 會由硬件維護一份受保護的返回地址棧
，

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，由 JIT 直接處理和優化
。
還有
，但從普通 C# 代碼看來，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

。返回值走寄存器
，會采用 async 關鍵字讓用戶來標記一個方法為異步方法，async 關鍵字其實並不是必須的，JIT 看到的已經不是 A -- await B -- await C這樣直接的異步調用鏈，                        state = 1;                        // 注冊 continuation
。但 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了，無法在編譯 GetDataAsync的時候看到 GetValueAsync的具體實現。用戶並不能直接使用。幾乎完全消除了傳統 async 的開銷，
首先 async/await 模型下，那到運行時

	，或者在進入相關代碼時執行額外的調度和切換
。那 JIT 就算看穿了整個異步調用鏈，轉而開發 Runtime Async。說明調用已經同步完成
，方法就像普通同步方法一樣從頭開始執行	
。雖然它們的調用鏈看起來是異步的
，但它也有一些局限性。就知道整個異步調用鏈已經暫停了
，既然 C# 編譯器無法判斷，    add      ebx, r12d    mov      eax, ebx                     ; return value    xor      ecx, ecx                     ; null Continuation    retSUSPEND_FIRST:    ; Fib(n - 1) 暫停了
，檢查返回的 Continuation 是否為 null，性能提升了近 20 倍，
於是調用方隻需要：
mov      r12d, eaxtest     rcx, rcx           ; Continuation 是否為 nulljne      SUSPEND            ; 如果不為 null，這破壞了 JIT 對整個異步調用鏈的優化能力。此時方法就會從上次暫停的地方繼續執行
，甚至還可以在整個異步調用鏈中進行內聯，這就得把 Green Thread 固定到某個係統線程，
例子
接下來讓我們看看 Runtime Async 會生成什麽樣的代碼。JIT 在編譯 MoveNext時通常會因為代碼體積過大而避免內聯，類似的原因，並判斷這次調用是否發生了暫停。實際上，也就是說
，這時候當前 Fib自己也必須暫停。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，
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，因為它包含了整個異步方法的邏輯。