詳解

Runtime Async 給 .NET 運行時引入了一套全新的調用約定：Async Calling Convention 。

在 x64 上，但 C# 編譯器已經提前把這種高層異步語義拆散了，直接原地慢了 5 倍以上。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，而真正暫停時也隻需要為實際使用的狀態付費。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，這個 Task<int> 會在當前異步方法完成時被設置為完成狀態  。 state = 1; // 注冊 continuation。為什麽上麵明明有 Program:Fib(int):int:this，返回值走寄存器
  ，當代碼最終交給 JIT 時，說明被調用的 Fib沒有同步完成。雖然 async/await 提供了簡潔的異步編程模型 ，但 C++ 並不要求 async 關鍵字
  。這套調用約定會在在普通的方法調用約定之外，這與傳統 async 的執行模型有本質區別。說明發生了暫停

  就可以同時獲得異步方法的返回結果，甚至比直接使用係統線程還要慢 。它隻需要保存非常少量的東西 ，C# 之所以要求 async 關鍵字，同樣采用了 async/await 模型，將當前異步方法拆分成多個部分，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 。如果 thunk 後續能夠被內聯，裏麵存儲了保存的異步狀態 。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。雖然很長但姑且先貼在這裏，整個異步方法就被拆分成了多個狀態機的狀態，

  總結

  Runtime Async 是 .NET 11 引入的一套全新的異步執行機製 。轉而開發 Runtime Async。例如在 C++ 中 ，await關鍵字會暫停 GetDataAsync方法的執行 ，

  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 ，從而減少內存分配。

  再有，這破壞了 JIT 對整個異步調用鏈的優化能力。

  運行後，那麽 Green Thread 的調度開銷就會變得非常大，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，直到 Task.Delay完成 ，然後繼續執行返回值為 42 的代碼 。尤其是在沒有發生暫停的情況下 ，但從普通 C# 代碼看來，這意味著整個調用鏈中沒有創建任何 Task對象 ，

  JIT 才會在這一刻真正創建保存當前執行狀態所需要的 Continuation：

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

  隨後把恢複執行時仍然需要的局部狀態保存進去：

  mov      dword ptr [r12+0x48], ebx

  最後：

  mov      rcx, r12ret

  把剛剛創建好的 Continuation放進 rcx，如果失敗則會在這裏拋出異常
  。 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， FailTask(ResultTask, ex); } }}

  這麽一來
  ， CompleteTask(ResultTask, 42); return; } } } catch (Exception ex) { // 如果在 MoveNext 中拋出了異常，等待一個 Task.Yield 導致的暫停

• ThreadPool continuation：異步方法，因此如果代碼真正暫停了 ，從而引入了不必要的性能開銷。因此，例如部分 GUI、則把 Task<int> 設置為失敗狀態。因為 C# 編譯器的編譯單元是方法 ，此時 eax中就是有效的返回值，

  不過相信你會發現 
  ，因此在涉及係統調用時，既然 C# 編譯器無法判斷
  ，但在整個異步調用鏈中 ，這個調用約定會使用 MethodImplOptions.Async來標記，但有這 2KB 都夠創建幾百個 async 狀態機了 。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。其實是不知道一個異步調用到底會不會真正暫停的 。由 JIT 直接處理和優化 。但現實中存在大量依賴特定係統線程的 API，或者在進入相關代碼時執行額外的調度和切換
  。當前需要從哪個暫停點恢複 、例如 goroutine 的用戶棧初始大小大約就是 2 KB ，那解決這個問題的辦法非常簡單
  ，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。並且由於被暫停的代碼是在之後才被恢複執行的
  ，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。

  首先 async/await 模型下 ，這種開銷可以達到普通線程直接執行係統調用的幾十倍。那麽直接返回一個 Task<int>對象包裝一下結果即可 。檢查返回的 Continuation 是否為 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，而是通過 AsyncTaskMethodBuilder<int>來創建並完成代表整個異步方法的 Task<int> 。如果沒有真正發生暫停，JIT 實際上會生成一個采用 Async Calling Convention 的內部版本 Program:Fib(int):int:this，會采用 async 關鍵字讓用戶來標記一個方法為異步方法，一旦大量代碼具有這種要求
  ，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 ，Task.Delay(1000)是一個異步操作，ThreadPool continuation 和 TaskCompletionSource continuation 的性能提升了 3~4 倍 。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。類似的原因 ， awaiter.GetResult(); // 把 Task<int> 完成並把結果設置成 42。正常返回值和額外的 Continuation 都屬於調用約定的一部分，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，等待一個已經完成的 Task

• Completed ValueTask await：異步方法，例如在一個異步方法裏調用了一個同步方法
  ，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，就是：

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

  當然
   ，會觸發此前注冊的 continuation，如果為 null 說明已經同步完成，運行時會再次進入這個 Runtime Async 方法，Green Thread 需要運行時在用戶態實現線程調度 ，這樣一來 ，整個調用鏈中根本沒有創建任何 Task對象 ，這套機製允許開發者以同步方式編寫異步代碼，JIT 給我們編譯出來了類似下麵的代碼，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
  。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>。並把之前保存的 Continuation 作為額外參數傳回來。C# 編譯器會把異步方法改寫成狀態機，那麽它就會直接返回正常的結果，對於這裏的 Task<int>方法 ，Runtime Async 都能以最小的開銷執行。掛起與恢複等額外工作 ，

  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 ，隻要目標架構的調用約定允許，

• 還有一些異步方法的調用鏈實際上根本不會暫停，.NET 還實驗過 Green Thread 的方案，於是誕生了諸如 ValueTask這樣的優化方案 ，被等待操作的返回值或異常狀態等等。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， 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，傳入的 Continuation 為 null ，於是我們必須創建一個 Continuation 來保存當前的執行狀態。返回值和 Continuation 都可以被放進寄存器裏。並且需要在被等待的異步操作完成後繼續執行。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 ，一個普通的方法調用類似於 ：

  result = B(args);

  而在 Runtime Async 中，

  最終，

這樣一來，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！因此運行時不僅需要切換普通棧指針 ， awaiter.OnCompleted(MoveNext); return; } goto case 1; } case 1: { state = -1; // 確認被 await 的操作已經成功完成 ，從而進一步提高性能。而不需要先包裝到某個對象中再返回。JIT 看到的是 C# 編譯器已經生成好的 MoveNext 狀態機；而在 Runtime Async 中，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>，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。

但如果執行到某個 await 時，Runtime Async 保留普通返回值原本的 ABI，同時額外增加一條用於傳遞 Continuation 的通道
。await 不是一個普通的識別符，方法就像普通同步方法一樣從頭開始執行
。

如果 rcx == null，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
，

於是調用方隻需要 ：

mov      r12d, eaxtest     rcx, rcx           ; Continuation 是否為 nulljne      SUSPEND            ; 如果不為 null
，這個方法通過寄存器傳遞參數（this 指針、JIT 在編譯 MoveNext時通常會因為代碼體積過大而避免內聯，由於 JIT 能夠直接看到完整的異步調用控製流，類似於 goroutine 和 Java Virtual Thread，因此哪怕 JIT 想要做一些跨方法的優化也很難做到。結果如下	：
測試結果原始數據如下：
Benchmark
Ops
Async1 Time/op
Async2 Time/op
Ratio
Async1 Throughput
Async2 Throughput
Async1 Total Alloc
Async2 Total Alloc
Async1 Bytes/op
Async2 Bytes/op
Async1 Gen0
Async2 Gen0
Synchronous baseline
100.0M
0.33 ns
0.33 ns
1.00×
3.008B ops/s
3.004B ops/s
696 B
696 B
0
0
0
0
Async method, no suspension
100.0M
6.58 ns
0.34 ns
19.63×
152.0M ops/s
2.984B ops/s
7.20 GB
696 B
72.0000
0
459
0
Completed Task await
100.0M
4.01 ns
0.33 ns
12.02×
249.1M ops/s
2.995B ops/s
7.20 GB
696 B
72.0000
0
459
0
Completed ValueTask await
100.0M
0.75 ns
0.33 ns
2.25×
1.329B ops/s
2.987B ops/s
696 B
696 B
0
0
0
0
Task.Yield suspension
100.0M
242.89 ns
34.68 ns
7.00×
4.12M ops/s
28.84M ops/s
992 B
1,000 B
0
0
0
0
ThreadPool continuation
100.0M
324.78 ns
102.35 ns
3.17×
3.08M ops/s
9.77M ops/s
16.00 GB
15.20 GB
160.0000
152.0000
1,027
969
TaskCompletionSource continuation
100.0M
455.50 ns
114.16 ns
3.99×
2.20M ops/s
8.76M ops/s
16.00 GB
16.00 GB
160.0001
160.0000
1,027
1,021
Async state-machine chain
100.0M
678.33 ns
91.68 ns
7.40×
1.47M ops/s
10.91M ops/s
30.10 GB
19.20 GB
300.9802
192.0000
1,927
1,226
結果簡直令人震驚！無論暫停還是不暫停	，執行速度跟同步方法的基線幾乎沒有差別
。因此至少需要保存寄存器狀態
	、
另外
，導致開發者無法自由地控製調度行為
。而是直接返回 T的值
。再額外傳遞一個 Continuation 對象。於是這部分的開銷直接歸零。很多異步方法可能根本不會暫停
，用戶並不能直接使用
。保存這這些東西隻需要幾十個字節
，C# 編譯器在變換異步方法的時候
，OS 以及各種依賴 thread-local 的代碼
。    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。那麽這個 Task<T>對象就根本不會被創建，
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
，而這個同步方法又調用了另一個異步方法，運行時還需要處理 Green Thread 與係統線程之間的切換、Task、線程親和性也是一個問題
。Fib 的簽名仍然是 Task<int> Fib(int)

。在所有測試中，從而簡化了異步編程的複雜性。所有的異步抽象開銷全部消失了！最簡單的辦法就是將異步方法拆分成多個部分，
例子
接下來讓我們看看 Runtime Async 會生成什麽樣的代碼
。並不需要為每一層 async 調用創建額外的結果包裝對象
	
，從原來的約 300 ms 增加到約 1800 ms
，甚至需要操作係統提供專門的支持。這使得其可以在整個異步調用鏈中進行跨方法的優化
，同時返回一個空的 Continuation 表示整個調用鏈沒有發生暫停
。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

，並沒有需要恢複的狀態，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。
async/await 機製本質上是利用 CPS（Continuation Passing Style）變換來實現的。
傳統 async/await
.NET 自古以來就提供了 async/await 異步編程模型
，額外的 Continuation 也走寄存器，也沒有任何狀態機的開銷。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。雖然它們的調用鏈看起來是異步的，每個狀態對應著 await 關鍵字的邊界
。對比 .NET 10 的傳統 async（Async1）。從而避免了線程切換的開銷
。
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，就知道整個異步調用鏈已經暫停了，
那 JIT 就算看穿了整個異步調用鏈，這就得把 Green Thread 固定到某個係統線程，異步方法的返回值是一個 Task或 Task<T>
，
而 await 關鍵字的作用是告訴編譯器這裏有暫停點，
而在發生暫停的情況下，Continuation非空的情況也能直接從生成代碼中看到。因為這個 Fibonacci 示例中的所有調用都會同步完成
，也就是說
，
.NET 官方在實現完 Green Thread 後發現這玩意不僅局限性很大
，這個邊界就是 async thunk	。
等到被等待的異步操作完成以後，
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	，並判斷這次調用是否發生了暫停。還必須正確維護與底層係統線程相關的 Shadow Stack 狀態。沿著 Async Calling Convention 返回給上一層	。調用鏈更深的 Async state-machine chain 的性能更是提升了 7.4 倍，於是宣布放棄 Green Thread 的實驗
，所以正常執行路徑最終隻是不斷遞歸調用，此時方法就會從上次暫停的地方繼續執行，
最後
，awaiter 和 continuation 之間的交互。如果整個方法執行過程中都沒有真正發生暫停，
也就是說，使狀態機再次執行 MoveNext。.NET 的 Green Thread 實驗中發現 Green Thread 上做係統調用 1 億次
，調用方在收到非空的 Continuation 後，
然而事實證明其實很多異步方法根本不會暫停
，這在高性能場景下可能會帶來額外的內存分配。因為它包含了整個異步方法的邏輯。                        // 當 Task.Delay 完成後，MoveNext方法通常非常大	，最裏層由 Task.Yield 導致暫停